Проектирование универсальной горизонтально масштабируемой программной системы для оптических наблюдений полярных сияний

Введение

Полярные сияния представляют собой одно из наиболее ярких проявлений космической погоды на Земле. Изучая полярные сияния, ученые получают данные о космической погоде и процессах, происходящих далеко в космосе [1].

В настоящее время полярные сияния изучаются как из космоса, с помощью космических аппаратов, так и с Земли, при помощи наземных приборов.

Описание аппаратуры для анализа

Для исследования полярных сияний используются различные приборы. Наиболее информативным видом наблюдений полярных сияний являются оптические наблюдения [2, с. 32-47].

Для оптических наблюдений могут применяться следующие типы оптических приборов [3]:

1. Камеры всего неба для исследования морфологии и динамики полярных сияний;
2. Меридиональные спектрометры для исследования полного спектрального состава аврорального свечения;
3. Эмиссионные имажеры для измерения интенсивностей значимых авроральных эмиссий по всей небесной полусфере.

Данные, получаемые с этих приборов, можно представить в виде изображения. Это позволяет отображать данные с этих приборов как изображение внутри одного клиента управления прибором.

Наша разработка

Системы для сбора данных с приборов обычно накапливают большие объемы информации. Предлагается разработать систему, для достижения следующих целей:

1. Возможность роста количества приборов для наблюдений за полярными сияниями;
2. Возможность управления приборами дистанционно при помощи системы;
3. Возможность горизонтального масштабирования системы, для хранения и обработки неограниченного объема данных.

Предполагается разработать компоненты, из которых можно будет собирать нужную систему для работы с приборами, получения, хранения и обработки данных с них.

На рисунке 1 изображена схема простейшей системы, собранной из этих компонентов.

Рис. 1. Схема простейшей системы из предложенных компонентов

Опишем представленные на схеме компоненты.

Сервер управления осуществляет авторизацию и аутентификацию пользователя и клиента узла с прибором, а также передает данные и команды между клиентами узлов с прибором и клиентами управления.

Система управления базами данных (СУБД) предназначена для хранения информации, необходимой для идентификации и аутентификации пользователей.

Клиент узла с прибором управляет прибором и получает данные о его состоянии через драйвер прибора. Также клиент узла с прибором принимает команды от сервера управления и отправляет на него состояние прибора. Клиент узла с прибором отправляет целевую информацию прибора на сервер доступа к данным.

Клиент управления устанавливает соединение с сервером управления, посылает команды для управления прибором, отображает передаваемую с прибора целевую информацию и состояние прибора, которые он примет от сервера управления. Пользователь посредством клиента управления имеет возможность управлять приборами.

Сервер доступа к данным осуществляет авторизацию и аутентификацию пользователя и клиента узла с прибором. Он подключается к хранилищу данных и загружает в него записи целевой информации с приборов, полученные от клиентов узлов с прибором, и предоставляет клиенту работы с данными возможность получить доступ к записям целевой информации с доступных пользователю приборов.

Хранилище данных с приборов представляет собой файловую систему или распределенную файловую систему в более сложном случае. Каждому зарегистрированному клиенту узла с прибором, будет выделена индивидуальная директория, содержащая файлы с записями целевой информации с прибора, подключенного к этому узлу.

Клиент работы с данными подключается к серверу доступа к данным, показывает пользователю доступные ему на хранилище папки с записями целевой информации с прибора и позволяет скачать нужные ему файлы.

При помощи этих компонентов можно получать горизонтально масштабируемые системы. Как, например, система, представленная на рисунках 2, 3 и 4.

Рис. 2. Фрагмент системы, предназначенный для управления приборами

Рисунок 2 отображает схему фрагмента системы, предназначенного для управления приборами. Сплошной линией обозначены основные линии связи, пунктирной – резервные.

У каждого клиента узла с прибором предусмотрен главный сервер управления и дополнительные резервные сервера, предназначенные для аварийного переключения в случае сбоя главного. Сервер управления способен обслуживать одновременно несколько клиентов узлов с прибором, несмотря на то, что такая возможность не отражена на схеме.

Введён новый компонент – «точка входа в систему управления». Его назначение заключается в передаче данных между клиентом управления и серверами управления в обоих направлениях.

Рис. 3. Фрагмент системы, предназначенный для работы с данными

Рисунок 3 отображает схему фрагмента системы, предназначенного для работы с данными. Она построена таким же образом, как и схема фрагмента системы, предназначенного для управления приборами.

У каждого клиента узла с прибором есть главный сервер доступа к данным и дополнительные резервные сервера, предназначенные для аварийного переключения в случае сбоя главного. Сервер доступа к данным способен обслуживать одновременно несколько клиентов узлов с прибором, несмотря на то, что такая возможность не отражена на схеме.

Также введён новый компонент – «точка входа в систему доступа к данным». Его назначение заключается в передаче данных между клиентом работы с данными и серверами доступа к данным в обоих направлениях.

Рис. 4. Схема соединения серверов с СУБД и хранилищем данных с приборов

На рисунке 4 изображена схема соединения группы серверов управления с СУБД, а также множества серверов доступа к данным с хранилищем информации с приборов и с СУБД.

Вывод

Предложенная структура позволяет осуществлять оперативный мониторинг состояния атмосферы и магнитного поля Земли, обеспечивая необходимую информационную поддержку научным исследованиям и практическим приложениям. Благодаря применению принципов горизонтального масштабирования система способна адаптироваться к возрастающим объемам данных и требованиям пользователей.

В дальнейшем можно добавлять компоненты в систему, такие как, клиенты автоматического анализа или клиенты автоматического управления приборами, например, для выявления аномалий и своевременного реагирования на них.