面向服務的分布式空間信息支撐平臺

1、第31卷第5期地球科學中國地質大學學報Vol.31No.52006年9月Earth Science Journal of China University of G eosciencesSept .2006基金項目:國家“863”計劃:面向網(wǎng)絡海量空間信息的大型GIS (No.2003AA133010.作者簡介:吳信才(1953-,男,教授,博士生導師,主要從事地理信息系統(tǒng)研究與應用方向研究.E 2mail :wuxincai 面向服務的分布式空間信息支撐平臺吳信才,吳亮中國地質大學信息工程學院,教育部地理信息系統(tǒng)軟件及應用工程中心,湖北武漢430074摘要:基于Web 服務技術構建空間信息系

2、統(tǒng)有助于提高其可擴展性和互操作能力,該技術也是這一領域中的熱點.提出了一種面向服務的模型框架,并基于該框架提出了基于Web 服務的網(wǎng)格層次體系結構,并給出一種Web 服務與空間信息技術相融合的機制,介紹了基于Web 服務的空間信息網(wǎng)格支撐環(huán)境的總體結構和設計原理,為基于Web 服務的空間信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)提供了一種新的方法.關鍵詞:分布式地理信息系統(tǒng);服務計算;Web 服務.中圖分類號:TP311文章編號:1000-2383(200605-0585-05收稿日期:2006-05-30Service 2Oriented Distributed Spatial Information Suppor

3、ting SystemWU Xin 2cai ,WU LiangFacult y of I nf ormation Engi neeri ng ,China Universit y of Geosciences ,GIS S of t w are Research and A p plication Engineering Center of t he Minist ry of Education ,W uhan430074,ChinaAbstract :Web service 2based approach for spatial information system can improve

4、 the extensibility and interoperability.In this paper ,a service 2oriented distributed spatial model is discussed ;within the model framework ,a web service 2based archi 2tecture is presented.An approach of integrating web service and spatial information system is proposed.An architecture of a web s

5、ervice 2based grid supporting system is introduced ,which gives a new approach to web service based spatial information system architecture.K ey w ords :distributed GIS ;service 2oriented computing ;Web Service.0引言面向服務的計算(service 2oriented comp uting ,SOC 近年來成為軟件業(yè)界和學術界關注的一個熱點話題,概括而言,其核心是通過資源的虛擬化和高層次

6、的抽象,跨越系統(tǒng)底層的異構性,實現(xiàn)資源的交互與共享(Fo ster and Kesselman ,1997,1998;Pa 2pazoglou and Georgakopoulos ,2003;Erl ,2004.從廣義上講,地球空間信息學可以回答何時(when 、何地(where 、何種目標(what object 發(fā)生了何種變化(what change 等問題(李德仁等,2003,在地球空間信息學中對于如何融合新的分布式計算技術來構建空間模型,采用面向服務,建立空間信息采集、集成、服務為目標的體系結構是值得進一步研究和實踐的.這方面的需求主要表現(xiàn)在:(1如何建立具有一致性的空間信息共享與服

7、務體系,形成獨立于軟件、適用于空間信息互操作的表達模式;目的是提供一個可用于異構和分布式體系下的數(shù)據(jù)描述機制,使得應用服務機制管理數(shù)據(jù)成為可能.(2如何對異類、異構的網(wǎng)絡資源提供無縫的空間信息共享和集成支持;這些資源不僅包括計算、存儲、大型儀器等物理資源,也包括網(wǎng)絡帶寬、軟件服務等邏輯資源.因此,如何建立開放、可擴展的空間服務支撐平臺體系結構,以滿足對各類網(wǎng)絡資源的共享與集成需求,成為空間服務研究的一個核心問題.地球科學中國地質大學學報第31卷(3前2個需求的側重在理論研究上,在此基礎上,實踐中如何結合Web 服務技術的已有工作基礎,將應用建立在自主、可信的服務運行環(huán)境上,并在面向服務的體系結

8、構層集中解決空間信息資源的聯(lián)結、共享,使系統(tǒng)的軟件體系結構不光是一個抽象的規(guī)則,而且應用者可通過程序級的實施來操作對象,也是研究的一個重點.以上分析可以得出結論:研究和建立面向空間信息服務模型框架,實現(xiàn)多源、分布式空間數(shù)據(jù)庫的一體化描述和組織,研究空間數(shù)據(jù)管理與應用服務的體系結構和機制,能有效的構建大型分布式空間信息系統(tǒng)的底層支撐平臺,并為其業(yè)務應用提供支持.1空間信息服務模型 圖1分布式數(shù)據(jù)管理原理Fig.1Principle of distributed data management本模型中對于分布式數(shù)據(jù)管理體系是采取“縱向多級、橫向網(wǎng)格”的解決方案,如圖1所示,在級與級之間,節(jié)點與節(jié)點

9、之間的連接是采用一種“松耦合”方式;“松耦合”方式是互聯(lián)網(wǎng)的最佳耦合方式,它受網(wǎng)絡環(huán)境影響最小.分布式數(shù)據(jù)的存取操作采取面向“服務”方式進行,就是把“進行數(shù)據(jù)存取操作”變?yōu)椤罢埱髷?shù)據(jù)存取服務”,“數(shù)據(jù)存取服務”是所模型中分布式數(shù)據(jù)管理是跨平臺的,按照“面向服務”的思想,每個節(jié)點上的數(shù)據(jù)“管理者”必須提供“服務”,在“誰管數(shù)據(jù)誰提供服務”的基礎上,可解決網(wǎng)格節(jié)點之間、父節(jié)點與子節(jié)點之間、不同平臺不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)不通的問題,因為從用戶角度來說,它不考慮數(shù)據(jù)只要服務.應用端請求服務而不是直接操作數(shù)據(jù),服務端提供服務而不是提供數(shù)據(jù)內部結構.各個站點管理數(shù)據(jù)的軟件、提供應用服務功能的軟件都可以由不同的服

10、務驅動提供.具體而言,數(shù)據(jù)交換模塊多級服務器間同步更新的數(shù)據(jù)傳輸采用的是基于SOA P 協(xié)議的WebService 體系來實現(xiàn)的.將Web Service 技術引入網(wǎng)格研究領域,有助于解決網(wǎng)格研究所面臨的應用集成、資源共享、系統(tǒng)互操性等問題.目前,一些研究工作也從不同的角度嘗試借助Web 服務來部分地解決網(wǎng)格系統(tǒng)的互操作性(Mock et al .,2002;685第5期吳信才等:面向服務的分布式空間信息支撐平臺Sarmenta et al.,2002.在數(shù)據(jù)交換模塊中,分發(fā)代理和接收代理分別為一個Web Service的站點,2者間的數(shù)據(jù)傳輸采用H T TP協(xié)議,這樣可以保證在正常情況下數(shù)據(jù)

11、可以穿透防火墻或代理服務器而正常傳輸.分發(fā)代理與接收代理不僅可以使更新的數(shù)據(jù)在廣域網(wǎng)上有效的傳輸,還能使發(fā)布和接收地理數(shù)據(jù)庫不必直接暴露于廣域網(wǎng)環(huán)境下,增加了地理數(shù)據(jù)庫的安全性.基于分布式數(shù)據(jù)層提供數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)管理,其完成數(shù)據(jù)的定義、存儲、檢索、完整性約束以及有關的空間數(shù)據(jù)庫管理工作,其處理服務組件或Web Service應用邏輯層的數(shù)據(jù)請求,并將處理結果交送服務組件或Web Service應用邏輯層.Web應用服務層和Web數(shù)據(jù)服務層直接和數(shù)據(jù)管理層打交道;當客戶端訪問Web服務器時, Web服務器調用Web數(shù)據(jù)服務層或者Web應用服務層,并將最終處理的結果通過Web服務器傳遞給客戶端.在

12、空間數(shù)據(jù)庫引擎和地理數(shù)據(jù)庫管理的支持下,數(shù)據(jù)可以轉換為GML發(fā)布給用戶,同樣也可以將GML數(shù)據(jù)轉換為內部格式的數(shù)據(jù).通過GML和Web服務,可以構建異構的空間數(shù)據(jù)管理.通過其他GIS系統(tǒng)提供的符合O GC標準(O GC,2003、支持GML的Web服務,提供的Web服務也可以成為其他GIS平臺的數(shù)據(jù)源,實現(xiàn)真正的跨平臺信息共享.1.2元數(shù)據(jù)管理空間元數(shù)據(jù)是地理空間數(shù)據(jù)的描述信息,主要用于海量、分布式信息數(shù)據(jù)的檢索.空間元數(shù)據(jù)管理模塊主要由元數(shù)據(jù)采集器和元數(shù)據(jù)服務器組成,其設計基于XML技術構建,實現(xiàn)元數(shù)據(jù)的建庫及管理、網(wǎng)絡發(fā)布及分布式檢索,具有分布式、跨平臺、能兼容異構數(shù)據(jù)源等特點,主要表現(xiàn)在

13、以下幾個方面:(1元數(shù)據(jù)模式管理:元數(shù)據(jù)的標準由元數(shù)據(jù)模式來描述;系統(tǒng)提供元數(shù)據(jù)模式的注冊、注銷及根據(jù)模式校驗元數(shù)據(jù)有效性等功能;(2元數(shù)據(jù)建庫:元數(shù)據(jù)庫的基本數(shù)據(jù)組織單位是符合某一元數(shù)據(jù)模式的元數(shù)據(jù)集合;系統(tǒng)提供元數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、刪除、備份及導出等功能;(3元數(shù)據(jù)錄入編輯:通過元數(shù)據(jù)采集器可對元數(shù)據(jù)進行編輯,根據(jù)元數(shù)據(jù)模式動態(tài)調整錄入界面,確保數(shù)據(jù)與模式的一致性.服務元數(shù)據(jù)庫包含WFS(web feat ure service元數(shù)據(jù)、WMS(web map service元數(shù)據(jù)、WCS(web coverage service元數(shù)據(jù)、WCTS(web coordinate t ransform

14、ation service元數(shù)據(jù)等.它描述了數(shù)據(jù)和服務的各種信息(如分布位置、接口格式、數(shù)據(jù)范圍、規(guī)模等.用戶通過查詢服務的元數(shù)據(jù)來確定服務的位置和獲取服務的接口,如圖2所示.1.3 基于消息的分布式計算和負載均衡圖2服務元數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)管理的關系Fig.2Relation of metadata and spatial data通常的Web Service調用是一種靜態(tài)引用的調用過程,在跨越網(wǎng)絡防火墻時,由于大量的數(shù)據(jù)傳輸和分布式數(shù)據(jù)處理工作效率不是很理想,本模型應用了消息傳輸機制,可以根據(jù)客戶端的動態(tài)請求來動態(tài)決定調用Web Service,實現(xiàn)了跨網(wǎng)絡防火墻的快速服務,同時能進行高效的負

15、載均衡.消息處理和服務調用流程如圖3所示.Web站點服務器提供Web功能服務和數(shù)據(jù)服務,每個不同的服務可能分布在不同的服務器上執(zhí)行.為了安全,這些服務器都隱藏在防火墻后面.不同的用戶調用的數(shù)據(jù)不同,需要的功能也不同,但瀏覽器端的用戶并不需要知道他使用的數(shù)據(jù)服務和功能服務實際所在的位置信息,因為他并不直接調用這些服務器上的服務.用戶通過Web站點調用相應的服務,而Web站點動態(tài)地調用相應的服務器上的Web Service來完成用戶的服務請求.系統(tǒng)采用消息隊列的方式建立Web站點與每個Web Service服務器的通信.在每個Web Service 服務器上都有一個消息服務,負責從消息隊列中接受W

16、eb站點服務器的Web Service調用請求,并將Web Service處理的結果傳輸給Web站點端的消息服務.Web站點可以根據(jù)Web Service服務器狀態(tài)在多個服務器間進行任務分配和調度,實現(xiàn)負載均衡.1.4SIG與分布式空間信息系統(tǒng)集成空間信息柵格(spatial information grid,SIG是一種匯集和共享地理上分布的海量空間信息資源,對其進行一體化組織與協(xié)同處理,從而具有按需785地球科學中國地質大學學報第31卷 圖3基于消息的分布式計算和負載均衡Fig.3Distributed computing and load balance based on message

17、服務能力的空間信息基礎設施.SIG 應用先進的網(wǎng)格技術和綜合集成技術,通過高速網(wǎng)絡連接并集成地理上分布的、異構的各種高性能計算機系統(tǒng)、處理工具和軟件系統(tǒng)、大型數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、數(shù)字化儀器設備和控制系統(tǒng)等各種資源為一體,實現(xiàn)跨地域的、分布的高性能聯(lián)合、協(xié)同計算,為用戶提供一體化高性能計算服務、信息處理服務和決策支持服務,發(fā)揮網(wǎng)絡上資源的綜合效能.SIG 建立空間信息標準和規(guī)范體系,提供統(tǒng)一的空間參考手段,能夠集成和協(xié)同各種空間信息資源,針對多層次空間信息用戶提供一站式無障礙的按需服務(圖4.空間信息服務與集成是解決分布式空間信息處理功能共享、應用協(xié)同與綜合集成的重要技術手段,是實現(xiàn)匯集和共享分布的空

18、間信息資源、進行協(xié)同信息處理、提供按需服務的主要技術途徑.本模型已應用在采用“面向服務”的設計思想研發(fā)的第四代大型GIS 平臺MA P GIS7.0上,該平臺提供的海量空間信息管理、多層體系結構、完備的空間分析組件、全面的空間信息Web 服務等特征能很好的支撐SIG 的建立,并在SIG 節(jié)點中作為支撐平臺得到了很好的應用.在MAPGIS7.0的Web 服務支撐下,可以實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的地域分布,空間信息應用的行業(yè)應用分布.每個地方的每個行業(yè)應用服務都可以是網(wǎng)格上的一圖4SIG 體系結構Fig.4Architecture of SIG個節(jié)點.用戶通過網(wǎng)格提出他的空間信息應用要求,在網(wǎng)格調度和網(wǎng)格管理

19、系統(tǒng)的調度下,網(wǎng)格中的眾多共同節(jié)點完成運算任務,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的集成.2結論本模型已成功運用到大型GIS (MA P GIS7.0和SIG 的空間服務計算中:采用面向服務的地理實885第5期吳信才等:面向服務的分布式空間信息支撐平臺體模型,基于對象、關系和規(guī)則定義各種行為(操作,能更適應長事務、分布式空間數(shù)據(jù)庫的一體化描述和組織,能較好地解決面向空間實體及其關系的數(shù)據(jù)組織、高效海量空間數(shù)據(jù)的存儲與索引、大尺度多維動態(tài)空間信息數(shù)據(jù)的管理及實體建模和分析;采用面向服務,基于Web服務技術構建Internet 范圍內空間信息資源共享與協(xié)同操作的模式,有助于提高網(wǎng)格系統(tǒng)的可擴展性和互操作能力,是實現(xiàn)多層

20、體系結構,處理TB級空間數(shù)據(jù),支持網(wǎng)絡環(huán)境下空間數(shù)據(jù)的分布式計算、分布式空間信息分發(fā)與共享、空間信息服務的一條較為理想的技術路線.本文的研究工作仍需深化和延續(xù),網(wǎng)格系統(tǒng)作為一個大規(guī)模的分布式系統(tǒng),對資源的自管理、自組織、自適應、自修復等提出了新的需求,因此,如何構造一個自主、可信的服務計算環(huán)境是我們今后研究和應用的重點.R eferencesErl,T.,2004.Service2oriented architecture:A field guide to integrating XML and Web Service.Prentice Hall PTR,NJ,USA.Foster,I.,Ke

21、sselman,C.,1998.The globus project:A status report.In:Proc.of the IPPS/SPDP98heterogeneouscomputing workshop.IEEE Computer Society Press,Orlando.4-18.Foster,I.,Kesselman,C.,1997.G lobus:A metacomputinginf rastructure toolkit international.J ournal of S u per2 com puter A p plications,11(2:115-129.Li,D.R.,Y i,H.R.,Jiang,Z.J.,2003.Introduction and anal2 ysis of grid technology.Geomatics and I