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兰州市w e b g i s 系统设计与实现 中文摘要 随着地理信息系统( g i s ) 和i n t e r n e t 的迅猛发展，两者结合产生的w e b g i s 已经成为g i s 发展的必然趋势。 w e b g i s 是一项负载非常重的i n t e r n e t 服务，单一的设备根本无法承担。在 l i n u x 集群上采用l v s ( l i n u xv i r t u a ls e r v e r ) 和动态负载均衡算法来实现 w e b g i s 服务。不仅可以使得w e b g i s 服务响应速度加快，而且可以使得服务的可 靠性加强。 本文基于兰州市勘察测绘研究院的项目。在l i n u x 集群平台上，以w e b g i s 集群为研究对象，对采用了l v s 和动态负载均衡算法的w e b g i s 集群进行了深入 细致分析与讨论。提出了在l i n u x 集群上，采用l v s 、动态负载均衡算法和 m a p s e r v e r 组合设计兰州市w e b g i s 系统的体系结构。经过实际设计与实践，证 明采用l v s 、动态负载均衡算法和m a p s e r v e r 可以很好实现w e b g i s 服务。 关键字：g i s ；w e n ；i s ；l v s ；动态负载均衡算法：l a p s e r v e r d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fl a n z h o uw e b g i ss y s t e m a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dg r o w t ho fg i sa n di n t e r n e t ，w e b g i sb e c o m e st h e i n e v i t a b l et r e n do fg i sd e v e l o p m e n t t h ew e b g i ss e r v i c ei ss oh e a v yt h a tt h es i n g l ed e v i c ec a nn o tu n d e r t a k e t h eb u r d e n u s i n gt h el v s ( l i n u xv i r t u a ls e r v e r ) a n dd y n a m i cl o a db a l a n c i n g a l g o r i t h m ，n o to n l yt h ew e b g i ss e r v i c ec a nb er e s p o n d e dq u i c k l y ，b u ta l s o t h et e l l a b i l i t yc a nb ee n h a n c e d t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c tw h i c hw ep r a c t i c e di nl a n z h o u g e o t e c h n i c a la n ds u r v e yd e s i g ni n s t i t u t e w et a k et h ew e b g i sc l u s t e ra s as t u d y a n dm a k ead e e pr e s e a r c ho nl v sa n dd y n a m i cl o a db a l a n c i n g a l g o r i th l i lo nw e b g i sc l u s t e r t h e nw ed e s i g nt h ea r c h i t e c t u r eo fl a n z h o u w e b g i ss y s t e mo nl i n u xc l u s t e r b yt h er e a l i z a t i o n w ep r o v et h a tt h e w e b g i ss e r v i c ec a nb ea c h i e v e du s i n gl v s ，d y n a m i cl o a db a l a n c i n ga l g o r i t h m a n dm a p s e r v e r k e y w o r d s ：g i s ；w e b g i s ；l v s ；d y n a m i cl o a db a l a n c i n ga l g o r i t h m ；m a p s e r v e r l i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垫笸二查 日期：丛2 ：1 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：丝厶：查导师签名：量这墨 e t期：型 兰州大学硕士学位论文兰州市w e b g i s 系统设计与实现 第一章绪论 1 1 项目背景 近年来，由于社会对地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，o i s ) 的巨大需求，g i s 应用日益广泛，而计算机科学的飞速发展又为g i s 提供了先进 的工具和手段，使g i s 得到了快速发展。进人2 1 世纪后，互联网技术的迅速普 及更使g i s 的发展发生了质的变化，i n t e r n e t 已成为g i s 新的操作平台。 i n t e r n e t 和g i s 的结合即w e b g i s ，它改变了地理信息的获取、传输、发布、共 享和应用的方式。利用i n t e r n e t 在w e b 上发布和出版地理信息，为用户提供空 间数据浏览、查询、制作专题地图和分析的功能，从而实现地理信息的操作和共 享，已经成为g i s 发展的必然趋势“1 。 网络地理信息系统在空间数据的浏览、查询、分析的等处理过程中数据吞 吐量巨大，同时还需要进行空间位置和空间关系的c p u 密集性计算。w e b 服务对 动态网页处理的负载量是处理静态网页的若干个数量级，丽网络地理信息系统的 复杂性要远远超过普通w e b 服务系统。因此，将集群技术应用于w e b g i s 已经成 为一个重要的研究方向。 为实现兰州市地理信息的快速发布和共享，我们在l i n u x 集群上基于l i n u x v i r t u a ls e r v e r 0 1 搭建起了兰州市w e b g i s 服务平台。 1 2 本文主要任务 本文分别介绍了g i s 系统、w e b g i s 系统，并且介绍了它们的现状和发展趋 势，进而介绍了兰州市w e b g i s 项目平台基于l v s 的集群系统。 随着w e b g i s 的广泛应用，讹b g i s 用户数量增加，大量的空间数据和属性数 据在网络中传输，空间数据量大及其造成的网络传输慢成了w e b g i s 系统的最大 瓶颈，这使得在w e b g i s 应用中出现了客户端响应速度慢、访问不了w e b g i s 站点 等一些影响w e b g i s 性能的问题嘲。鉴于上述问题，本文研究了在l i n u x 集群上 采用l v s 和动态负载均衡调度算法，来实现地理信息的快速浏览、查询等。并在 兰州市w e b o l s 系统中加以应用。 兰州大学硕士学位论文兰州市w c b g i s 系统设计与实现 2 16 i s 2 1 16 i s 简介 第二章w e b 6 i s 系统 地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是2 0 世纪6 0 年 代中期兴起的- - i 交叉边缘学科。它利用计算机建立地理数据库，将空间地理分 布状况及所具有的属性进行数字存储，建立数据管理系统，同时开发各种分析和 处理功能，以便快速获取信息，并将处理结果以地图、图形及数据的形式表示出 来，其核心是管理、计算、分析地理坐标位置信息及相关位置上属性信息的数据 库系统“1 。从技术和应用的角度，6 i s 是解决空间问题的工具、方法和技术：从 学科的角度，6 i s 是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展 起来的- - t 学科，具有独立的学科体系；从功能上，6 i s 具有空间数据的获取， 存储、现示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能；从系统学的角度，6 i s 具 有一定结构和功能，是一个完整的系统。 2 1 2g i s 系统的组成 从应用的角度来讲，地理信息系统由硬件、软件、数据、方法和人员五部 分组成。硬件和软件为地理信息系统建设提供环境；数据是g i s 的重要内容； 方法为g i s 建设提供解决方案；人员是系统建设中的关键和能动性因素，直接影 响和协调其它几个组成部分。 硬件主要包括计算机和网络设备；软件主要包括操作系统软件、数据库管 理软件、系统开发软件和g i s 软件等；数据是6 i s 的重要内容，也是g i s 系统的 灵魂，数据的组织和处理是g i s 应用系统建设中的关键环节：方法是指系统需要 采用何种技术路线，采用何种解决方案来实现系统目标；人员是g i s 系统的能动 部分，人员技术水平和组织管理能力是决定系统建设成败的重要因素，人员按分 工不同有项目经理、项目开发人员、项目数据人员、系统文档撰写人员、系统测 试人员等。 2 兰州大学硕士学位论文 兰州市w e b g i s 系统设计与实现 2 1 3g i s 研究的内掣司 图2 - 1g i s 系统组成 由地理信息系统的定义可知g i s 已形成了一个独立的具有鲜明特色的研究 领域，它的研究内容很广泛。下面我们从输入、存储、操作和分析、输出4 个方 面来讨论g i s 的研究。 1 输入。 地理数据如何有效地输入到g i s 中是一项琐碎、费时、代价昂贵的任务。 大多数的地理数据是从纸质地图输入g i s 。常用的方法是数字化和扫描。数字化 的主要问题是低效率和高代价；扫描输入则面临另一个问题，扫描得到的栅格 数据如何变换成g i s 数据库通常要求的点、线、面、拓扑关系、属性等矢量数 据形式。目前g i s 的输入正在越来越多地借助非地图形式，遥感就是其中的一 种形式。遥感数据已经成为g i s 的重要数据来源。与地图数据不同的是，遥感 数据输入到g i s 较为容易，但如何通过对遥感图像的解释来采集和编译地理信 息则是一件较为困难的事情；因此g i s 中开始大量融入图象处理技术，许多成 熟的g i s 产品，如m a p g i s 中都已经具有了功能齐全的图象处理子系统。地理 数据采集的另一项主要进展是g p s 技术。g p s 可以准确、快速地定位在地球表面 的任何地点。因而，除了作为原始地理信息的来源外，g p s 在飞行器跟踪、紧急 事件处理、环境和资源监测、管理等方面有着很大的潜力。 兰州大学颈士学位论文兰州市w e b o l s 系统设计与实现 2 存储。 g i s 中的数据分为栅格数据和矢量数据两大类，如何在计算机中有效存储和 管理这两类数据是g i s 的基本问题。在计算机高速发展的今天，尽管微机的硬 盘容量已达到g b 级，但计算机的存储器对灵活高效地处理地图这类对象仍是不 够的g i s 的数据存储有其独特之处。大多数的g i s 系统中采用了分层技术， 即根据地图的某些特征，把它分成若干层，整张地图是所有层叠加的结果。在 与用户的交互过程中只处理涉及到的层，而不是整幅地图，因而能够对用户的 要求做出快速反应。 3 地理数据的操作和分析。 g i s 中对数据的操作提供了对地理数据有效管理的手段。对图形数据( 点、 线、面) 和属性数据的增加、删除、修改等基本操作大多可借鉴c a d 和通用数 据库中的成熟技术；有所不同的是g i s 中图形数据与属性数据紧密结合在一起， 形成对地物的描述。对其中一类数据的操作势必影响到与之相关的另一类数据。 因而操作带来的数据一致性和操作效率问题是g i s 数据操作的主要问题。地理 数据的分析功能，即空间分析，是g i s 得以广泛应用的重要原因之一。通过g i s 提供的空间分析功能，用户可以从已知的地理数据中得出隐含的重要结论，这 对于许多应用领域是至关重要的。g i s 的空间分析分为两大类：矢量数据空间分 析和栅格数据空间分析。矢量数据空间分析通常包括：空间数据查询和属性分 析、多边形的重新分类、边界消除与合并，点与线、点与多边形、线与多边形、 多边形与多边形的叠加，缓冲区分析，网络分析，面运算，目标集统计分析。 栅格数据空间分析功能通常包括：记录分析、叠加分析、滤波分析，扩展领域 操作、区域操作、统计分析。 4 输出。 将用户查询的结果或是数据分析的结果以合适的形式输出是g i s 问题求解 过程的最后一道工序。输出形式通常有两种：在计算机屏幕上显示或通过绘图 仪输出。对于一些对输出精度要求较高的应用领域，高质量的输出功能对g i s 是必不可少的。这方面的技术主要包括：数据校正、编辑、图形整饰、误差消 除、坐标变换、出版印刷等。 4 兰州大学硕士学位论文 兰州市w c b g l s 系统设计与实现 2 1 4o l s 的发展趋势 g i s 自6 0 年代诞生以来，经过三十多年的发展，在9 0 年代初基本完成了数 据结构、算法和应用模型的理论研究和技术开发。同时在国际上也出现了一批商 业化的g i s 产品和专业公司，其中具有代表性的有a r c i n f o 、m a p l n f o 、o e n a 舰p 等，这期间g i s 研究的典型特点是面向数据结构、算法和功能。 进入9 0 年代，计算机领域中面向对象、面向对象的数据库、对象关系数据 库和网络技术的发展，给g i s 研究提出了新的问题和任务。9 0 年代中期，g i s 领域的研究热点逐渐转向对系统体系结构的研究，重点跟踪计算机软件的发展潮 流。值得一提的是，随着i n t e r n e t 的蓬勃发展，人们对g i s 的要求也发生了很 大变化，以往多用于单一部门内部的g i s 系统已经无法满足信息化时代信息分布 和资源共享的要求，越来越多的人希望在i n t e r n e t 上也能访问到g i s 数据。网 络g i s 的概念应运而生，g i s 与网络技术融合形成的基于i n t e r n e t 的w e b g i s 成 为了研究领域的重点。 w e b g i s 在短短的几年时间内得到了迅速发展，世界各大g i s 厂商纷纷推出 自己的w e b o i s 方案，其中较为成熟的有m a p l n f o 公司的m a p l n f op r e s e r v e r ， e s r i 公司的i n t e r n e tm a ps e r v e r ( i m s ) 、自由软件推出的m a p s e r v e r 等。 2 2w e b g i s 2 2 1w e b g i s 概述 网络地理信息系统( w e b g i s ) 是在网络环境下的一种存储、处理和分析地理 信息的计算机系统，是i n t e r n e t 技术应用于g i s 开发的产物，通过i n t e r n e t 和w 孵，g i s 的功能得以扩展和完善。与传统的g i s 相比，w e b g i s 具有以下特点： ( 1 ) 开放性、互操作性和分布性。在异构环境下，使用户能够屏蔽软硬件 平台的差异，实现不同用户间的访问、不同应用与数据源之间的直接通信和 对分布的源数据、应用程序进行协同处理。 ( 2 ) 广泛的客户访问范围。w e b g i s 可以使全球范围内任意一个w 唧节点的 用户同时访问w e b g i s 。 兰州大学硕士学位论文 兰州市w e b g l s 系统设计与实现 ( 3 )良好的可扩展性和平台独立性。w e b g i s 很容易与w e b 中的其他信息服 务进行无缝集成，使用户可以透明地访问w e b g i s 数据。 正是w e b g i s 的这些优势和特征，使得它很好地克服了传统g i s 的缺陷，成 为6 i s 未来的发展方向。 2 2 2w e b g i s 的主要构造模型 常见的w e b g i s 的结构体系是由数据库、应用服务器和客户端组成的3 层结 构体系。根据浏览器和服务器端承担功能的多少，该体系可分为以下3 种模型； 啪 ( 1 ) 瘦客户端胖服务器模型：数据和应用程序都在服务器上，这种模型简 化了客户端，但加重了服务器的负载和网络传输的负担。 ( 2 ) 胖客户端瘦服务器模型：利用前端插件技术，把一部分应用和数据下 载到客户端进行处理。这种模型的优点是增加了客户端处理数据的能力，缺 点是客户端软件功能有限、速度慢。 ( 3 ) 混合模型：是目前使用最多的模型，它采用进程分布处理策略，使客 户机和服务器协同完成g i s 任务，从而最大限度地利用了系统资源。 2 2 3 国内外研究、开发现状 近年来，w e b g i s 应用作为一项产业得到了极大发展，大量的w e b g i s 产品不 断涌现。从国内外主流的w e b g i s 软件技术和产品来看，目前各方对于w e b g i s 软件研发所采用的技术路线、开发手段和产品原则上大体相同。在技术思路上基 本集中于对空间数据模型、空问数据结构、空间数据传输协议、分布式体系结构、 网络环境下空间信息的组织和管理等方面。在技术手段上都基于i n t e r n e t ，采 用w e b 技术和多级b s 体系结构，利用分布式对象技术如c o r b a ，d c 0 m a c t i v e x 或j a v a ，或者综合使用几种分布式对象技术。 w e b g i s 是当今g i s 的制高点，已成为各大厂商激烈竞争的焦点。各大g i s 厂商都争相发布了各自的w e b g i s 产品， e s r i 的i n t e r n e tm a ps e r v e r ( i m s ) ， 如m a p i n f o 公司的m a p i n f op r o s e r v e r ， i n t e r g r a p h 的g e o m e d i aw e b m a p ， 6 兰州大学硕士学位论文 兰州市w c b g i s 系统设计与实现 a u t o d e s k 的m a p g u i d e 等，国内的m a p g i s 、g e o b e a n s 、s u p e r m a pi s g e o s u r f 等 较有代表性。这些产品不仅数量多、功能强，而且更新和升级的周期越来越快， 尤其是几大主流产品，几乎一年左右就有一个新版本推出。 2 2 4w e b g i s 发展中面临的问题 地理信息技术经过几十年的发展，已经逐步进入了i t 主流，w e b g i s 的发展 更进一步拓展了其应用领域，使其能够在更广泛的领域为更多的用户提供空间信 息服务但是从w e b g i s 的应用现状可以看出，这项技术远未成熟，仍面临着一 系列的技术瓶颈和挑战。 1 地理空间信息的共享和互操作问题 目前的w e b g i s 系统空间数据的格式、表达和体系结构都存在着较大的差异， 数据处理、共享等完全封闭，形成了数据处理的“黑箱模型”。这种封闭性的空 间数据模型带来的后果就是各个系统各自独立，形成了一个个的“空间信息孤 岛”，以致无法实现地理空间数据的共享和互操作。 2 缺乏丰富的空间信息表现手法 传统的w e b g i s 以h t m l 作为主要的空间信息表达语言，这类语言因不能准 确地描述数据的内部结构而难以表达多源、多语义、多尺度和结构复杂的空间数 据，无法实现在互联网上空问信息的查询、整合和定位。随着p d a 、手机、w a p 等终端w e b g i s 终端多样化的出现，w e b g i s 必须解决同一数据的多样显示问题。 3 无法实现跨平台数据访问 虽然目前微软的d c 伽，o m g 的c o r b a 和s u n 的r m i 等中间件技术提供了强 大的分布式计算的实现手段，但是它们有一个共同的缺陷，就是在实际应用中属 于封闭式的网络。这使它们无法扩展到迅速发展的互联网上。这样的系统往往十 分脆弱，如果一端的执行机制发生变化，那么另一端便会崩溃，使得w e b g i s 无 法实现跨平台的数据访问。 4 传输速率瓶颈和可视化 目前互联网的带宽还处于较低的水平，海量空间数据的传输和图像图形的 兰州大学硕士学位论文兰州市w e b g i s 系统设计与实现 表达成了w e b g i s 体系模型的技术瓶颈。在现有的网络和硬件条件下，如何建立 快速的响应和传输机制，如何向用户提供多样化的、直观易懂的图形用户界面， 动态地、客户化地表现地理空间数据是目前w e b g i s 的一大难题。 5 分布式工作 分布式工作包括空间信息的分布式获取、存储和处理、分布式查询、分析 和输出。在目前的技术条件下，分布式存储和获取空间信息已经没有多少问题， 但协同不同地区的计算机来处理、分析分布式数据还不能够很好地实现。 2 2 5w e b g i s 的发展趋势及其前沿应用 随着空间理论和网络技术的飞速发展，w e b g i s 从技术上将向着更具有互操 作性和更加开放化、网络化、分布化、移动化、可视化的方向发展，从应用上将 向着更高层次的数字地球、地球信息科学及大众化的方向扩展。 i 互操作和开放式w e b g i s 的应用 目前w e b g i s 在空间数据处理方面面临着网上数据发布和互操作、网上数据 挖掘和数据管理等挑战。如何能使不同格式、不同代码、不同标准体系的数据和 不同比例尺、不同精度、不同时序的地理空间信息进行互操作、共享，已成为 w e b g i s 进一步发展中急待解决的问题。互操作g i s ( i n t e r o p e r a b l eg i s ) 、开 放式o l s ( o p e ng i s ) 的出现和地理标记语言( g e o g r a p h ym a r k u pl a n g u a g e ，g m l ) 的应用为解决这些难题提供了很好的方法。 互操作g i s 是一个新的g i s 集成平台，它能实现在异构环境下多个g i s 或 应用系统之间的相互通信和协作，可以完成某一特定任务，而且这一过程对于实 现语言、执行环境和建立模型是透明的。o p e ng i s 是指在计算机网络环境下， 根据开放地理信息协会( o p e no l sc o n s o r t i u m ，o g c ) 所提出的开放地理互操 作规范和软件框架构建的g i s 。它将g i s 技术、分布处理技术、面向对象方法、 数据库设计及实时信息获取方法有效结合起来，使g i s 始终处于一种有组织，开 放式的状态，从而使它们具有良好的互操作性，它是未来w e b g i s 一个重要的发 展方向。g m l 是0 g c 制定的基于) 咖l ，用于地理信息表达、传输和存储数据的编 码标准，它能将地理信息的内容与表现形式分离，很清晰地表达出空间数据的结 兰州大学硕士学位论文兰州市w c b g i s 系统设计与实现 构和内容，因而非常适合于解决w e b g i s 的互操作问题，目前已被大多数的g i s 厂商所接受。预计随着g m l 的普及和地理信息编码的统一，数据的互操作和共享 将成为可能。以上3 种技术和规范将引导w e b g i s 向更加开放的方向发展。 2 第二代互联网( n e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t ，n g i ) 目前w e b g i s 还不能很好地解决地理空间数据复杂应用的一个主要原因是受 限于第一代互联网的带宽瓶颈。第二代互联网( n g i ) 是指高性能的计算机及其 通信协议，它主要要解决的问题是提高网上信息的传输速率，预计高达6 5 0 岫， 是目前互联网主干网传输速率的十几倍。美国目前已有2 0 5 所大学连同政府、企 业参加到n g i 的开发中。其他国家也非常重视n g i 的研究，中国正在推广作为 n g i 关键技术的i p v 6 w e b g i s 是g i s 技术与i n t e r n e t 的高度结合，相信随着n g i 技术的发展， w e b g i s 的数据传输瓶颈将被打破，w e b g i s 的发展和应用将得到更大的提高。 3 基于分布式计算的w e b g i s 目前出现的分布式计算可使地理信息的计算应用于社会的各个领域，成为 信息基础设施的重要内容。随着网络时代的到来，分布式计算正成为新的计算模 式。地理信息从本质上讲是分布的，而用户又需要对分布的地理信息系统完成浏 览、查询、分析等操作，因此，w e b g i s 与分布式计算的结合就成为必然。分布 式的w e b g i s 使得利用i n t e r n e t 作为分布式计算平台来构建一个物理上分布、逻 辑上统一的地理空间信息系统成为现实。这种系统可以管理和处理分布在网络上 的空间数据，集成各种空间服务，从而能更方便、快捷地提供网上地理信息服务。 目前分布式的w e b g i s 应用已从简单的在分布式w e b 浏览器上显示地图，发展到 了基于互联网的功能综合，远程的用户可以享受普通的g i s 数据，并与其他用户 实现实时通讯。 分布式w e b g i s 的出现虽然使g i s 的功能和应用范围得到了很大的提升，但 其无论是理论研究还是应用都还处于发展阶段。当前国际、国内都十分注重分布 式w e b g i s 的发展，有关专家认为g i s 发展趋势的核心是地理信息开放的分布式 计算，它将成为g i s 发展的新一轮热点。 9 兰丹| 大学硕士学位论文兰州市w e b g i s 系统设计与实现 4 w e b g i s 的大众化应用一无线g i s 随着手机、掌上电脑、p d a 等移动通信设备的普及，无线应用协议w a p 和无 线定位技术w l t 作为无线互联网领域的研究热点，已经显示出巨大的应用前景和 市场价值。无线通信技术、移动定位技术和w e b g i s 的结合形成了移动g i s ( m o b i l e g i s ) 和无线定位服务( w i r e l e s sl o c a t i o ns e r v i c e ) 它一方面可以使g i s 用户 随时方便、双向互动地获取网络提供的各种地理信息服务，另一方面可以使地理 信息随时随地地为任何人、任何事进行服务( g e o - i n f o r m a t i o nf o ra n y o n ea n d a n y t h i n ga ta n y w h e r ea n da n y t i m e ，4 a 服务) ，如个人位置信息服务、车辆导 航定位与跟踪、个人安全与紧急救助等。这些服务与人们的只常生活息息相关， 随着它们的日渐普及，w e b g i s 的功能和应用将得到大大的拓展和延伸，g i s 也将 真正走向大众化和社会化。目前，无线g i s 所涉及的关键技术是移动存贮设备、 实时性、w a p 6 i s ，g p s 和g s m 的集成研究等。 据估计，无线定位产品和服务的市场在未来几年内将比传统g i s 市场价值 大1 0 倍，达到1 0 0 亿美元。还有专家认为到2 0 1 0 年，无线网络将成为全球数据 传送的主要途径。因此，无线g i s 具有非常厂阔的前景。 5 基于网格计算的新一代w e b g i s 网格可以称之为第三代互联网应用，它是把整个互联网整合成一台倾大的 超级计算机，实现各种资源的全面共享。网格计算是一种利用互联网或专用网络 把地理上分布的各种计算机、计算机集群、存储系统和可视化系统等集成在一起。 基于网格计算的g i s 平台，能够分布式、协作化和智能化地处理地理信息，特别 适合用于解决涉及大量空间分析的问题，其最终目标是实现空1 日j 信息的网格化 网格计算已成为近年来i t 界研究的热点。随着应用的深人，网格计算必将会应 用到g i s 中，并和计算资源、空间地理数据和通信等集成，构成一个较完整的空 间信息服务系统。哪 2 3m a p s e r v e r 2 3 1m a p s e r v e r 简介 兰州大学硕士学位论文兰州市w c b g j s 系统设计与实现 m a p s e r v e r 源自n a s a 资助的明尼苏达大学的f o r n e t 项目，是一个功能强大 的跨平台的网络地图服务软件包。m a p s e r v e r 使用几个知名的丌源软件完成数据 格式转换、地图投影转换、空间数据库的大数据量等，而本身专注于地图绘制、 地图图形格式、接口环境、兼容0 g c 互操作规范等方面。跚 m a p s e r v e r 通常运行在w e bs e r v e r 后面。w e bs e r v e r 接收来自用户的请求 并把请求传送到m a p s e r v e r 。m a p s e r v e r 生产请求的地图，再把地图传回w e b s e r v e r ，w e bs e r v e r 又把它返回到进行请求的用户。这个过程如图2 - 2 所示： 图2 - 2m a p s e r v e r 工作过程 m a p s e r v e r 的主要功能就是从多个数据源读取数据，每一个数据源对应一 层，然后把各个层叠加到起，组成所谓的地图图像。 m a p s e r v e r 是根据用户的请求和对地图的定义来输出地图的。主要的组件包 括：m a p s e r v e rc g i 或可执行程序、地图文件( m a pf i l e ) 、数据源和输出图像。 兰州大学硕士学位论文兰州市w e i ；i s 系统设计与实现 1 m a p s e r v e r m a p s e r v e r 最简单的一种形式就是作为w e bs e r v e r 的c g i 运行。从技术层 面上讲，m a p s e r v e r 可以看成是一个基于h t t p 的无状态( s t a t e l e s s ) 的进程。 无状态意味着来请求时就处理，处理完成后就停止运行。 2 地图文件( m a pf i l e ) m a p s e r v e r 就像一台机器，它需要燃料和燃料传输系统。作为m a p s e r v e r 它需要知道去绘制哪一个图层、怎样去绘制、原始数据在哪里存放。原始数据就 好比燃料，而地图文件( m a pf i l e ，扩展名为m a p ) 就好比是燃料传输系统了 地图文件作为一个可进行配置的文本文件，通过它可以配置绘制哪个图层、输出 图像的格式、输出图例、输出比例尺等等。 下面是一个简单的m a pf i l e 姒p s i z e6 0 03 0 0 e x t e n t - 1 8 0 - 9 01 8 0 9 0 l a y e r n 埘ec o u f l t r i e s t y p ep o l y g o n s t a t u sd e f a u l t d t c o u n t r i e s s h p c l a s s o u t l i n e c o l o r1 0 01 0 01 0 0 e n d e n d e n d 3 数据源 m a p s e r v e r 可以利用矢量和栅格数据来生成图像。将近有2 0 多种矢量数据 可以被m a p s e r v e r 利用，这包括s h a p e f il e s ，p o s t g i s ，o p e n d a p ，a r c i n f o c o v e r a g e s 还有t i g e r 文件等等。m a p s e r v e r 天生支持g e o t i f f 和e p p l z 7 这两 种栅格数据，不过，它可以通过g d a l 库来访问g i f ，j p e g ，b i t m a p s 等2 0 多种 栅格数据。 4 输出图像 兰州大学硕士学位论文兰州市w c b g l s 系统设计与实现 如果说唧f i l e 是m a p s e r v e r 应用的核心的话，那么输出图像就是最终用 户想得到的。比较其它的网络地图服务软件包，m a p s e r v e r 地图服务输出的图形 格式非常丰富，包括：栅格图形格式( 如：常见的g i f 、j p e 6 、p n g 、g e o t i f f ) 、 a d o b ep d f 、矢量图形s v g 、f l a s hs w f 、g 札等。其中，p d f 、s v g 、f l a s h 等多 媒体数据格式对e c m as c r i p t 脚本语言的兼容支持，为增强网络地图的动态交互 性提供了实现途径。嘲 2 3 2m a p s e r v e r 地图服务接口 m a p s e r v e r 地图服务接口可分为三类： i m a p s c r i p t 模式的地图服务：m a p s e r v e r 的m a p s c r i p t 可以支持多种高级 脚本程序语言( p h p 、p y t h o n 、p e r l 等) 生成交互式的w e b 地图服务。 2 c g i 模式的地图服务：使用“m pg e t ”或者“h t t pp o s t ”两种方式接 收参数，动态创建地图或者执行查询操作。 3 o g c 互操作规范服务：支持w e b 地图服务w m s 、w e b 地图要素服务w f s 、 w e b 制图环境眦、w e b 图层服务w c s 。 兰州大学硕士学位论文兰州市w c b g l s 系统设计与实现 3 1 集群 第三章w e b g i s 集群系统 3 1 1 集群简介 简单的说，集群( c l u s t e r ) 就是一组计算机，它们作为一个整体向用户提 供一组网络资源。这些单个的计算机系统就是集群的节点( n o d e ) 。一个理想的 集群是，用户从来不会意识到集群系统底层的节点，在他她们看来，集群是一 个系统，而非多个计算机系统。并且集群系统的管理员可以随意增加和删改集群 系统的节点。 集群并不是一个全新的概念，其实早在七十年代计算机厂商和研究机构就开 始了对集群系统的研究和开发由于主要用于科学工程计算，所以这些系统并不 为大家所熟知。直到l i n u x 集群的出现，集群的概念才得以广为传播。 3 1 2 集群系统的分类 虽然，根据集群系统的不同特征可以有多种分类方法，但是一般我们把集群系 统分为两类： 高可用( h i g ha v a i l a b i l i t y ) 集群，简称h a 集群。这类集群致力于提供高 度可靠的服务。 高性能计算( h i g hp e r f e r m a n c ec o m p u t i n g ) 集群，简称h p c 集群。这类集 群致力于提供单个计算机所不能提供的强大的计算能力。 1 高可用集群 高可用集群就是采用集群技术来实现计算机系统的高可用性。高可用集群通 常有两种工作方式： 容错系统：通常是主从服务器方式。从服务器检测主服务器的状态，当主 服务工作正常时，从服务器并不提供服务。但是一旦主服务器失效，从服 务器就开始代替主服务器向客户提供服务。对于用户而言，集群永远不会 停机。这类集群中比较著名的有t u r b o l i n u xt u r b oh a ，h e a r t b e a t 等。 1 4 兰州大学硕士学位论文 兰卅l 市w e b g i s 系统设计与实现 负载均衡系统：集群中所有的节点都处于活动状态，它们分摊系统的工作 负载。一般w e b 服务器集群、数据库集群和应用服务器集群都属于这种类 型t u r b o l i n u xc l u s t e rs e r v e r 、l i n u xv i r t u a ls e r v e r 都属于负载 均衡集群 2 高性能计算集群 简单的说，高性能计算( h i g h - p e r f o r m a n c ec o m p u t i n g ) 是计算机科学的一个 分支，它致力于开发超级计算机，研究并行算法和开发相关软件。高性能计算主 要研究如下两类问题： 大规模科学问题，象天气预报、地形分析和生物制药等； 存储和处理海量数据，象数据挖掘、图象处理和基因测序： 顾名思义，高性能集群就是采用集群技术来研究高性能计算。 科学集群通常涉及为集群开发并行编程应用程序，以解决复杂的科学问题， 这是并行计算的基础。尽管它不使用专门的并行超级计算机，这种超级计算机内 部由十至上千个独立处理器组成。但它却使用商业系统，通过高速连接来链按的 一组单处理器或双处理器pc ，并且在公共消息传递层上进行通信以运行并行应 用程序。其处理能力与超级计算机相当。 3 2w e b g i s 集群 3 2 1l v s 简介 l v s ( l i n u xv i r t u a ls e r v e r ，l i n u x 虚拟服务器) 使用负载均衡技术将多 台服务器组成一个虚拟服务器，结合l i n u x 的h a ( h i g ha v a i l a b i l i t y ，高可用 技术) ，它能为适应快速增长的网络访问需求提供一个负载能力强、易于扩展、 高可用，而且价格低廉的解决方案。 l v s 的系统结构如图3 - 1 所示，它由前端的负载均衡器( l o a db a l a n c e r ， l b ) 和后端的真实服务器( r e a ls e r v e r ，r s ) 群组成，r s 间可通过局域网或广 兰州大学硕士学位论文 兰州市w e b g i s 系统设计与实现 域网连接。用户请求先发给l b ，l b 按照一定策略转发给r s ，r s 计算分析出结果 再发给l b 或直接回应用户。n 帕 图3 1l v s 系统结构 3 2 2l v s 中实现虚拟服务的相关方法 在网络服务中，一端是客户程序，另一端是服务程序，在中间可能有代理 程序。由此看来，可以在不同的层次上实现虚拟服务主要有以下四种方法。 1 ) 基于r r - d n s 的解决方法 r r - d n s ( r o u n d r o b i nd o m a i nn a m es y s t e m ) 的结构和工作流程如图3 2 所示。 有一组w e b 服务器，他们通过分布式文件系统a f s ( a n d r o wf i l es y s t e m ) 来共享所有的h t m l 文档。这组服务器拥有相同的域名( 如删1 z m a p a o m o n ) ， 当用户按照这个域名访问时，r r - d n s 服务器会把域名轮流解析到这组服务器的 不同i p 地址，从而将访问负载分到各台服务器上。 兰州大学硕士学位论文 兰州市w e b g i s 系统设计与实现 图3 - 2r r - d n s 结构和工作流程圈 这种方法带来几个问题。第一，域名服务器是一个分布式系统，是按照一 定的层次结构组织的。当用户就域名解析请求提交给本地的域名服务器，它会因 不能直接解析而向上一级域名服务器提交，上一级域名服务器再依次向上提交， 直到r r - d n s 域名服器把这个域名解析到其中一台服务器的i p 地址。可见，从用 户到r r - d n s 问存在多台域名服器，而它们都会缓冲已解析的名字到i p 地址的映 射，这会导致该域名服务器组下所有用户都会访问同一w e b 服务器，出现不同w e b 服务器间严重的负载不平衡。为了保证在域名服务器中域名到i p 地址的映射不 被长久缓冲，r r - d n s 在域名到i p 地址的映射上设置一个t t l ( t i m et ol i v e ) 值， 过了这一段时间，域名服务器将这个映射从缓冲中淘汰。当用户请求，它会再向 上一级域名服器提交请求并进行重新影射。这就涉及到如何设置这个t t l 值，若 兰州大学硕士学位论文 兰州市w c b g l s 系统设计与实现 这个值太大，在这个t t l 期间，很多请求会被映射到同一台w e b 服务器上，同样 会导致严重的负载不平衡。若这个值太小，例如是0 ，会导致本地域名服务器频 繁地向r r - d n s 提交请求，增加了域名解析的网络流量，同样会使r r d n s 服务器 成为系统中一个新的瓶颈。第二，用户机器会缓冲从名字到i p 地址的映射，而 不受t t l 值的影响，用户的访问请求会被送到同一台w e b 服务器上。由于用户访 问请求的突发性和访问方式不同，例如有的人访问一下就离开了，而有的人访问 可长达几个小时，所以各台服务器问的负载仍存在倾斜( s k e w ) 而不能控制。假 设用户在每个会话中平均请求数为2 0 ，负载最大的服务器获得的请求数额高于 各服务器平均请求数的平均比率