懷柔太陽觀測(cè)基地?cái)?shù)據(jù)流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙 翠，林鋼華，鄧元勇，汪國(guó)萍

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012；2.中國(guó)科學(xué)院太陽活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)

懷柔太陽觀測(cè)基地?cái)?shù)據(jù)流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙 翠1，2，林鋼華1，2，鄧元勇1，2，汪國(guó)萍1，2

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012；2.中國(guó)科學(xué)院太陽活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)

基于數(shù)據(jù)流量的統(tǒng)計(jì)功能是評(píng)判數(shù)據(jù)產(chǎn)地應(yīng)用服務(wù)的一項(xiàng)指標(biāo)；統(tǒng)計(jì)不同類型觀測(cè)數(shù)據(jù)的使用、共享情況，可為分析數(shù)據(jù)的使用需求提供參考。因此，設(shè)計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值?；谥袊?guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)懷柔太陽觀測(cè)基地的數(shù)據(jù)服務(wù)，以LAMP為開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)流量實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)及定時(shí)入庫、數(shù)據(jù)流量查詢功能、流量可視化功能(包括直方圖顯示和餅狀圖顯示)等功能模塊，以流量統(tǒng)計(jì)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層及用戶層4個(gè)層次為結(jié)構(gòu)框架，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)及查詢?nèi)我鈺r(shí)段內(nèi)多種儀器觀測(cè)的多種數(shù)據(jù)傳輸至各用戶單位的流量功能，系統(tǒng)具有統(tǒng)計(jì)精確、多個(gè)關(guān)鍵字進(jìn)行完整查詢、顯示直觀、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足當(dāng)前及未來應(yīng)用需求，對(duì)其它數(shù)據(jù)產(chǎn)地的多類型數(shù)據(jù)的流量統(tǒng)計(jì)具有可用性。

懷柔；太陽數(shù)據(jù)；流量；統(tǒng)計(jì)

CN53－1189/P ISSN1672－7673

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)懷柔太陽觀測(cè)基地裝備了多臺(tái)先進(jìn)的太陽觀測(cè)設(shè)備，主要的望遠(yuǎn)鏡包括太陽磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡、三通道太陽磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡、全日面太陽光球磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡以及全日面色球Hα望遠(yuǎn)鏡[1]，可從不同層次和波段對(duì)太陽進(jìn)行多個(gè)層面的觀測(cè)及數(shù)據(jù)采集，目前累積了TB量級(jí)的多種類型的觀測(cè)數(shù)據(jù)?；孛咳諏⑦@些觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送至多家需求單位，如美國(guó)大熊湖天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)太陽活動(dòng)預(yù)報(bào)中心、國(guó)家天文臺(tái)信息與計(jì)算中心等。

準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)任意時(shí)段內(nèi)這些儀器觀測(cè)的多種數(shù)據(jù)傳輸至各用戶單位的流量，對(duì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用評(píng)估具有重要意義，同時(shí)也有助于優(yōu)化儀器的觀測(cè)能力。一方面，懷柔觀測(cè)基地的任務(wù)之一是通過多種望遠(yuǎn)鏡的高效運(yùn)行，獲取優(yōu)質(zhì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)滿足不同用戶的需求，數(shù)據(jù)傳輸及使用流量可以作為評(píng)判基地?cái)?shù)據(jù)服務(wù)的一項(xiàng)指標(biāo)；另一方面，統(tǒng)計(jì)不同類型觀測(cè)數(shù)據(jù)的使用、共享情況，能夠指導(dǎo)設(shè)備的升級(jí)改造及對(duì)新設(shè)備的研制提供參考。

目前開發(fā)的各種類型流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)[2－4]，大都針對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，個(gè)性化較強(qiáng)，不適合進(jìn)行移植，自行設(shè)計(jì)和開發(fā)一套適合于本基地需求的流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。本文建構(gòu)的懷柔太陽觀測(cè)基地?cái)?shù)據(jù)流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，以LAMP為開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)流量實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)及定時(shí)入庫功能、數(shù)據(jù)流量查詢功能、流量可視化功能(包括直方圖顯示和餅狀圖顯示)等模塊，以流量統(tǒng)計(jì)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層及用戶層4個(gè)層次為結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行構(gòu)建。系統(tǒng)能夠保證數(shù)據(jù)流量實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)及定時(shí)更新入庫；可基于任意觀測(cè)時(shí)段、儀器類型、數(shù)據(jù)類型、傳輸單位等多條件進(jìn)行流量查詢及統(tǒng)計(jì)；并提供多種儀器數(shù)據(jù)流量的可視化顯示功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)以目前流行的LAMP架構(gòu)為開發(fā)環(huán)境進(jìn)行構(gòu)建，LAMP是最強(qiáng)大的網(wǎng)站解決方案，從網(wǎng)站的流量上來說，70%以上的訪問流量是LAMP提供的。

1.1.1 LAMP介紹

LAMP[5]是一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和開發(fā)環(huán)境，是Linux、Apache、MySQL、Php/Perl的縮寫，每一個(gè)字母代表了一個(gè)組件。平臺(tái)由4個(gè)組件組成，呈分層結(jié)構(gòu)，每一層提供了整個(gè)架構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵部分:

Linux:Linux處在最底層，提供操作系統(tǒng)。它的靈活性和可定制化的特點(diǎn)意味著它能夠產(chǎn)生一種高度定制的平臺(tái)，讓其它組件在上面運(yùn)行。

Apache:Apache位于第二層，是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，提供可讓用戶獲得網(wǎng)絡(luò)頁面的機(jī)制。

MySQL:MySQL是最流行的開源關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中，所有帳戶信息、產(chǎn)品信息、客戶信息、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和其他類型的信息都存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中。

PHP:PHP是一種被廣泛應(yīng)用的開放源代碼的多用途腳本語言，它可嵌入HTML中，尤其適合網(wǎng)絡(luò)開發(fā)?？梢允褂肞HP編寫能訪問MySQL數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)和Linux提供的一些特性的動(dòng)態(tài)內(nèi)容。

1.1.2 系統(tǒng)選擇LAMP的原因

系統(tǒng)選擇LAMP為開發(fā)環(huán)境，主要考慮其具有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)[6]:

(1)靈活性:既沒有技術(shù)上的限制也沒有許可證的限制。允許使用者能夠以適合自身的方式靈活地構(gòu)建和部署應(yīng)用程序，而不是以其正在使用的技術(shù)的提供商規(guī)定的方式。

(2)個(gè)性化:LAMP組件是開源軟件，已經(jīng)建立了大量額外的組件和提供額外功能的模塊，能夠讓使用者個(gè)性化設(shè)置組件和功能以便滿足需求。

(3)易于開發(fā):用LAMP組件開發(fā)極其簡(jiǎn)單，代碼通常非常簡(jiǎn)潔，甚至非程序員也能夠修改或者擴(kuò)展這個(gè)應(yīng)用程序，同時(shí)也給專業(yè)的程序員提供了各種高級(jí)的特性。

(4)容易應(yīng)用:大多數(shù)主機(jī)服務(wù)把基于LAMP的環(huán)境作為標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用程序也不需要編譯，在新的主機(jī)上部署一個(gè)應(yīng)用程序就像拷貝一個(gè)應(yīng)用軟件那樣容易。

(5)安全:由于是開源軟件，大量的程序員關(guān)注這些軟件的開發(fā)，問題通常能夠很快修復(fù)，不需要昂貴的技術(shù)支持合同。經(jīng)過大量用戶和團(tuán)體組織多年來的使用，LAMP技術(shù)是安全和穩(wěn)定的。

(6)成本低廉:LAMP組件都是開源軟件，只要遵循GPL協(xié)議，可以自由獲得和免費(fèi)使用，極大降低了部署成本。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為4個(gè)層次進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別為:流量統(tǒng)計(jì)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層以及用戶層，以下分別敘述:

(1)流量統(tǒng)計(jì)層:負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)獲取傳輸至多家單位的多種儀器采集的各種類型數(shù)據(jù)的流量信息，將每條信息生成記錄，定時(shí)保存至數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的更新；

(2)數(shù)據(jù)層:該層即為本系統(tǒng)構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)保存每條數(shù)據(jù)記錄信息，表字段包括:儀器類型、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)名稱、傳輸時(shí)間、數(shù)據(jù)大小以及傳輸?shù)刂罚?/p>

(3)業(yè)務(wù)層:負(fù)責(zé)處理實(shí)際的用戶需求，根據(jù)用戶輸入信息，調(diào)用相應(yīng)的功能模塊，處理并返回結(jié)果至用戶層；

(4)用戶層:負(fù)責(zé)與用戶打交道，將業(yè)務(wù)層的處理結(jié)果呈現(xiàn)給用戶，在系統(tǒng)中提供查詢及可視化顯示等對(duì)外服務(wù)。

圖1顯示了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

1.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

通過進(jìn)行需求分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流量實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)及定時(shí)入庫模塊、數(shù)據(jù)流量查詢模塊以及可視化顯示模塊。

1.3.1 數(shù)據(jù)流量實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)及定時(shí)入庫模塊

基地按照要求每日將各種類型的太陽觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至美國(guó)大熊湖天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)太陽活動(dòng)預(yù)報(bào)中心、國(guó)家天文臺(tái)信息與計(jì)算中心等多家單位，目前包括的數(shù)據(jù)類型為:局部太陽光球矢量磁場(chǎng)，局部太陽光球視向速度場(chǎng)，局部太陽色球視向磁場(chǎng)，局部太陽色球視向速度場(chǎng)，局部太陽光球矢量磁場(chǎng)橫向分量Q5、U5數(shù)據(jù)，三通道局部太陽視向磁場(chǎng)數(shù)據(jù)、橫向磁場(chǎng)Q5、U5數(shù)據(jù)，全日面光球矢量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)視向分量L5、橫向分量Q5、U5數(shù)據(jù)，全日面色球Halpha單色像數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，該模塊獲取每個(gè)數(shù)據(jù)的儀器類型、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式、文件名稱、傳輸時(shí)間、文件大小以及傳輸?shù)刂返刃畔?，生成記錄，定時(shí)保存至數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫更新。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 A block diagram of the overall structure of the system

1.3.2 數(shù)據(jù)流量查詢模塊

該模塊以起始時(shí)間、儀器類型、數(shù)據(jù)類型、傳輸?shù)刂窞闄z索條件，用戶依據(jù)自身需求選擇或限定查詢條件，進(jìn)行查詢，模塊統(tǒng)計(jì)出符合條件的數(shù)據(jù)記錄后，以表格形式羅列結(jié)果返回至用戶界面，該表格中包括儀器類型、數(shù)據(jù)類型、傳輸?shù)刂泛涂偭髁啃畔ⅰ?/p>

1.3.3 可視化顯示模塊

模塊通過可視化的方式，直觀地顯示不同儀器數(shù)據(jù)流量圖，其中包括直方圖顯示模塊和餅狀圖顯示模塊。

直方圖顯示模塊:通過數(shù)據(jù)流量查詢及顯示模塊，用戶可獲取多種儀器的數(shù)據(jù)流量，該模塊以儀器類型為橫坐標(biāo)、流量大小為縱坐標(biāo)，畫出直方圖，提供不同儀器數(shù)據(jù)流量的直觀對(duì)比。

餅狀圖顯示模塊:對(duì)于用戶查詢并返回的數(shù)據(jù)流量，計(jì)算每種儀器的數(shù)據(jù)流量與總流量的比值，畫出餅狀圖，可提供不同儀器數(shù)據(jù)流量的另一種直觀對(duì)比。

1.4 關(guān)鍵功能模塊實(shí)現(xiàn)

以下詳細(xì)敘述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的精確統(tǒng)計(jì)以及定時(shí)更新數(shù)據(jù)庫。

1.4.1 數(shù)據(jù)流量精確統(tǒng)計(jì)

(1)FTP協(xié)議介紹

FTP協(xié)議介紹:FTP協(xié)議的全稱是文件傳輸協(xié)議(File Transfer Protocol)，是基于TCP/IP協(xié)議的一個(gè)應(yīng)用協(xié)議，主要實(shí)現(xiàn)在不同的計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)共享，具有數(shù)據(jù)上傳、校驗(yàn)及斷點(diǎn)續(xù)傳的功能，系統(tǒng)利用此協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳、校驗(yàn)及續(xù)傳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的精確統(tǒng)計(jì)。

(2)基于FTP協(xié)議的數(shù)據(jù)文件上傳

為了使用FTP傳輸文件，首先需用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的用戶名和口令確認(rèn)FTP會(huì)話，登陸成功后，利用cd命令在遠(yuǎn)程機(jī)上改變工作目錄，利用put命令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的傳輸。

(3)基于FTP協(xié)議校驗(yàn)文件傳輸

當(dāng)利用FTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，一旦數(shù)據(jù)傳輸成功，應(yīng)返回響應(yīng)代碼‘226’，系統(tǒng)中，通過此響應(yīng)代碼校驗(yàn)文件傳輸成功與否，如果成功則完成此次傳輸，否則，需進(jìn)行斷點(diǎn)續(xù)傳。

(4)基于FTP協(xié)議的數(shù)據(jù)文件斷點(diǎn)續(xù)傳

斷點(diǎn)續(xù)傳原理:由于FTP是順序接收文件的，所以，只要計(jì)算已接收的數(shù)據(jù)大小，就可以知道斷點(diǎn)在文件的偏移量，續(xù)傳時(shí)，客戶端將已接收的數(shù)據(jù)量傳遞給服務(wù)器，服務(wù)器使用這個(gè)做為偏移量繼續(xù)讀取文件，將剩余的數(shù)據(jù)發(fā)送至客戶端，客戶端僅需將接收的數(shù)據(jù)追加至原文件尾部即可，這個(gè)過程即可實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)傳。

斷點(diǎn)續(xù)傳的實(shí)現(xiàn):系統(tǒng)中使用REST指令告訴需要從文件的某個(gè)點(diǎn)開始傳，接著用STOR或者RETR命令開始傳輸數(shù)據(jù)文件。

1.4.2 定時(shí)更新數(shù)據(jù)庫

(1)建立流量統(tǒng)計(jì)日志

將每個(gè)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息保存至流量統(tǒng)計(jì)日志，該日志遵循一定的格式規(guī)范，包括每條數(shù)據(jù)的儀器類型、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式、文件名稱、傳輸時(shí)間、文件大小以及傳輸?shù)刂返刃畔ⅰ?/p>

(2)根據(jù)日志定時(shí)更新數(shù)據(jù)庫

日志信息保存了最新成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量信息，需將其保存至數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)定時(shí)讀取日志中的每條記錄，將其輸入數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的更新。

2 系統(tǒng)運(yùn)行效果

系統(tǒng)基于面向?qū)ο蟮木幊虒?shí)現(xiàn)，具有易擴(kuò)展的特點(diǎn)。下面以統(tǒng)計(jì)2013年7月1日～2013年8月10日傳輸至中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心的數(shù)據(jù)流量為例，顯示其運(yùn)行效果。

(1)在查詢界面中輸入相應(yīng)參數(shù)，如圖2。

圖2 懷柔太陽觀測(cè)數(shù)據(jù)流量查詢界面Fig.2 The query form for data flows of the HSOS

(2)參數(shù)輸入完畢后，點(diǎn)擊“開始統(tǒng)計(jì)”按鈕，系統(tǒng)返回如下結(jié)果(圖3)。

頁面左側(cè)表格列出了懷柔太陽觀測(cè)基地共13種數(shù)據(jù)的流量統(tǒng)計(jì)情況，右側(cè)提供查看柱狀直方圖和餅狀圖的鏈接。

(3)按4種望遠(yuǎn)鏡類型分別統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)流量，點(diǎn)擊“查看柱狀圖”，可以直觀顯示4種儀器分別傳輸?shù)牧髁?，橫坐標(biāo)為儀器類型，縱坐標(biāo)為每種儀器的數(shù)據(jù)流量，如圖4。

(4)同時(shí)，系統(tǒng)還提供4種儀器的數(shù)據(jù)流量的餅狀圖顯示功能，點(diǎn)擊“查看餅狀圖”，如圖5，可直觀顯示儀器數(shù)據(jù)流量所占的比例。

圖3 流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖Fig.3 Statistical results of data flows

圖4 太陽觀測(cè)數(shù)據(jù)流量直方圖Fig.4 A histogram of data flows of solar observations

圖5 太陽觀測(cè)數(shù)據(jù)流量餅狀圖Fig.5 A pie chart of data flows of solar observations

3 結(jié) 論

懷柔太陽觀測(cè)基地?cái)?shù)據(jù)流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了任意時(shí)段內(nèi)對(duì)基地多種數(shù)據(jù)傳輸至各單位的流量統(tǒng)計(jì)和查詢功能，目前已完成構(gòu)建。系統(tǒng)具有統(tǒng)計(jì)精確、多個(gè)關(guān)鍵字進(jìn)行完整查詢、顯示直觀、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足當(dāng)前及未來需求。

文[7]中描述了信息技術(shù)在諸多方面能夠給太陽物理研究帶來支撐和加速，系統(tǒng)為太陽物理研究帶來的便利也再次證明了上述觀點(diǎn)。另外，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可對(duì)其它數(shù)據(jù)產(chǎn)地的多類型數(shù)據(jù)的流量統(tǒng)計(jì)提供借鑒。

在今后的工作中，系統(tǒng)將進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)其它用戶需求的數(shù)據(jù)流量，如提供基于網(wǎng)絡(luò)直接下載數(shù)據(jù)的流量統(tǒng)計(jì)功能，基于系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可方便將其它模塊嵌入本系統(tǒng)中，屆時(shí)將更加完整地提供懷柔太陽觀測(cè)基地的數(shù)據(jù)流量統(tǒng)計(jì)信息。

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Design and Implementation of a System for Statistics of Data Flows of the Huairou Solar Observation Station

Zhao Cui1，2，Lin Ganghua1，2，Deng Yuanyong1，2，Wang Guoping1，2
(1.National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100012，China，Email:zhaocui＠bao.ac.cn；2.Key Laboratory of Solar Activity，National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100012，China)

For application services of data providers statistical functions about data flows reflect an aspect of service quality.Statistics of using and sharing different types of data can provide references for analyzing requirement patterns of data.Therefore，it is practically highly valuable to design a system for statistics of data flows.Aiming at data-product services of the Huairou Solar Observation Station，we design a system of realtime statistics of data flows by adopting the LAMP as the development environment.The system framework consists of a database-updating module，a data-flow query module，a data-flow visualization module(showing histograms and pie charts)，a statistical application layer，a data layer，a service layer，and a user layer.The system achieves needed statistical functions and query capabilities for any types of data flows from a chosen instrument at a given time.The system has advantages such as accurate statistics，queries through multiple keywords，visual displays，and good expansibility.It can meet current and future needs，and has the potential to be adapted for data generated elsewhere.

Huairou；Solar-observation data；Data flows；Statistics

TP393.06

A

1672－7673(2014)03－0311－06

2013－09－24；

2013－10－23

趙 翠，女，助理工程師.研究方向:天文信息技術(shù).Email:zhaocui＠nao.cas.cn