面向服務(wù)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(zhì)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(luò)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(yīng)用方向研究.E 2mail :wuxincai 面向服務(wù)的分布式空間信息支撐平臺吳信才,吳亮中國地質(zhì)大學信息工程學院,教育部地理信息系統(tǒng)軟件及應(yīng)用工程中心,湖北武漢430074摘要:基于Web 服務(wù)技術(shù)構(gòu)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(shù)也是這一領(lǐng)域中的熱點.提出了一種面向服務(wù)的模型框架,并基于該框架提出了基于Web 服務(wù)的網(wǎng)格層次體系結(jié)構(gòu),并給出一種Web 服務(wù)與空間信息技術(shù)相融合的機制,介紹了基于Web 服務(wù)的空間信息網(wǎng)格支撐環(huán)境的總體結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理,為基于Web 服務(wù)的空間信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)提供了一種新的方法.關(guān)鍵詞:分布式地理信息系統(tǒng);服務(wù)計算;Web 服務(wù).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(wù)的計算(service 2oriented comp uting ,SOC 近年來成為軟件業(yè)界和學術(shù)界關(guān)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(gòu)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(shù)來構(gòu)建空間模型,采用面向服務(wù),建立空間信息采集、集成、服務(wù)為目標的體系結(jié)構(gòu)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(wù)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(gòu)和分布式體系下的數(shù)據(jù)描述機制,使得應(yīng)用服務(wù)機制管理數(shù)據(jù)成為可能.(2如何對異類、異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)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(luò)帶寬、軟件服務(wù)等邏輯資源.因此,如何建立開放、可擴展的空間服務(wù)支撐平臺體系結(jié)構(gòu),以滿足對各類網(wǎng)絡(luò)資源的共享與集成需求,成為空間服務(wù)研究的一個核心問題.地球科學中國地質(zhì)大學學報第31卷(3前2個需求的側(cè)重在理論研究上,在此基礎(chǔ)上,實踐中如何結(jié)合Web 服務(wù)技術(shù)的已有工作基礎(chǔ),將應(yīng)用建立在自主、可信的服務(wù)運行環(huán)境上,并在面向服務(wù)的體系結(jié)

8、構(gòu)層集中解決空間信息資源的聯(lián)結(jié)、共享,使系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)不光是一個抽象的規(guī)則,而且應(yīng)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(jié)論:研究和建立面向空間信息服務(wù)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(yīng)用服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)和機制,能有效的構(gòu)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(wù)應(yīng)用提供支持.1空間信息服務(wù)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(luò)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(wù)”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(wù)”,“數(shù)據(jù)存取服務(wù)”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(wù)”的思想,每個節(jié)點上的數(shù)據(jù)“管理者”必須提供“服務(wù)”,在“誰管數(shù)據(jù)誰提供服務(wù)”的基礎(chǔ)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(wù).應(yīng)用端請求服務(wù)而不是直接操作數(shù)據(jù),服務(wù)端提供服務(wù)而不是提供數(shù)據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu).各個站點管理數(shù)據(jù)的軟件、提供應(yīng)用服務(wù)功能的軟件都可以由不同的服

10、務(wù)驅(qū)動提供.具體而言,數(shù)據(jù)交換模塊多級服務(wù)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(shù)引入網(wǎng)格研究領(lǐng)域,有助于解決網(wǎng)格研究所面臨的應(yīng)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(wù)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(wù)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(wù)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(guān)的空間數(shù)據(jù)庫管理工作,其處理服務(wù)組件或Web Service應(yīng)用邏輯層的數(shù)據(jù)請求,并將處理結(jié)果交送服務(wù)組件或Web Service應(yīng)用邏輯層.Web應(yīng)用服務(wù)層和Web數(shù)據(jù)服務(wù)層直接和數(shù)據(jù)管理層打交道;當客戶端訪問Web服務(wù)器時, Web服務(wù)器調(diào)用Web數(shù)據(jù)服務(wù)層或者Web應(yīng)用服務(wù)層,并將最終處理的結(jié)果通過Web服務(wù)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(zhuǎn)換為GML發(fā)布給用戶,同樣也可以將GML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部格式的數(shù)據(jù).通過GML和Web服務(wù),可以構(gòu)建異構(gòu)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(wù),提供的Web服務(wù)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(wù)器組成,其設(shè)計基于XML技術(shù)構(gòu)建,實現(xiàn)元數(shù)據(jù)的建庫及管理、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布及分布式檢索,具有分布式、跨平臺、能兼容異構(gòu)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(diào)整錄入界面,確保數(shù)據(jù)與模式的一致性.服務(wù)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(wù)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(wù)的元數(shù)據(jù)來確定服務(wù)的位置和獲取服務(wù)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(wù)元數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)管理的關(guān)系Fig.2Relation of metadata and spatial data通常的Web Service調(diào)用是一種靜態(tài)引用的調(diào)用過程,在跨越網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(diào)用Web Service,實現(xiàn)了跨網(wǎng)絡(luò)防火墻的快速服務(wù),同時能進行高效的負

15、載均衡.消息處理和服務(wù)調(diào)用流程如圖3所示.Web站點服務(wù)器提供Web功能服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù),每個不同的服務(wù)可能分布在不同的服務(wù)器上執(zhí)行.為了安全,這些服務(wù)器都隱藏在防火墻后面.不同的用戶調(diào)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(wù)和功能服務(wù)實際所在的位置信息,因為他并不直接調(diào)用這些服務(wù)器上的服務(wù).用戶通過Web站點調(diào)用相應(yīng)的服務(wù),而Web站點動態(tài)地調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)器上的Web Service來完成用戶的服務(wù)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(wù)器的通信.在每個Web Service 服務(wù)器上都有一個消息服務(wù),負責從消息隊列中接受W

16、eb站點服務(wù)器的Web Service調(diào)用請求,并將Web Service處理的結(jié)果傳輸給Web站點端的消息服務(wù).Web站點可以根據(jù)Web Service服務(wù)器狀態(tài)在多個服務(wù)器間進行任務(wù)分配和調(diào)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(zhì)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(wù)能力的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施.SIG 應(yīng)用先進的網(wǎng)格技術(shù)和綜合集成技術(shù),通過高速網(wǎng)絡(luò)連接并集成地理上分布的、異構(gòu)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(shè)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(wù)、信息處理服務(wù)和決策支持服務(wù),發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)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(wù)(圖4.空間信息服務(wù)與集成是解決分布式空間信息處理功能共享、應(yīng)用協(xié)同與綜合集成的重要技術(shù)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(wù)的主要技術(shù)途徑.本模型已應(yīng)用在采用“面向服務(wù)”的設(shè)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(jié)構(gòu)、完備的空間分析組件、全面的空間信息Web 服務(wù)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(yīng)用.在MAPGIS7.0的Web 服務(wù)支撐下,可以實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的地域分布,空間信息應(yīng)用的行業(yè)應(yīng)用分布.每個地方的每個行業(yè)應(yīng)用服務(wù)都可以是網(wǎng)格上的一圖4SIG 體系結(jié)構(gòu)Fig.4Architecture of SIG個節(jié)點.用戶通過網(wǎng)格提出他的空間信息應(yīng)用要求,在網(wǎng)格調(diào)度和網(wǎng)格管理

19、系統(tǒng)的調(diào)度下,網(wǎng)格中的眾多共同節(jié)點完成運算任務(wù),從而實現(xiàn)系統(tǒng)的集成.2結(jié)論本模型已成功運用到大型GIS (MA P GIS7.0和SIG 的空間服務(wù)計算中:采用面向服務(wù)的地理實885第5期吳信才等:面向服務(wù)的分布式空間信息支撐平臺體模型,基于對象、關(guān)系和規(guī)則定義各種行為(操作,能更適應(yīng)長事務(wù)、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(guān)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(wù),基于Web服務(wù)技術(shù)構(gòu)建Internet 范圍內(nèi)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(jié)構(gòu),處理TB級空間數(shù)據(jù),支持網(wǎng)絡(luò)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(wù)的一條較為理想的技術(shù)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(yīng)、自修復(fù)等提出了新的需求,因此,如何構(gòu)造一個自主、可信的服務(wù)計算環(huán)境是我們今后研究和應(yīng)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