（计算机应用技术专业论文）基于网格平台的gis的研究与实现.pdf

摘要 摘要 地理信息系统( g e o g r a p l i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是地球科学和信息科学 等学科交叉的产物，涉及了地理学、制图学、c a d 技术、数据库技术等技术。目 前g i s 己成功地应用到资源管理、城市和区域规划、交通运输等众多领域之中， 并取得了显著的社会效益和经济效益。 随着网格技术的日益发展，网格应用的研究已成为当前的热点之一。为了解 决传统桌面g i s 系统的可扩展性差、速度慢、成本高、难于与其它信息管理系统 无缝集成等不足，本文研究并实现了在网格平台下构建一个g i s 系统。首先阐述 了网格的基本概念、体系结构、实现方式、应用领域，并简要描述了一种网格平 台- - c h i n a g r i d 公共支撑平台( c g s p ) 及其模块结构。然后介绍了g i s 系统的基 本概念、分类及系统组成，探讨了g t s 系统的实现方式，并列出了传统g i s 系统 的不足之处。接着分析了基于网格g i s 系统的各个功能模块的需求，设计了基j 二 c g s p 网格平台的g i s 系统的总体结构，并对主要的实现技术进行了探讨。最后， 给出了系统的具体实现，包括主要类的u m l 类图、系统的核心逻辑，以及系统的 测试和试用情况。 关键词地理信息系统，网格，c h i n a g r i d 公共支撑平台 a b s t f a c t a b s t r a c t 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 ( g i s ) i sac o m b i n a t i o no ft h es p a c es c i e n c ea n d i n f o r m a t i o ns c i e n c e ，a n di si n v o l v e dm a n yt e c h n o l o g i e ss u c ha sg e o g r a p h y , g r a p h i c s ， c a d ，d a t a b a s et e c h n o l o g y g i sh a sb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yt om a n yf i e l d ss u c ha s r e s o u r c em a n a g e m e n t ，c i t ya n dr e g i o i ll a y o u t ，t r a n s p o r t a t i o n ，e t c r e m a r k a b l es o c i a l a n de c o n o m i cb e n e f i t sh a v eb e e nm a d ef o rt h e a p p l i c a t i o n so f g i s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f 鲥dt e c h n o l o g y , t h es t u d yo fg r i da p p l i c a t i o nh a s b e e no n eo f t h e h o t s p o t s ，i no r d e rt os o l v es h o r t a g e so f t r a d i t i o n a ld e s k t o pg i ss u c ha s p o o re x t e n s i b i l i t y , s l o ws p e e da n dh i 曲d e v e l o p m e n tc o s ta n dd i f f i c u l t yo fi n t e g r a t i o n w i t ho t h e ri n f o r m a t i o ns y s t e m s ，t h i st h e s i ss t u d i e sa n di m p l e m e n t sag i sb a s e do ng r i d p l a t f o r m f i r s t l y , t h eb a s i cc o n c e p t s ，t h ea r c h i t e c t u r e ，t h ea p p l i c a t i o nf i e l do f 画da s w e l la st h ea p p r o a c h e st oi m p l e m e n tag r i d a n dag r i dp l a t f o r m c g s p ( c h i n a g r i d s u p p o r tp l a t f o r m ) ，a n dt h ea r c l i i t e c n l r eo f m o d u l e so f i ta r ed e s c r i b e d t h e n ，t h eb a s i c c o n c e p t s ，t h et y p e s ，a n dt h ec o n s t r u c t i o no fg i s ，a n dt h ea p p r o a c h e st oi m p l e m e n ta g i s ，a n dd i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lg i sa r ei n t r o d u c e d a n dr e q u i r e m e n t so fa l l m o d u l e so fg i sb a s e do nc g s ea n dt h et o t a la r c h i t e c t u r eo fg | sb a s e do nc g s p 鲥d p l a t f o r ma sw e l la ss o m ek e yt e c h n o l o g i e st oi m p l e m e n ti ta r ep r e s e n t e df i n a l l y , t h e c o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ec l a s sd i a g r a mw i t hu m lo ft h e m a i nc l a s s e s ，t h ek e yl o g i co ft h es y s t e ma sw e l la st h ec o n d i t i o no ft e s ta n dt r y o u to f t h es y s t e ma r eg i v e n k e y w o r d ：g i s ；g r i d ；c g s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盔煎 日期：“年，月r 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：一翅 导师签名： 日期：押g 年，月6 日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 近年来，随着g i s 应用的广泛和深入，建立了一大批应用地理信息系统。但 是，传统桌面g i s 系统存在可扩展性差、速度慢、成本高、难于与其它信息管理 系统无缝集成等不足。随着网络技术的发展和实际的需要，这些分散的系统要求 集成运行，以实现信息共享和互操作，提高运行效率。同时，g i s 作为和计算机 技术密切相关的科学领域，其发展必然受到计算机技术发展的影响，基于网格计 算技术理念的g 1 s 的研究和开发目前己成为g i s 领域最受关注的方向之一 1 j 。 基于网格的g i s 的研究和开发，对于探索网格g i s 的发展及未来互联网环境下 g i s 的并行处理技术的研究来说，具有非常重大的意义。 本课题是与成都四威电子股份有限公司共同完成的一个基于网格平台的g i s 系统，作者主要负责系统软件方面的设计、开发。 1 。2 课题研究的内容和意义 本课题的主要研究内容是： ( 1 ) 研究网格的体系结构 ( 2 ) 研究基于c g s p 网格平台的应用开发 ( 3 ) 研究g i s 系统的构成 ( 4 ) 设计并实现基于网格平台的g i s 系统 ( 5 ) 测试g i s 系统 研究本课题，对研究网格技术的应用，改进g i s 系统的性能，降低g i s 的成 本等方面具有重要的实际意义。 首先，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 ，g i s ) 是地球科学和信 息科学等学科交叉的产物，涉及了地理学、制图学、遥感、c a d 技术、数据库技 术等技术。目前g i s 己成功地应用到资源管理、自动制图、设施管理、城市和区 域的规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等众多领域 之中，并取得了显著的社会效益和经济效益。 电子科技大学硕士学位论文 当今的电子政务和电子商务，乃至一个般的网上信息系统，无不涉及地理 信息系统，故已有数字地球、数字中国的概念。而现有地理信息系统普遍存在一 些问题，基于网格的地理信息系统具有良好的灵活性以及对分布式环境的适应性， 能够解决现状g i s 应用中的局限性，故开展基于网格的地理信息系统的研究和开 发是非常有意义的。 其次，网格技术已是全球计算机技术的研究前沿和研究热点。网格计算是可 以同时使用一个网络中的许多计算机资源来解决一个问题的一种新型架构，而这 个问题往往需要处理大量的数据或占用巨大的计算力资源。网格计算可以使一个 企业、行业或机构有效的整合其i t 资源，达到资源的有效利用和管理，同时优化 其业务模式，以面对不断变化的业务需求。网格计算的实施方案可以在任何基础 平台上有效地协调使用全球各地的应用资源来加强服务，它构建在各种 硼络服务 之上，通过提供一种可靠、动态和综合的基础设施跨越组织机构的边界，将资源、 应用和服务结合在一起。依靠对网格计算和对网络服务的支持，各公司不仅可以 更加有效的利用自己的资源，同时还可以实现与合作伙伴及供应商业务流程的集 成，从而解决复杂的业务问题。中国现在正在实现从制造大国向制造强国的转变， 网格计算由于其计算互联方面的高性能必然会越来越广泛的应用到各个领域中。 因此，研究基于网格的g i s 系统的应用开发，对于降低g i s 成本，促进企 业成员的交流合作与g i s 专业操作有机结合，降低专业操作难度等方面具有十 分重要的意义。 1 3 论文主要工作 本文分析了g i s 的基本理论以及常规g i s 的实现方式以及缺点，学习了网格 以及网格计算的基本概念、网格服务的实现方式，并利用其设计了基于c g s p 网 格平台的g i s 系统，并给予了实现。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 网格及网格计算技术的探讨 对网格的基本概念进行了表述，探讨了网格系统的体系结构、实现方式以及 应用领域，最后给出了一种网格平台一中国教育网格支撑平台( c g s p ) 。 ( 2 ) g i s 技术的探讨 描述了g i s 系统的基础概念、实现方式以及传统g i s 系统的缺陷。 ( 3 ) 基于c g s p 网格平台的g i s 系统的设计 2 第一章绪论 对一个具体的g i s 进行了系统需求分析、设计，并给出了实现中应用的主要 技术。 ( 4 ) 基于c g s p 网格平台的g i s 系统的实现 给出r 实现中主要类的u m l 类图，系统的核心逻辑，并对系统进行了测试。 1 4 论文的章节安排 本论文内容安排如下： 第一章主要介绍课题的来源、背景以及作者的主要工作。 第二章论述网格的基本理论和应用，包括网格的基本概念、体系结构、实 现方式、具体应用以及c g s p 网格平台简介。 第三章介绍g i g 的基本理论和应用，包括g i s 系统的定义、分类、组成、 实现方式，最后给出了传统的g i s 系统的不足之处以及基于网格的g i s 的优点。 第四章介绍基丁：网格的g i s 系统的设计，包括系统需求、系统结构和主要 的实现技术。 第五章介绍基于网格的g i s 系统的实现，包括主要的类的定义、系统的主 要逻辑以及系统的测试。 第六章对课题进行了总结。包括系统的创新点、实用性以及未来的工作。 第六章对课题进行了总结。包括系统的创新点、实用性以及未来的工作。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 网格介绍 第二章网格理论和应用 21 1 网格及网格计算概念 “网格”是一个新出现的概念，代表了一种先进的技术和基础设施，是继 i n t e r n e t 之后又一次重大的科技进步。它是伴随着互联网而迅速发展起来的，专门 针对复杂科学计算的新型计算模式 2 。这种计算模式是利用互联网把分散在不同 地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机 就是一个“节点”，而整个计算是由成于上万个“节点”组成的“一张网格”，所 以这种计算方式叫网格计算。这样组织起来的“虚拟的超级计算机”有两个优势： 一个是数据处理能力超强；另一个是能充分利用网上的闲置处理能力。 实际上，网格计算是分布式计算( d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ) 的一种，如果我们 说某项工作是分布式的，那么，参与这项工作的一定不只是一台计算机，而是一 个计算机网络，显然这种“蚂蚁搬山”的方式将具有很强的数据处理能力。 充分利用网上的闲置处理能力则是网格计算的又一个优势，网格计算模式首 先把要计算的数据分割成若干“小片”，而计算这些“小片”的软件通常是一个预 先编制好的屏幕保护程序，然后不同节点的计算机可以根据自己的处理能力下载 一个或多个数据片断和这个屏幕保护程序。于是，只要节点的计算机的用户不使 用计算机时，屏保程序就会工作，这样这台计算机的闲爱计算能力就被充分地调 动起来了。可见，这种“蚂蚁搬山”式的分布式计算的处理能力十分强大。 2 1 2 网格的特点 网格作为一种新出现的重要的基础性设施，和其它的系统相比，具有分布性、 自相似性、动态多样性( 不可预测性) 以及管理的多重性等特征。下面简要地给 予说明。 ( 1 ) 分布与共享 分布性是网格的一个最主要的特点。网格的分布性首先是指网格的资源是分 布的。组成网格的计算能力不同的计算机，各种类型的数据库乃至电子图书馆， d 第二章网格理论和应用 以及其它的各种设备与资源，是分布在地理位置互不相同的多个地方，丽不是集 中在一起的。分布的网格一般涉及的资源类型复杂，规模较大，跨越的地理范围 较广。 因为网格资源是分布的，因此基于网格的计算一定是分布式计算而不是集中 式计算。在网格这一分布式环境下，需要解决资源与任务的分配和调度问题，安 全传输与通信问题，实时性保障问题，人与系统以及人与人之间的交互问题等等。 网格资源虽然是分布的，但是他们却是可以充分共享的。即网格上的任何资 源都可以提供给网格上的任何使用者。共享是网格的目的，没有共享便没有网格， 解决分布资源的共享问题，是网格的核心内容。这里共享的含义是非常广泛的， 不仅指一个地方的计算机可以用来完成其它地方的任务，还可以指中间结果，数 据库，专业模型库，以及人才资源等各方面的内容。 分布是网格硬件在物理上的特征，而共享是在网格软件支持下实现的逻辑上 的特征，这两者对于网格来说都是十分重要的 3 。 ( 2 ) 自相似性 分形模型有一个非常重要的特征就是自相似性。自相似性在许多自然和社会 现象中大量存在，一些复杂系统在都具有这种特征，网格就是这样。网格的局部 和整体之间存在着一定的相似性，局部往往在许多地方具有全局的某些特征，而 全局的特征在局部也有一定的体现，如图2 1 所示， 国家网格 图2 - 1 网格的自相似性 翮 瓣一醐一，引到 电子科技大学硕士学位论文 如图2 1 所示，可以认为国家级的网格是在省一级的网格基础之上建造起来 的，国家级主干网要有更大的带宽，只有这样才可以将不同省份的子网格连接起 来提供满意的通信服务：国家级和省级网格都会有各自的计算中心，只不过在计 算能力上有差异而已；他们也都需要管理结点，只不过国家级的管理结点管理功 能需要更多、更强大而已。除了相似性之外，整体和部分之间必然有不同的地方， 再比如可以在一个实验楼里建立一个小规模的实验网格，然后可以把整个学 校的多个实验网格联系起来形成一个全学校的教学科研网格，不同学校之间的内 部网格可以互相连接起来形成一个高校之间的网格联盟，这一网格联盟又可以成 为全国网格的一个部分。这种整体和部分之间的相似性可以在多个阶段看到。网 格的自相似性在网格的建造和研究过程中有重要的意义。 ( 3 ) 动态性与多样性 对于网格来说，决不能假设它是一成不变的。原来拥有的资源或者功能，在 下时刻可能就会出现故障或者不可用；而原来没有的资源，可能随着时间的推 移会不断地加入进来。网格的动态性包括动态增加和动态减少两个方面的含义。 网格资源的动态变化特点要求网格管理必须充分考虑并解决好这一问题，对于网 格资源的动态减少或者资源出现故障的情况，要求网格能够及时采取措旅，实现 任务的自动迁移，做到对高层用户透明或者尽可能减少用户的损失。 网格资源的动态增加需要提高网格的扩展性问题，也就是说在网格的设计与 实现时，必须考虑到新的资源能否很自然地加入到网格中来，并且可以和原来的 资源融合在一起，共同发挥作用。网格扩展要求体现在规模、能力、兼容性等凡 个方面。一开始网格的规模往往不是特别大，不需要也不可能一步到位，但是网 格应该能够允许对它自身进行多种形式的扩展，网格规模扩展后网格的相应管理 软件也应该能够满足扩展性的要求，网格软件的升级要能够向下兼容。 网格资源是异构和多样的。在网格环境中可以有不同体系结构的计算机系统和类 别不同的资源，因此网格系统必须能够解决这些不同结构、不同类别资源之间的 通信和互操作问题。正是因为异构性或者说资源多样性的存在，为网格软件的设 计提出了更大的挑战，只有解决好这一问题，才会使网格更有吸引力。 ( 4 ) 自治性与管理的多重性 网格上的资源，首先是属于某一个组织或者个人的，因此网格资源的拥有者 对该资源具有最高级别的管理权限，网格应该允许资源拥有者对他的资源有自主 的管理能力，这就是网格的自治性。 但是网格资源也必须接受网格的统一管理，否则不同的资源就无法建立相互 6 第二章网格理论和应用 之间的联系，无法实现共享和互操作，无法作为一个整体为更多的用户提供方便 的服务。因此网格的管理具有多重性，一方面它允许网格资源的拥有者对网格资 源具有自主性的管理，另一方面又要求网格资源必须接受网格的统一管理。 2 1 ，3 网格体系结构 网格体系结构就是关于如何建造网格的技术。它给出了网格的基本组成与功 能，描述了网格各组成部分的关系以及它们集成的方法或方式，刻画了支持网格 有效运转的机制。 网格体系结构要能够说明网格整体是由那些关键部分组成，但是这还远远不 够，网格体系结构还必须能够对各个部分的功能、目的、特点等进行清晰的描述， 使人们能够了解各个组成部分的作用。这些都是“分”的作用，在“分”的基础 上，网格体系结构还需要进一步描述“合”起来的功能，即在充分了解网格的各 个部分的作用机理、作用方式等的基础上，将这些部分按照一定的方式进行组织 和集成，形成一个具有特定功能的整体对外提供服务。 网格体系结构，就是一个“分”与“合”的统一体，没有“分”，就无法深入 的网格的内部去；没有“合”，就无法说明网格的整体特征。只有充分把握好“分” 与“台”的这两方面的关系，才能够具体、深入、全面地把握好网格这一概念， 才能够设计出真正实用、有效的网格体系结构。 明确对网格结构体系进行描述的文献并不多，比较重要的有两个，一个就是 f o s t e r 等在早些时候提出的五层沙漏结构，然后就是在以i b m 为代表的工业界的 影响下，在考虑到w e b 技术的发展与影响后，f o s t e r 等结合w e bs e r v i c e 提出的开 放网格服务结构o g s a ( o p e n g r i d s e r v i c e s a r c h i t e c t u r e ) 。此外，还有以积木块为基 础的结构，以概念空间为基础的结构 4 。 2 1 2 1 五层沙漏结构 五层沙漏结构是一种影响十分广泛的结构 5 ，它的主要特点就是简单，主要 侧重于定性的描述而不是具体的协议定义，因此很容易从整体上进行理解。下面 分别从五层沙漏结构的基本思想、结构描述等进行说明。 在五层沙漏结构中，一个最重要的思想就是以“协议”为中心，也十分强调 服务与a p i ( a p l i c a t i o np r o g r a m m l i n gi n t e r f a c e s ) 和s d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t s ) 的重要性。 该结构并不提供严格的规范，它不是对全部所需协议的完整罗列，而是对该 电子科技大学硕士学位论文 结构中组件的通用性要求进行定义，建立这些组件的层次结构。 五层沙漏结构中“五层沙漏”的含义是：根据该结构中各组成部分与共享资 源的距离，它将对共享资源进行操作、管理和使用的功能分散在五个不同的层次， 越向下层就越接近于物理的共享资源，因此该层与特定资源相关的成分就比较多； 越向上层就越感觉不到共享资源的细节特征，也就是说上层是更加抽象共享资源 的表示，因此就不需要关心与底层资源相关的具体实现问题。 在五层沙漏结构中，最底层是构造层( f a b r i c ) ，构造层面对的是一个个具体的 物理( 也可以是逻辑的) 资源，它通过对这些局部资源的管理，向上层提供对这 些资源的管理和控制界面。构造层的上面是连接层( c o n n e c t i v i t y ) ，主要是为下层 的物理资源提供安全的数据通信。这是资源之间进行互操作的前提，连接层使得 孤立的单个资源之间建立了联系。连接层的上面是资源层( r e s o u r c e ) ，它反映的是 抽象的局部资源的特征，而资源层上面的汇聚层( c o l l e c t i v e ) 完成的功能是如何将 下面以单个资源形式表现出来的资源集中起来，协调解决多个资源之问的问题。 最上面的应用层( a p p l i c a t i o n ) 和资源的距离最远，它关心的是有什么样的资源可 以由下面提供给虚拟组织，解决不同虚拟组织的具体问题。五层沙漏结构与网络 协议结构具有参照对比性，五层沙漏结构与t c p 1 p 网络协议结构的对比如图2 - 2 所示。 应用层 4汇聚层 资源层 连接层 图2 - 2 五层结构及其与t c p i p 网络协议的对比 五层结构的另外一个重要特点就是沙漏形状。其内在含义就是因为各部分协 议的数量是不同的，对于其最核心的部分，要能够实现上层各种协议向核心协议 的映像，同时实现核心协议向下层其它各种协议的映像，核心协议在所有支持网 8 曷回 第二章网格理论和应用 格计算的地点都应该得到支持，因此核心协议的数量不应该太多，这样核心协议 就形成了协议层次结构中的一个瓶颈，在五层结构中，资源层和连接层共同组成 这一核心的瓶颈部分。 沙漏核心的思想可以和微内核的操作系统进行类比，即操作系统只实现一些 关键的基本功能，而把大量与特定设备有关和与应用有关的部分交给其它部分来 完成。一个小的核心是有利于移植的，也可以比较容易地实现和得到支持。资源 是多种多样的，应用需求更是复杂多变，因此定义好这样一个核心部分的意义是 很大的。 五层沙漏结构的五层从下到上分别是构造层、连接层、资源层、汇聚层以及 应用层。下面对这五层的功能特点分别进行描述。 ( 1 ) 构造层：局部控制的界面 网格构造层的基本功能就是控制局部的资源，向上提供访问这些资源的接口。 构造层资源是非常广泛的，可以是计算资源、存储系统、目录、网络资源以及传 感器等等。这里需要说明的是构造层资源可以是个比较复杂的系统，比如由多 台微机通过系统级网络连接形成的机群系统，在机群系统的内部，为了实现通信 和管理，必然有自身协议，这种协议是内部协议，和网格体系结构中资源之间的 外部协议是不同的。其它的构造层实体比如分布式文件系统，或者分布式计算池 等在实现过程中都可以有自己的内部协议。 另外一点就是如果构造层资源提供的功能越丰富，则构造层资源可以支持的 高级共享操作就越多，比如如果在资源层支持提前预留功能，则很容易在高层实 现资源的协同调度服务，否则在高层实现这样的服务就会有较大的额外开销；如 果构造层资源提供的功能较少，则网格结构的组织就可以比较简单，实现起来也 就相对容易一点。构造层应该实现的基本功能包括：查询机制( 发现资源的结构 和状态等信息) 、控制服务质量的资源管理能力等。 ( 2 ) 连接层：支持便利安全的通信 连接层的基本功能就是实现相互的通信。它定义了核心的通信和认证协议， 用于网格的网络事务处理之中。通信协议允许在构造层资源之间交换数据，要求 包括传输，路由，命名等功能。在实际中这些协议大部分是从t c p i p 协议栈中抽 出的，比如网络层( i p ) 、传输层( t c p 、u d p ) 和应用层( d n s ) 。建立在通信服 务之上的认证协议提供加密的安全机制，用于识别用户和资源，安全机制是一个 十分复杂的问题。网格安全方案应该为通信保护提供各种灵活的支持，比如保护 级别的控制，不可靠协议独立数据单元的保护支持t c p 之外的可靠传输等，允 电子科技大学硕士学位论文 许网格使用者来控制认证策略等。 ( 3 ) 资源层：共享单一资源 资源层的主要功能就是实现对单个资源的共享。资源层建立在连接层的通信 和认证协议之上，定义的协议包括安全初始化、监视、控制单个资源的共享操作、 审计以及付费等。值得注意的是，资源层协议考虑的完全是单个的局部资源，因 此忽略了全局状态和跨越分布资源集合的原子操作。( 这些问题是由汇聚层考虑 的) 。 ( 4 ) 汇聚层：协调各种资源 汇聚层的主要功能是协调“多种”资源的共享，而资源层的主要功能则是与 单个资源的交互。汇聚层协议与服务( 包括a p g s d k ) 描述的是资源的共性，并 不涉及资源的具体特征，说明不同资源集合之间是如何相互作用的。由于汇聚层 建立在资源和连接层形成的协议瓶颈之上，因此不需要在资源上强加其它新的要 求。 汇聚层功能可以作为永久的服务来进行实现，包括相关的协议，以及与应用 相关联的a p i s d k 。汇聚层的协同分配a p i 和s d k 可以使用资源层的管理协议来 操纵底层的资源，同时，在此功能之上，可以定义协同预留协议并实现一个协同 预留服务，它可以调用底层的协同分配a p i 来实现协同分配操作，还可能提供附 加的功能，比如授权、容错以及臼志等。 汇聚层组件可以通过裁减来满足特定的用户社团、虚拟组织或者应用领域的 需求，一个汇聚层s d k 可以用来实现特定应用的协议，或者特定网络资源集合的 协同预留服务，而另外的汇聚层组件可以实现更通用的目的，比如跨国界多组织 的存储系统的复制服务，或者用于发现虚拟组织的目录服务等。一般地，用户社 团的规模越大，基于标准化基础来建造汇聚层组件协议和a p i 就越重要。 ( 5 ) 应用层 应用层是在虚拟组织环境中存在的。从应用程序员的观点看网格结构，应用是 根据在任一层次上定义的服务来构造的。在每一层，都定义了协议，以提供对相关 服务的访问，这些服务包括资源管理、数据存取、资源发现等。在每一层，可以将 a p i 定义为与执行特定活动的服务交换协议信息的具体实现。这里的应用可以调用 更高级的框架和库。 2 1 2 2 网格服务体系结构 开放网格服务结构o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 是g l o b a lg r i d 1 0 第二章网格理论和应用 f o r u m 4 的重要标准建议，是继五层沙漏结构之后最重要，也是目前最新的一种网 格体系结构，被称为是下一代的网格结构 6 。 如果说五层沙漏结构是以协议为中心的“协议结构”，则o g s a 就是以服务为 中心的“服务结构”，如图2 - 3 所示。 服务数据的访问 显式撤销 软状态生命周期 绑定特性 可靠激活 - 认证 g r i d s e r v i c e + ( 必需的) 其他接口 ( 可选的) 1 + 标准接口 通知 一授权 一服务创建 - 服务注册 - 管理 开发 + 面向特别应用的接口 l兰三 图2 3 网格服务示意图 服务是指具有特定功能的网络化实体，在五层沙漏结构中，强调的是被共享 的物理资源( 或者是这些资源所支持的服务) ，在o g s a 中，服务所指的概念更广， 包括各种计算资源，存储资源、网络、程序、数据库等等，简而言之，一切都是 服务。五层模型试图实现的是对资源的共享，而在o g s a 中，实现的将是对服务 的共享。从资源到服务，这种抽象，将资源，信息、数据等统一起来，十分有利 于灵活、一致、动态的共享机制的实现，使得分布式系统管理有了标准的接口和 行为。为了使服务的思想更加明确和具体，o g s a 定义了“网格服务”( g r i ds e r v i c e ) 的概念。网格服务是一种w e bs e r v i c e ，该服务提供了一组接口，这些接口的定义 明确并且遵守特定的惯例，解决服务发现、动态服务创建、生命周期管理、通知 等问题。在o g s a 中，将一切都看作是网格服务，因此网格就是可扩展的网格服 务的集合，即网格= 网格服务) 。网格服务可以以不同的方式聚集起来满足虚拟 组织的需要，虚拟组织自身也可以部分地根据它们操作和共享的服务来定义。 以网格服务为中心的模型具有如下好处：第一，由于网格环境中所有的组件 都是虚拟化的，因此，通过提供组相对统一的核心接口，所有的网格服务都基 于这些接口实现，就可以很容易地构造出具有层次结构的、更高级别的服务，这 些服务可以跨越不同的抽象层次，以一种统一的方式来看待；第二，虚拟化也使 电子科技大学硕士学位论文 得将多个逻辑资源实例映射到相同的物理资源上成为可能，在对服务进行组合时 不必考虑具体的实现，可以以底层资源组成为基础，在虚拟组织( v i r t u a l o r g a n i z a t i o n ) 中进行资源管理。通过网格服务的虚拟化，可以将通用的服务语义 和行为，无缝地映射到本地平台的基础设施上。 2 2 网格的实现方式 2 2 1 网格计算池 “网格计算池”是实现计算网格的一种方式 7 。它将计算网格限定为三点： ( 1 ) 计算资源共享( n 台本地或异地高性能计算机加入这个系统中) 。 这可以大大提高资源的利用率和服务质量。 ( 2 ) 不把一个任务分解成n 个子任务，而只是安排在其中一台合适的机器上运行。 事实上，现在只有极少的任务是任何单台高性能计算机都无法处理的。这条 限定可以避免分解任务的复杂性( 同时降低用户使用高性能计算的门槛) ，而且更 重要的是，避免任务子模块之间频繁通信造成的性能下降。( 如果任务子模块之间 根本就不需要通信，用p 2 p 的方式进行解决比用网格更高效，) ( 3 ) 通过w e b 提交任务和查看结果。 这可以大大方便用户访问高性能计算机：用户不必出差，不必到实验室排队， 在家中就可以2 4 小时提交和运行任务。一般来说，任务提交和返回结果的通信量 相比计算时的内部通信量是很小的。 如果要建计算网格，目前阶段最好使用“网格计算池”方式实现，这样其 实用性可以大大提高。 2 。2 2g l o b u s 工具包 g l o b u s 项目是最主要的网格项目 8 ，其推出的g l o b u s 工具包实现了一组网 格应用所必需的基本功能，在众多的网格项目中得到了广泛的应用。g l o b u s 工具 包是基于o g s i ( o p e ng r i ds e r v i c e si n f r a s t r u c t u r e ) 的，它的主要目标是使得o g s i 技术易于使用，重用和当开发新的网格应用时便于扩展。 g l o b u s 工具包是一个构筑网格计算环境的中间件，提供资源定位、管理、通 信、安全等服务。该计算工具包是模块化的，允许用户按自己的需求定制环境。 g l o b u s 工具包已经成为事实上的网格标准，目前大多数网格项目都是基于 1 2 第二章网格理论和应用 g l o b u s 工具包所提供的协议及服务所建设的，例如美国的物理网格g d d p h y n 、欧 洲的数据网格、美国能源部的科学网格、美国学术界的t e r a g r i d 9 ，等等。 2 3 网格的应用领域 网格有非常广泛的应用领域。一旦建立起了网格，就可以开展许多以前无法 进行的工作和研究。 在科学计算领域，网格可以在如下几个方面得到应用 10 。 ( 1 ) 分布式超级计算 这和以前的高性能计算的作用十分类似，不同的是以前的高性能计算大多是 集中式的，主要靠一个地方的高性能计算机完成计算任务。目前遇到的许多科学 与工程计算问题是无法在任何一台超级计算机上解决的，因此需要更多的超级计 算机一起来完成，网格可以把分布式的超级计算机集中起来，协同解决复杂的大 规模问题。从集中计算到分布计算，是网格功能的重要体现。 ( 2 ) 高吞吐率率计算 高吞吐率计算和高性能( 超级) 计算的侧重点是不同的，高性能计算关心的 是每秒能够完成的计算量，度量的时间单位很小。而对于高吞吐率计算，它关心 的是几个月、一年甚至是几年完成的计算量，度量的时间单位比较大。只所以会 提出这种计算方式是因为在许多实际的问题求解过程中，人们关心的是在一段相 对较长的时间内( 比如一年) 解决问题的多少，而对短期内求解问题的多少并不 是十分关心。对于这样的问题，可以利用c p u 周期窃取的技术，将大量空闲计算 机的计算资源集中起来，提供给对时间不太敏感的问题，作为计算资源的一种重 要来源。文献 1 1 就是这样的系统的例子。 ( 3 ) 数据密集型计算 对于数据密集型问题，数据采集地点、数据处理地点、数据分析与结果存放 地点、可视化设备的地点等往往不在同一个地方，数据密集型问题的求解往往同 时会产生很大的通信和计算需求，需要网格能力才可以解决。许多高能物理实验， 数字化天空扫描，气象预测等都是数据密集型问题，网格可以在这类问题的求解 中发挥巨大作用。 在社会经济生活领域，网格可以在如下领域得到应用。 ( 1 ) 基于广泛信息共享的人与人交互 原来的人与人的交互受到地理位置、交互能力、共享对象等等许多条件的限 电子科技大学硕士学位论文 制。个国际会议往往需要许多人在旅途上消耗大量的时间，如果每个人都可以 在自己的工作地点，与参加会议的其它人员在一个虚拟的共享空间中进行交互， 共同讨论问题，可以产生面对面的效果，无疑将会是十分理想的。一个原来物理 上集中的大会场被网格技术分散在世界各地，但是又不影响开会的效果，一个原 来在物理会场中传递的话筒可以在世界不同地点的人们之间传递。这显然会对大 家的工作方式产生很大的影响。 ( 2 ) 计算机集成制造( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ，c w r ) 近年来，有关计算机集成制造的研究非常热门，而在制造系统中加强不同制 造资源之间的信息交互与协作，将有助于制造系统的执行效率与系统性能的提高 1 2 。这方面，网格计算是一种前景看好的新技术，世界上有很多科研机构和企 业正在投入大量的人力、物力进行网格计算技术的研究和开发，随着网格技术的 蓬勃兴起，其应用越来越受到人们关注。 相比较而言，网格在制造业中的应用可以使各个子系统之间的相互作用以透 明的方式进行一位置透明、名字空间透明、注册透明、分布式存储透明。美国阿 岗( a r 譬。肌e ) 国家实验室的资深科学家、美国网格计算项目的领导人i a nf o s t e r 这样 描述网格：“网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、高性能计 算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通老百姓提 供更多的资源、功能和交互性。互联网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通 信功能，而网格功能则更多更强，能让人们透明地使用计算、存储其他资源。” 国外有关网格在制造业中的研究较早，c a c - r e s e a r c h 的s a v o l a i n e n 等人在 1 9 9 5 年发表了文献“p o s i t i o n i n go f m o d e l l i n ga p p r o a c h e s ，m e t h o d sa n dt o o l s ”，文章 介绍了网格技术在计算机集成制造( c 玎订) 中的应用，并着重强调为网格建立一个 公共的框架。该文介绍的网格可以兼容现有c i m 系统的各种不同的步骤、方法和 工具，且作者希望将来在这一领域的发展可以和该文所述的网格集成为一体。 t u c k e r 等发表的文献“r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fc o o p e r a t i v ep r o d u c t d e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e do ni n t e r n e t ”介绍了g r a i 网格，这个网格对于分析和改 进协作商业过程是非常有效的。在一个新产品开发的过程中，完成不同产品功能 的多个组织之间，需要提高沟通效率，g r a i 网格提供一个分析和解决协作商业过 程的高效的模型。g r a i 网格被用于在生产过程中，使得各协作公司的之间在产品 生产效率得到的提高。 目前我国研究网格在制造业中应用的单位有：上海大学、广东工业大学等。 发表的文献针对了制造业网格的系统架构、平台建设、资源共享等问题进行研究 1 4 第二章网格理论和应用 和实现。上海大学发表的文献“快速制造网格及其服务结点的建设”，该文述及 建立了快速制造网格( r m g ) 作为前期研究和试点工程。同时，采用w s d l 描述、 服务映射与实现、服务部署等方法，将快速制造资源描述和封装成服务( r m s n ) ， 解决了制约网格技术向制造业推广的瓶颈，并以应用实例说明了具体的实现方法。 广东工业大学机电学院的文献“特许连锁模式下的模具制造网格系统架构”针对我 国模具制造业的现状和国际市场的需求，提出了采用特许连锁的模式来改造我国 的模具制造企业，并分析了该模式对制造系统的特定要求。借鉴网格计算的理念， 提出了与特许连锁相匹配的模具网格化制造系统的新构想，探讨了模具制造网格 系统的基本架构。 ( 3 ) 更广泛的资源贸易 计算能力闲置的机器可以共享出来，通过网格让更多的人来租用；需要计算 能力的人可以不必购买更大的计算机，只要根据自己计算任务的需求，向网格购 买计算能力就可以满足要求。除了计算资源，包括贵重仪器、程序、数据、信息、 文化产品等等各种资源都可以在贸易的基础上广泛共享。例如，“蓝色巨人”i b m 正在构筑一项名为“g r i dc o m p u t i n g ”的计划 1 3 ，旨在通过因特网，向每一台个 人电脑提供超级的处理能力。另一个业界巨人s u n 也推出新软件促进网络计算的 发展。2 0 0 1 年1 1 月，s u n 推出了s u ng r i d e n g i n e 企业版5 3 版软件的p 版，继续 提升它的网络技术计算水平。该软件自一年前推出以来，s u ng r i de n g i n e5 2 3 版 软件的用户已经增长了2 0 倍。今天，全球有1 1 8 0 0 0 多颗c p u 都是采用s u ng r i d e n g i n e 软件管理的。除此之外，一批围绕网格计算的软件公司也逐渐壮大和为人 所知并成为受到关注的新商机，如：e n t r o p i a 、a v a k i 、n o e m i x 、d a t as y n a p s e 等等。 据( ( f o r b e s a s a p ) ) 预测，网格技术将在2 0 0 5 年达到高峰，并带来因特网的新生。 如果网格技术能促使市场按预期的1 7 年增长率持续成长的话，那么在2 0 2 0 年将 会形成一个年产值2 0 万亿美元的大产业。 网格是一种面向问题和应用的技术，随着网格技术的不断完善和应用领域的 不断扩展，网格可以在更多的领域得到应用，发挥更大的作用。 2 4c g s p 网格平台简介 2 4 1c g s p 简介 c h i n a g r i d 公共支撑平台( c h i n a g r i ds u p p o r tp l a t f o r m ，简称c g s p ) 是为 电子科技大学硕士学位论文 c h i n a g r i d 的建设和发展而研制的网格核心中间件 1 4 。c g s p 基于当前c e r n e t 网络及将来c e r n e t 高速传输网，提供了一套完整的网格服务支撑平台。它对教 育和科研系统中的各种资源进行整合，屏蔽网格资源的异构性和动态性，为各种 科学计算与工程研究提供高性能的、高可靠的、安全方便的透明网格服务，形成 一套面向c