南充市氣象信息網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

青娉楚，盧淞巖,鄒 紅，姚 朋，陳 蘭

(四川省南充市氣象局，四川 南充 637000)

0 引言

隨著信息技術在氣象現(xiàn)代化建設中的不斷推進，現(xiàn)代信息技術與氣象業(yè)務結合越來越緊密。氣象業(yè)務服務以及各類氣象數(shù)據(jù)傳輸，離不開信息網(wǎng)絡這個基礎平臺。就目前南充市氣象部門來說，國家自動站、區(qū)域自動氣象站所采集到的資料每5 min向上級部門傳輸一次；土壤水分站、農(nóng)田小氣候站、大氣成分站等資料每個整點上傳一次；雷達資料每完成一次掃描上傳一次；還涉及到各種預報資料、突發(fā)天氣情況預警信息的傳輸?shù)取Ｓ捎跉庀筚Y料傳輸具有較高的時效性要求，氣象信息網(wǎng)絡必須保持全天24 h通暢，在此運行過程中難免會出現(xiàn)通信光纖被市政施工挖斷、突發(fā)雷擊故障、網(wǎng)絡設備老化等不可抗拒原因引起網(wǎng)絡中斷，導致氣象資料正常傳輸受到影響。南充市氣象廣域網(wǎng)路由器到省級、縣級的鏈路采用雙運營商雙MSTP互為備份，如需維持各鏈路24 h運行不中斷，就要求網(wǎng)絡管理人員全天候同時監(jiān)控的鏈路多達27條，如不借助技術手段，那么工作量極大，同時需要消耗大量的人力、物力資源。并且由于人力的局限性，難免會出現(xiàn)一時疏忽，不能保證當網(wǎng)絡出現(xiàn)中斷故障時，能夠第一時間發(fā)現(xiàn)并進行處理維護。

南充市氣象信息網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的設計，緊密圍繞氣象信息網(wǎng)絡的特有屬性，采用基于J2EE+MySQL+Android設備相配合等技術方法，對南充市氣象信息網(wǎng)絡進行有效實時的監(jiān)控和管理，當網(wǎng)絡中斷后，系統(tǒng)可將故障信息第一時間傳達到信息網(wǎng)絡管理人員，對氣象業(yè)務的運行和發(fā)展有重大意義。

1 設計思路

系統(tǒng)采用J2EE+MySQL+Android設備配合、Java編程語言等技術方法，其中J2EE實現(xiàn)業(yè)務邏輯組織并為業(yè)務數(shù)據(jù)提供遠程查詢界面；MySQL提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲；Android手機支撐網(wǎng)絡故障報警的實現(xiàn)，服務器開發(fā)環(huán)境采用MySQL+Tomact方式。系統(tǒng)運行在一臺服務器上，向多條鏈路對端路由器IP地址不斷發(fā)送ping命令，根據(jù)是否有掉包現(xiàn)象判斷相應網(wǎng)絡鏈路的通暢情況。同時，系統(tǒng)采用Browser/Server結構，使用Web界面作為系統(tǒng)管理平臺，系統(tǒng)管理人員在任意一臺計算機上都能使用瀏覽器進入系統(tǒng)平臺管理查詢頁面，通過鏈路管理、監(jiān)控記錄、統(tǒng)計查詢、報警人員管理等4個主要模塊，實現(xiàn)鏈路監(jiān)控、鏈路增減、鏈路信息編輯、網(wǎng)絡中斷情況統(tǒng)計與查詢、管理人員編輯等操作。

系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：①自動監(jiān)控市級到互聯(lián)網(wǎng)、市級到省級、市級到縣級的各條網(wǎng)絡鏈路的通斷情況；②監(jiān)控到任一鏈路斷開超過設定時間，自動對系統(tǒng)設定的相關報警人員進行電話和短信通知報警，鏈路恢復時發(fā)送恢復短信；③通過報警短信能看出具體是哪一條鏈路出現(xiàn)問題；④系統(tǒng)通過手機報警，即使互聯(lián)網(wǎng)斷開，也能將鏈路通斷故障信息第一時間傳送相關人員；⑤可同時通知多個報警人員；⑥系統(tǒng)管理員通過B/S模式，輸入用戶名密碼登錄系統(tǒng)管理頁面；⑦監(jiān)控記錄頁面可查詢對各鏈路斷開次數(shù)、每次持續(xù)時間的記錄信息；⑧在鏈路管理頁面對需要監(jiān)控的鏈路信息進行編輯管理，并能通過操作實現(xiàn)鏈路的添加刪除；⑨在報警人員管理頁面對需要報警提醒的人員相關信息、報警通知電話號碼進行編輯；⑩在統(tǒng)計查詢頁面能以故障發(fā)生時間或鏈路名稱等為條件，對網(wǎng)絡鏈路歷史中斷情況進行統(tǒng)計查詢。

1.1 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)功能模塊圖描述如圖1所示，主要分為監(jiān)控模塊、報警模塊、系統(tǒng)Web界面等3大模塊。其中系統(tǒng)Web界面模塊作為系統(tǒng)管理平臺，主要包含鏈路管理、監(jiān)控記錄、統(tǒng)計查詢、報警人員管理等子模塊，實現(xiàn)管理查詢工作。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖Fig.1 The System Function Module Diagram

①監(jiān)控模塊：自動監(jiān)控市級到互聯(lián)網(wǎng)、市級到省級、市級到縣級的電信移動MSTP網(wǎng)絡的鏈路情況，是否發(fā)生中斷。

②報警模塊：當發(fā)現(xiàn)有網(wǎng)絡鏈路中斷時，自動觸發(fā)Android手機對指定人員進行電話和短信報警；鏈路恢復時，觸發(fā)Android手機發(fā)送恢復短信，并將中斷情況記錄在數(shù)據(jù)庫中。

③系統(tǒng)Web界面模塊：系統(tǒng)管理員在任意一臺電腦輸入地址即可訪問系統(tǒng)平臺，輸入用戶名密碼進入系統(tǒng)界面后，通過對鏈路管理、監(jiān)控記錄、統(tǒng)計查詢、報警人員管理4個主要頁面的操作，實現(xiàn)系統(tǒng)管理、查詢等相關工作。其中鏈路管理部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對鏈路的添加、刪除，可對鏈路名稱、鏈路對端IP地址、是否進行監(jiān)控等屬性進行編輯管理，還可實時查看鏈路狀態(tài)。監(jiān)控記錄部分，通過頁面可以訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，能查閱所有網(wǎng)絡鏈路中斷記錄。統(tǒng)計查詢部分，實現(xiàn)以鏈路名稱、鏈路IP地址、查詢時間等作為限定條件對數(shù)據(jù)庫進行訪問，對數(shù)據(jù)庫中所記錄的各條網(wǎng)絡鏈路中斷故障情況實現(xiàn)統(tǒng)計查詢。報警人員管理部分，實現(xiàn)在頁面中增加刪除、添加等操作，協(xié)助需要報警提醒人員的設置，還可以管理及編輯報警人員的相關信息，如電話、姓名等，并根據(jù)人員值班情況調(diào)整是否報警。

1.2 系統(tǒng)主要功能流程圖

圖2為系統(tǒng)監(jiān)控與報警功能實現(xiàn)的一個簡略流程。

圖2 自動監(jiān)控與報警功能流程圖Fig.2 The Flow Chart of Automatic Monitoring and Alarm Function

系統(tǒng)每單位時間自動向指定網(wǎng)絡鏈路對端路由器IP地址發(fā)送ping命令進行輪詢：

①當程序判斷出某條網(wǎng)絡鏈路中斷時，繼續(xù)判斷該鏈路之前的狀態(tài)是否為中斷，如果是，則繼續(xù)輪詢；如果不是，則觸發(fā)Android手機程序進行電話和短信報警，然后再繼續(xù)鏈路輪詢。

②當程序判斷出某條網(wǎng)絡鏈路是正常傳輸時，繼續(xù)判斷該鏈路之前的狀態(tài)是否為中斷，如果不是，繼續(xù)輪詢；如果是，則觸發(fā)Android手機程序發(fā)送恢復短信，然后再繼續(xù)輪詢。

1.3 數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)選用MySQL關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，建立一個穩(wěn)定的后臺數(shù)據(jù)庫，通過該數(shù)據(jù)庫管理整個網(wǎng)絡自動監(jiān)控與報警系統(tǒng)所需的信息。針對需求，設計的主要數(shù)據(jù)項和數(shù)據(jù)結構如下所示：

①系統(tǒng)管理員信息，包括的數(shù)據(jù)項有：用戶名、密碼等。

②網(wǎng)絡鏈路信息，包括的數(shù)據(jù)項有：鏈路對端路由器IP、鏈路名、鏈路狀態(tài)、是否進行監(jiān)控等。

③鏈路中斷故障記錄信息，包括的數(shù)據(jù)項有：故障編號、鏈路對端路由器IP、鏈路名稱、故障開始時間等。

④報警人員信息，即需要進行報警提醒的人員信息，包括的數(shù)據(jù)項有：編碼、網(wǎng)管姓名、電話號碼、是否通知等。

2 系統(tǒng)主要功能模塊實現(xiàn)

2.1 網(wǎng)絡監(jiān)控與報警模塊

2.1.1 網(wǎng)絡監(jiān)控時效性控制 為保障各項氣象業(yè)務正常運行，氣象網(wǎng)絡必須要滿足各種氣象資料的傳輸時效性要求。系統(tǒng)利用“cron表達式”設置定時任務，在項目文件src/job.properties中，用cron=0 0/2***設置鏈路每2 min輪詢一次，符合當前氣象數(shù)據(jù)傳輸需求。如以后氣象數(shù)據(jù)傳輸需求發(fā)生變化，可隨時通過對cron表達式進行更改，從而調(diào)整鏈路輪詢觸發(fā)的單位時間。

2.1.2 網(wǎng)絡監(jiān)控、報警模塊的實現(xiàn) 由于在網(wǎng)絡運行過程中，難免有偶爾傳輸不穩(wěn)定情況，如果ping某條鏈路只要丟包，就立馬進行鏈路斷線報警，很大概率會出現(xiàn)誤報。故系統(tǒng)采取的方式為：對指定鏈路對端路由器IP地址進行ping命令輪詢時，每次ping對每條鏈路發(fā)送3個包給鏈路對端IP地址，3個包只要有1個包返回，都不算這次ping的過程有掉包，只有返回的包個數(shù)為零時才算作該鏈路這次ping的過程為掉包，當鏈路兩次輪詢都是掉包時，認定為鏈路中斷。按照目前的設置，相當于該鏈路斷線達到4 min才會進行報警。

從實際運行操作來考慮，系統(tǒng)不可能每次認定鏈路中斷都進行報警，即不可能在已知鏈路本身已經(jīng)中斷的情況下，每4 min都報警一次。因此，在系統(tǒng)輪詢判斷某一條鏈路為中斷時，會查看鏈路的前一狀態(tài)，如前一狀態(tài)為正常運行，那么系統(tǒng)才會觸發(fā)電話與短信報警；相應的，當系統(tǒng)監(jiān)控到鏈路狀態(tài)恢復正常時，也會對該鏈路前一狀態(tài)進行判斷，若前一狀態(tài)為中斷，那么觸發(fā)鏈路恢復短信的發(fā)送。

圖3為網(wǎng)絡監(jiān)控與報警模塊實現(xiàn)流程圖。從流程圖可以看出，當監(jiān)控系統(tǒng)正常運行，從數(shù)據(jù)庫中獲取各條需要監(jiān)控的鏈路后，向它們發(fā)送ping命令。

圖3 網(wǎng)絡監(jiān)控與報警模塊流程圖Fig.3 The Flow Chart of Network Monitoring and Alarm Module

聲明變量count，獲取host網(wǎng)絡鏈路信息表中的鏈路狀態(tài)HostStatus為count賦值。當系統(tǒng)輪詢到某條鏈路正常時，若count=2，那么說明鏈路之前為斷線，通過host表中獲取到的鏈路信息，編輯恢復短信，向manager報警人員信息表中需要提醒的報警人員發(fā)送恢復短信，并將鏈路狀態(tài)賦值為0，若HostStatus為空，也將其賦值為0，系統(tǒng)繼續(xù)輪詢。

當?shù)?次輪詢到某條鏈路為掉包時，此時獲取到的鏈路狀態(tài)HostStatus給count賦值為0，說明鏈路之前狀態(tài)是通的，這是第1次斷線。把當前故障及時間記錄到pingrecord鏈路中斷故障記錄表中，同時host表中的HostStatus記為1，系統(tǒng)繼續(xù)輪詢。

當?shù)?次輪詢到某條鏈路為掉包時，通過獲取此時鏈路狀態(tài)HostStatus給count賦值為1，得知該鏈路上一次輪詢也為掉包，那么認定為該鏈路中斷，將host表中的HostStatus記為2，向需要提醒的網(wǎng)管人員發(fā)送電話和短信報警提醒，并編輯報警短信，指明中斷鏈路，系統(tǒng)繼續(xù)輪詢。

當再次輪詢到某條鏈路為掉包時，通過獲取此時鏈路狀態(tài)HostStatus給count賦值為2，得知該鏈路已發(fā)送過報警短信，不改變鏈路狀態(tài)值，系統(tǒng)繼續(xù)輪詢。

2.1.3 Android設備報警實現(xiàn) 由于系統(tǒng)承擔著對互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控任務，故系統(tǒng)未采用微信或網(wǎng)絡電話報警方式。要使系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)中斷時，也能完成網(wǎng)絡中斷報警任務，故系統(tǒng)采取手機短信和電話報警。

要實現(xiàn)Android設備的自動報警功能，首先在設備上安裝Android手機APP：PhoneHelper，這是基于Android并用Java作為主要編程語言編寫的APP。

Android設備上的程序除了從設備界面手動點開進行啟動之外，還可以命令行的方式啟動程序。通過這種方式，能讓系統(tǒng)在監(jiān)測到網(wǎng)絡鏈路斷線或恢復時自動觸發(fā)PhoneHelper程序。首先需要用數(shù)據(jù)線把手機和計算機連接起來，然后借助ADB工具連接Android設備進行調(diào)試，使用命令行工具am來啟動：adb shell am start-n{包(package)名}/{包名}.{活動(activity)名稱}。系統(tǒng)運行時，要保持Android手機一直連接在服務器USB口，才能實現(xiàn)由系統(tǒng)觸發(fā)手機APP進行電話和短信的通知報警。

由于在實際運行過程中發(fā)現(xiàn)，如手機在休眠鎖屏時，通過上述命令沒法自動啟動PhoneHelper程序，故在觸發(fā)手機APP前，會對手機屏幕進行點亮喚醒的操作。示例如下：

if (System.currentTimeMillis()-lastCmdTime>120*1 000){Runtime.getRuntime().exec(String.format("%s shell input keyevent 26",ADB));}

在實際運行時還發(fā)現(xiàn)，當多條鏈路同時中斷時，由于程序執(zhí)行速度遠遠快于程序撥打電話號碼的速度，即第1條鏈路的報警電話撥打還未斷線時，第2條鏈路的報警電話又開始啟動撥打，故撥打電話可能出現(xiàn)沖突，所以在系統(tǒng)中，當遇到多條鏈路斷線時，為了避免沖突，默認為1 min撥打1次報警電話。

2.1.4 報警形式 若監(jiān)控到網(wǎng)絡鏈路中斷時，一方面用電話報警的方式讓網(wǎng)管人員能夠第一時間發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡故障，及時進行處理避免影響氣象資料的傳輸時效性和完整性；另一方面還編輯短信詳細告知是哪一條鏈路出現(xiàn)故障，便于網(wǎng)管人員盡快找準處理方向，及時查找問題，有效節(jié)約網(wǎng)絡故障處理時間。

同時，為了節(jié)約人力資源，避免不必要的資源浪費，當系統(tǒng)監(jiān)控監(jiān)控到網(wǎng)絡鏈路恢復時，發(fā)送鏈路恢復短信報警。短信報警內(nèi)容如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)報警短信Fig.4 The Alarm Message of System

由鏈路報警短信“Link to[鏈路名稱],IP[鏈路對端IP地址]went down.”可以清晰明確地看出具體是哪一條或哪幾條鏈路出現(xiàn)鏈路中斷，并且顯示鏈路對端IP地址。

由鏈路恢復短信“Link to[鏈路名稱],IP[鏈路對端IP地址]come back.”同樣可以清晰明確地看出具體是哪一條或哪幾條鏈路已經(jīng)恢復正常，并且顯示鏈路對端IP地址。

2.2 系統(tǒng)Web界面模塊

在任意一臺電腦的瀏覽器地址欄輸入：http://服務器IP地址:8080/jfinal/login，即可進入系統(tǒng)登錄界面，輸入系統(tǒng)管理員用戶名、密碼進入平臺首頁。菜單欄顯示有鏈路管理、監(jiān)控記錄、統(tǒng)計查詢、報警人員管理4個主要功能，通過這些主要功能頁面實現(xiàn)鏈路監(jiān)控、鏈路增減、鏈路信息編輯、網(wǎng)絡中斷情況統(tǒng)計與查詢、管理人員編輯等操作。

圖5所示為每次鏈路中斷故障的記錄顯示，包括每次故障的開始時間，最后一次未ping通時間和故障持續(xù)時間。

圖5 監(jiān)控記錄Fig.5 The Monitoring Records

圖6所示為統(tǒng)計查詢頁面，默認顯示的是對不同鏈路的中斷故障記錄進行匯總統(tǒng)計的情況，一個對端IP地址產(chǎn)生一條信息。統(tǒng)計要素包括中斷次數(shù)、中斷總時間、每次中斷持續(xù)平均時間。

圖6 統(tǒng)計查詢Fig.6 The Statistical and Query

同時，也可對鏈路故障的統(tǒng)計情況進行查詢。如指定對端IP地址點擊查詢，那么頁面就會顯示鏈路對端為該IP地址對應鏈路的中斷次數(shù)、中斷總時間、每次中斷持續(xù)平均時間；如指定鏈路名稱點擊查詢，那么頁面會顯示該名稱鏈路的中斷次數(shù)、中斷總時間、每次中斷持續(xù)平均時間；或者也可以分別選定起始時間和結束時間，指定時間段查看各鏈路中斷情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3 業(yè)務應用情況

經(jīng)過一年半的業(yè)務應用，系統(tǒng)共準確監(jiān)測并及時提供南充市氣象信息網(wǎng)絡斷線報警23次，報警和恢復短信電話均有效實時地傳達到信息網(wǎng)絡管理人員，使相關工作人員及時響應，在盡快時間內(nèi)處理網(wǎng)絡故障，為氣象資料傳輸?shù)募皶r和完整提供了有效保障。

4 結語

南充市氣象信息網(wǎng)絡自動監(jiān)控與報警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，為氣象資料傳輸?shù)募皶r性和完整性提供了有效保障。系統(tǒng)可適時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡鏈路故障，對網(wǎng)絡進行有效實時的監(jiān)控和管理，當網(wǎng)絡出現(xiàn)問題時，可將故障信息第一時間傳達到需要通知維護網(wǎng)絡的報警人員，便于及時準確地處理與查找問題；故障恢復后可發(fā)送恢復短信提醒，避免不必要的人力財力資源浪費，使市級氣象部門的網(wǎng)絡監(jiān)控與維護向更加高效集約和智能智慧的方向發(fā)展，對南充市氣象業(yè)務服務的運行和發(fā)展有重大意義。