（计算机软件与理论专业论文）网格计算在gis中的应用与研究.pdf

网格计算在g i s 中的应用与研究摘要网格计算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型，被称为第三代i n t e m e t 。网格计算将地理上分布的计算资源充分利用起来，协同解决复杂的大规模问题，特别是解决仅靠本地资源无法解决的复杂问题。本文论述了网格计算技术在g i s ( 地理信息系统) 中的应用，主要研究内容包括：( 1 ) 、阐述了网格计算的分布性、自相似性等特点，重点阐述了目前最重要的网格体系结构开放网格服务体系结构( o g s a ) 。( 2 ) 、论述了传统g i s 系统构成及主要功能、g r i d g i s 和作为g r i d g i s重要支撑基础的空间信息网格，设计构造了g r i dg i s 的四层结构模型，并阐述了g r i dg i s 的主要优势。( 3 ) 、论述了w e bs e r v i c e 的体系框架和调用流程，并详细描述了利用g l o b u st o o l k i t 4 0 构建由三台机器组成的小型网格的全部过程，其中包括g t 4 安装前的准备，g t 4 安装，部署配置g t 4 的认证系统和安全机制。( 4 ) 、利用现有资源，在三台计算机上，用e c l i p s e 集成g t 4 设计实现了一个g r i dg i s 系统，并在此环境中实现了地图合成和最短路径查询两个网格服务。地图合成服务首先将同一幅地图的三个图层存放在三台不同机器上，分别进行处理，然后叠加合成原地图返回给客户端。最短路径查询服务对存放在三台不同机器上的地理数据进行分析处理，得到客户端指定两地点间的最短路径，并把它显示在地图上返回给客户端。利用不同的实验数据分别对两个服务进行测试，实验证明，与普通g i s相比，网格计算在保证服务准确性的前提下，大幅度地提高了运算速度，尤其是在数据量庞大的情况下，其优势更为突出。关键词：网格，网格计算，g i s ，g r i dg i s ，网格服务，g l o b u st o o l k i t 4 01 1a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho f g r i di ng i sa b s t r a c tg r i dc o m p u t i n gi san e wc o m p u t a t i o nm o d u l ew h i c hi ss p e c i f i c a l l ya i m e da tt h ec o m p l e xs c i e n t i f i cc o m p u t a t i o n i td e v e l o p sr a p i d l ya c c o m p a n i e db yt h en e l w o r ka n di sc o n s i d e r e da st h i r d - g e n e r a t i o ni n t e r n e t g r i dc o m p u t i n gt a k e sf u l la d v a n t a g eo fg e o g r a p h i c a l l yd i s t r i b u t e dc o m p u t a t i o n a lr e s o u r c e sf o rt h es o l u t i o no fl a r g es c a l ec o m p l e xp r o b l e m s ，e s p e c i a l l yf o rt h ep r o b l e m st h a tc a n tb es o l v e dr e l y i n g0 1 1l o c a lr e s o u r c e so n l y t h i st h e s i sd e a l sw i t ht h ea p p l i c a t i o no f 鲥dc o m p u t i n gi ng i s t h em a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e s ：f i r s t l y , t h i st h e s i sp r e s e n t st h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r i dc o m p u t i n gs u c ha sd i s t r i b u t i v i t y , s e l f - s i m i l a r i t y , e t c t h e n ，i tf o c u s e so nt h eo p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ( o g s 舢w h i c hi st h em o s ti m p o r t a n tg r i da r c h i t e c t u r ea tp r e s e n t s e c o n d l y , t h ea r c h i t e c t u r ea n dm a i nf u n c t i o no ft r a d i t i o n a lg i si sg i v e ni nt h ef i r s tp l a c e t h e ni tp r e s e n t st h et e c h n o l o g yo fg r i dg i sa n ds p a t i a li n f o r m a t i o ng r i dw h i c hi sa ni m p o r t a n tf o u n d a t i o no f g r i dg i s a f t e rt h a t ，am o d e lo ff o u r - s t o r ya r c h i t e c t u r eo fg r i dg i si sc o n s t r u c t e d a l s o ，t h em a i na d v a n t a g e so fg r i dg i sa r ee n u m e r a t e dt h i r d l y , t h ea r c h i t e c t u r ea n dt h ec a l l i n gp r o c e s so fw e bs e r v i c ea r ei i lp r e s e n t e d m a k i n gu s eo ft o o l k i t 4 0 ，d i m i n u t i v eg r i dc o m p o s e do ft h r e ec o m p u t e r si ss u c c e s s f u l l yc o n s t r u c t e d t h ew h o l ep r o c e s si se x p o u n d e d ，i n c l u d i n gp r 印a r a t i o n sf o ri n s t a l l a t i o no fg t 4 ，g t 4i n s t a l l a t i o n ，t h ed e p l o y m e n to fa u t h e n t i c a t i o ns y s t e ma n ds e c u r i t ym e c h a n i s m f i n a l l y , g r i dg i ss y s t e mi sc o n s t r u c t e db a s e do nt h r e ec o m p u t e r s ，i n t e g r a t i n ge c l i p s ew i t hg t 4 t h e nt w o 鲥ds e r v i c e sa r ee m p l o y e dt ot h es y s t e mf o re x p e r i m e n t s o n ei sf o rc o m p o s i n gm a p ；a n o t h e ri sf o rs h o a e ap a t hr o u t i n g i nt h ea b o v ef i r s tg r i ds e r v i c e ，i tp l a c e st h r e el a y e r sf r o mt h es a m em a pi nt h r e ed i f f e r e n tc o m p u t e r s t h e ni th a n d l e ss e p a r a t e l yt h o s et h r e el a y e r so nt h r e ec o m p u t e r s ，c o m p o s e sam a po ft h o s et h r e el a y e r sa n ds e n d st h em a pt ot h ec l i e n t i nt h ea b o v es e c o n do n e ，a l ld a t ai sa l s os t o r e di nt h r e ed i f f e r e n tc o m p u t e r s t h r o u g hg e o g r a p h i cd a t ap r o c e s s i n g , i to b t a i n st h es h o r t e s tp a t hb e t w e e nt h et w op l a c e sg i v e nb yt h ec l i e n ta n ds e n d st h er e s u l tb a c kt ot h ec l i e n t a tl a s tt h et w os e r v i c e sa r et e s t e dw i t hd i f f e r e n te x p e r i m e n t a ld a t a c o m p a r e dw i t ht h eo r d i n a r yg i s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tr u n n i n gt i m ei sr e d u c e di nh i g hd e g r e eu n d e rt h e 鲥do nt h ep r e m i s eo fe n s u r i n gt h ev a l i d i t yo ft h eg r i ds e r v i c ee s p e c i a l l yw h e nt h e r ei sag r e a td e a lo f d a t a k e yw o r d s ：g r i d ，g r i dc o m p u t i n g ，g i s ，g r i dg i s ，g r i ds e r v i c e ，g l o b u st o o l k i t 4i v学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。研究生签名农怒学位论文使用授权声明日期：b 0 7 、忆沾本人完全了解浙江师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意浙江师范大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播论文的全部或部分内容。保密的学位论文在解密后遵守此协议。研究生签名：新签名：眯船吼砷d 7 一吖浙江师范大学学位论文诚信承诺书我承诺自觉遵守浙江师范大学研究生学术道德规范管理条例。我的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，均已明确注明并详细列出有关文献的名称、作者、年份、刊物名称和出版文献的出版机构、出版地和版次等内容。论文中未注明的内容为本人的研究成果。如有违反，本人接受处罚并承担一切责任。承诺人( 研究牛) ：乡挺使指导教肌吓辫第一章绪论本章主要介绍论文的研究目的与意义以及网格计算和g i s 的国内外研究现状，并简要介绍论文的主要研究内容及组织结构。1 1 论文的研究背景及意义近些年来，由于数据的海量性及地理分布的广泛性，造成了资源与信息的大量浪费。现有的数据管理体系结构、方法和技术，已不能满足人们对高性能、大容量分布存储和分布处理的要求。因此，在现有网络发展的基础上，人们提出了网格计算( g r i dc o m p u t i n g ) 的概念，以解决上述应用所面临的问题【l j 。网格计算将地理上分布的计算资源充分利用起来，协同解决复杂的大规模问题，特别是解决仅靠本地资源无法解决的复杂问题，是专门针对复杂科学计算的新型计算模式。它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”。这样组织起来的“虚拟的超级计算机”有两个优势，一是数据处理能力超强，二是能充分利用网上的闲置处理能力。i n t e m e t 实现了计算机硬件的连通，w e b 实现了网页的连通，而网格试图实现的是互联网上所有的资源全面连通，包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等【2 1 。它掀起了第三次网络技术浪潮，因此也有人称网格为第三代i n t e m e t 。随着网格计算技术日益发展，它在很多领域得到了应用，其中也包括空间信息科学领域。我们平常所接触的信息中，地理空间信息的比例可以占到8 0 左右，然而在网上传送的信息中地理空间信息所占的比例却远未达到这一数字。这是因为，作为专业处理地理信息的管理信息系统地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) ，虽然应用领域日益广泛，却严重滞后于网络技术的发展速度。传统桌面g i s 系统表现出可扩展性差、速度慢、成本高、难于与其它信息管理系统无缝集成等不足。在最近几年中，“数字地球”、“数字城市：成为了g i s 发展的方向。实践证明，传统的技术已经不能解决“数字地球”、“数字城市”的实时处理和信息共享问题，因为它们需要使地理空间信息提供者自g 够实时地将地理空间信息提供给最需要的用户，而地理空间信息使用者又能够知道从哪里找到急需的地理空间信息。当前的分布式g i s 技术还远未达到这种要求，要达到这种要求必须具有异构性、可扩展性、动态自适应性和多级管理域等特点。在这种情况下，网格计算的并行处理优势突显出来【3 】o将网格计算技术理念应用到g i s 的研究和开发中已成为g i s 领域最受关注浙江师范大学硕士学位论文的方向之m 4 1 ，具有广阔的发展前景，也是消除信息孤岛，实现资源共享和互操作的有效途径。网格计算在g i s 中的应用研究对于g i s 的发展和未来具有至关重要的意义。1 2 国内外研究现状1 2 ，1 网格计算研究现状网格计算的概念最早出现于1 9 9 5 年的i - w a y 项目中，网格计算研究的先导i a nf o s t e r 给网格计算下的定义是：网格计算是动态多机构虚拟组织中的一个协调的共享资源和解决问题的过程。实际上，网格计算是分布式计算的一种，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【5 1 。网格发展从诞生到现在，基本上可以分为以下几个主要阶段1 6 ：( 1 ) 萌芽阶段：在2 0 世纪9 0 年代早期，主要是千兆网的测试床，以及一些元计算的实验，典型的代表是f a f n e r 【7 】和i - w a y 两个项目。( 2 ) 早期实验阶段：在2 0 世纪9 0 年代中期到晚期，比如i - w a y 项目，还包括一些学术性的软件项目，比如g l o b u s 、l e g i o n ，还有一些应用实验。( 3 ) 迅速发展阶段：2 0 0 2 年以后，主要表现为：出现了大量的网格开发社团和网格项目；主要基础设施被开发和使用；工业界对网格计算的兴趣日益增长。同时也出现了一些比较显著的技术基础，比如g l o b u st o o l k i t 。形成了具有相当规模和世界影响的g g f 组织。d a v i d 等人【8 】把网格按照技术发展的顺序又分为三代，如图1 1 所示。g l o b u s万维网服务删e rl e g i o n开放的网格服务绪丌0 h 怕月r 靠端竺! ：il：，1 9 9 52 0 0 0第一代第二代第三代年代。f i g u r e l 1t h ed e v e l o p m e n ts t a g eo fg r i d图1 - 1 网格技术的发展阶段1 2 1 1 国外网格计算研究现状国外网格计算技术的研究发源于美国，最初是从科研机构开始的。多家研究机构进行了与网格相关的研究工作，开发了g l o b u s 、c o n d o r 、l e g i o n 、a p p l e s 、e n t r o p i ap c 等比较有影响的软件和工具。现在已经发展到实用阶段，开始应用2第一章绪论于天文学、生物学、高能物理学、医疗、天气预报和军事等领域。g l o b u s 项目【9 】由美国a r g o n n e 国家实验室和南加州大学联合研究开发，已经在世界范围内得到了一定程度的使用，它对全球的网格研究开发工作起到了巨大的推动作用。目前，美国n a s ai p g 、欧洲d a t a g r i d 、美国国家技术网格n t g 、日本的d a t a f a r m 等项目都采用了g l o b u s 系统。c o n d o r 1 0 】是威斯康星一麦迪逊大学的研究项目，是一个高吞吐量的计算环境，其目的是在长时间( 如几周甚至几个月) 内提供大的吞吐量，而不丧失在短时间( 如几小时或几天) 内提供峰值性能。s n i p e 是一个元计算工程，它基于p v m 消息库所提供的资源管理和通信工具而构建。与g l o b u s 类似，s n i p e 也强调信息服务的重要性，并利用资源目录和分布式系统提供对系统资源与元数据的访问。l e g i o n i “】是弗吉利亚大学的一个基于对象的元系统软件项目，始于1 9 9 3 年，它的目标是为用户提供单一的虚拟机器模型。与g l o b u s 提供服务包相反，l e g i o n的公共对象编程模型允许用户和工具软件编写者使用各种服务来有效使用超级计算机环境。a p p l e s 是加利福尼亚大学计算机科学与工程系的网格计算实验室进行的一个研究项目，研究对象是面向应用层的调度，主要目的是实现应用的可重用。e m r o p i ap c 网格计算是一个商业项目，开发桌面软件，提供通过互联网在全球范围内可以获得的无处不在的计算能力。欧洲的欧洲网格、数据网格1 1 2 】是多个国家参加的项目。其中，欧洲网格的基本目标是建立一个给用户提供安全、简单、透明访问欧洲范围内信息资源的平台，服务于欧洲的科学研究，主要从基本技术、网格基础设施、应用开发三方面开展工作。亚洲的亚太网格( a p g r i d ) 是亚洲和太平洋地区网格研究的基础设施，重点放在资源共享、网格技术开发、推广使用等方面。日本n t t 数据公司联合i n t e l 、s g i等，在2 0 0 2 年中期开展了为期6 个月的网格计算试验。该试验还计划连接日本家庭、企业和学术机构的1 0 0 万台p c ，集合处理能力将达到每秒6 5 万亿次浮点运算。另外还有韩国的n g r i d 项目，印度的i - g r i d 网格等。1 2 1 2 国内网格计算研究现状我国从2 0 0 0 年左右开始进行网格技术的研究，目前，我国的网格技术仍然处于探究阶段。已完成的项目有，清华大学承担的先进计算基础设施a c i 工程和中科院计算所承担的国家高性能计算环境n h p c e 项目l l ”。清华大学承担的a c i 工程，目标是把分布在不同地理位置的高性能计算机、仪器、数据库资源等通过高速网络连接在一起，形成一台超级虚拟计算机，用户浙江师范大学硕士学位论文通过a c i 共享资源。中科院计算所承担的n h p c e 项目。目标是建立高性能计算和信息服务的国家战略性基础设旌，为全国范围内各行业和社会大众提供各种一体化高性能的计算环境和信息服务。2 0 0 2 年4 月5 日，科技部召开了“网格战略研讨会”，将网格的研究和应用列为“8 6 3 计划”的一个专项，随后成立了专项专家组。8 6 3 网格专项的主要任务是研制面向网格的万亿次级高性能计算机、具有数万亿次聚合计算能力的高性能计算环境；开发具有自主知识产权的网格软件；建设科学研究、经济建设、社会发展和国防建设急需的重要应用网格；制定若干与网格相关的国家标准，参与制定国际标准，使一批发明专利和软件获得受理和登记，形成自主知识产权。目前正在进行的网格项目还有，国家网格( c n g r i d ) ，织女星网格( v e g a ) ，中国网格( c h i n ag r i d ) 和上海教育科研网格等项目0 4 。中国网格( c h i n ag r i d ) ，其目标是基于教育和科研网的基础，建立聚合能力超过每秒6 万亿次量级的教育科研网格，总的存储容量超过6 0 t b ，节点覆盖1 2所部属高等院校，争取在网格计算的基础研究和应用研究方面走在世界的前列【1 5 j 。另外，国防科技大学开发了一个数据网格平台g r i d d a e n ，可以管理多个分布异构的存储资源的数据，为用户提供统一的数据访i b - j t l 6 1 。1 2 2 g i s 研究现状1 2 2 1 国外g i s 研究现状地理信息系统( g i s ) 的出现是信息技术及其应用发展到一定程度的必然产物旧，它萌芽于上世纪6 0 年代。1 9 6 2 年，加拿大的r o g e ret o m l i n s o n 提出利用数字计算机处理和分析大量有关土地利用的地图数据，并建议加拿大土地调查局建立加拿大地理信息系统( c g i s ) ，以实现专题地图的叠加、面积量算、自然资源的管理和规划等；与此同时，美国的d u a n eem a r b l e 在美国西北大学研究利用数字计算机研制数据处理软件系统，以支持大规模城市交通研究，并提出建立地理信息系统的思想。7 0 年代是地理信息系统走向实用的发展期。美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对g i s 的研究均投入了大量人力、物力和财力。到1 9 7 2 年c g i s全面投入运行与使用，成为世界上第一个运行的地理信息系统：在此期间美国地质调查局开发了5 0 多个地理信息系统，用于获取和处理地质、地理、地形和水资源信息；1 9 7 4 年日本国土地理院开始建立数字国土信息系统，存储、处理和检索测量数据、航空像片信息、行政区划等信息。但由于当时的g i s 系统多数运4第一章绪论行在小型机上，涉及的计算机软硬件、外部设备及g i s 软件本身的价格都相当昂贵，限制了g i s 的应用范围。8 0 年代是g i s 的推广应用阶段。g i s 与卫星遥感技术相结合，开始用于全球性问题的研究。在这一时期，出现了一大批代表性的g i s 软件，如a r c f l n f o 、g e n a m a p 、s p a n s 、m a p i n p o 、e r d a s 、m i c r o s t a t i o n 等，其中a r c i n f o已经愈来愈多地为世界各国地质调查部门所采用，并在区域地质调查、区域矿产资源与环境评价、矿产资源与矿权管理中发挥着越来越重要的作用。9 0 年代为g i s 的用户时代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，g i s 成为了一个产业，投入使用的g i s 系统，每2 3 年就翻一番，g i s 市场的增长也很快。与此同时，g i s 也从单机、二维、封闭向开放、网络、多维的方向发展。1 2 2 2 国内g i s 研究现状我国地理信息系统方面的工作始于8 0 年代初【1 8 1 。地理信息系统进入发展阶段的标志是第七个五年计划的开始，地理信息系统研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用实验和工程建设工作。许多部门同时展开了地理信息系统研究与开发工作。1 9 9 4 年中国g i s 协会在北京成立，标志中国g i s 行业已形成一定规模。九五期间，国家将地理信息系统的研究应用作为重中之重的项目予以支持，1 9 9 6 年，为支持国产g i s软件的发展，原国家科委开始组织软件评测，并组织应用示范工程。这一系列的举措极大的促进了国产g i s 软件的发展与g i s 的应用。1 9 9 8 年，国产软件打破国外软件的垄断，在国内市场的占有率达2 5 。同年，在抽样调查2 5 个省市1 9个行业的1 0 0 0 多个单位中，全部使用了地理信息系统( 秦其明、袁胜元，2 0 0 0 。地理信息系统在资源调查、评价、管理和监测方面，在城市的管理、规划和市政工程、行政管理与空间决策、灾害的评估与预测、地籍管理及土地利用方面，以及在交通、农业、公安等诸多领域得到了广泛的应用。1 3 论文主要研究内容及组织结构本文主要分为6 章：t第1 章论述了论文的研究目的及意义，介绍了网格计算g i s 中的应用的国内外研究现状。第2 章主要介绍网格计算的定义和网格计算的特点，重点阐述了开放网格服务体系结构。第3 章论述了g i s 的构成及功能，介绍了空间信息网格，构造了g r i dg i s浙江师范大学硕士学位论文的四层结构模型。第4 章阐述了w e bs e r v i c e 的体系结构和调用流程，以及利用g t 4 构建网格体系的完整过程。第5 章设计实现了由三台计算机组成的g r i dg i s 实验系统，并在该系统中部署地图合成和最短路径查询两个网格服务。分别调用网格服务，并把运行结果与传统g i s 相比较，总结出g r i dg i s 的优势所在。第6 章对论文进行总结并对进一步要做的研究工作进行分析展望。62 1 网格计算简述第二章网格计算技术2 1 1 网格和网格计算的概念随着计算机科学特别是i n t e m e t 技术的迅速发展，网络上的各种资源信息异常丰富，但也伴随着这种发展出现了各种问题。主要表现在：知识表示、信息组织、软件复用、信息检索等方面。面对网络上海量的信息，如何组织、管理和维护这些信息并让这些信息为人类的生活提供各种服务成为一项重要的研究课题。w 3 c 论坛主席b e m e r s l e e 在2 0 0 0 年提出的语义w e b 的体系结构改变了网络的发展趋势，使得w e b 推理语言具有了一定的表达能力，而o n t o l o g y 作为语义w e b 实现的一种关键技术的出现引起了国内外广大科研人员的关注，并且在很多领域得到了广泛的应用，如信息检索、信息推理和w e b 上异构信息的处理等。网格是借鉴电力网的概念提出来的。人们希望当网络用户接入i n t e m e t 以后，就如同电力用户将插头插入电力网那样接入w a n 、l a n ，可以得到像“随你所需”的电力那样得到计算与信息资源的供应，而不必知道计算机和信息资源来自何处。网格也希望给最终的使用者提供的是与地理位置无关、与具体设施无关的通用的计算能力1 9 】。从狭义上讲，网格被称为计算网格( c o m p u t a t i o n a lg r i d ) 2 0 】，即主要用于解决科学与计算问题的网格，它的资源指的仅是分布的计算机资源。从广义上讲，网格就是一个集成的计算与资源环境，或者说是一个计算资源池。网格能够充分吸纳各种计算机资源，并将它们转化为一种随处可得的、可靠的、标准的同时还是经济的计算能力。狭义“网格观”是以全球网格研究的领军人物、美国阿岗( a 玛o i l t l e ) 国家实验室的资深科学家、美国o l o b u s 项目的领导人i a nf o s t e r 为代表的。2 0 0 2 年7月，i a n f o s t e r 在w h a t i s t h e g r i d ? a t h r e e p o i n t c h e c k l i s t ) ) 一文中，限定网格必须同时满足三个条件：( 1 ) 在非集中控制的环境中协同使用资源；( 2 ) 使用标准的、开放的和通用的协议和接口( i a nf o s t e r 认为目前只有g l o b u s 才算得上标准协议) ；( 3 ) 提供非平凡的服务。而另一些人则赞同广义的“网格观”，并把它称作巨大全球网格( g r e a tg l o b a lg r i d ，g g g ) ，它不仅包括计算网格、数据网格、信息网格、知识网格、商业网浙江师范大学硕士学位论文格，还包括一些已有的网络计算模式，例如对等计算p 2 p 、进化计算等。2 1 ，2 网格的分类及网格计算的目的根据网格的体系结构及目标，网格可以分为计算网格、数据网格及服务网格。计算网格是狭义上的网格，包括分布式超级计算、高性能计算；数据网格是“数据超网”，其目标是开发出新一代速度更快、承受能力更大的数据网格，解决互联网上提供的大量异构数据的共享；服务网格基于第三代互联网技术，其目标是满足任意时空“按需索取”的服务，协同运算及多媒体服务。根据应用的种类及网格计算求解问题的特点，人们又提出了多种名称的网格，如以数据密集性处理为核心的核心数据网格，以解决科学问题为核心的科学网格，以解决全球环境问题为核心的地球系统网格等。此外还有地震网格，军事网格，n a s a ( n a t i o n a l a e r o n a u t i c sa n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n ) 的i p g 等网格。不论是哪一类网格，网格计算的最终目的是要利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一台“虚拟的超级计算机”2 1 ，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、软件资源、存储资源、通信资源、知识资源、专家资源等的全面共享。在网格上做计算，就像下围棋一样，不是单个棋子完成的，而是所有棋子互相配合形成合力完成的。传统互联网实现了计算机硬件的连通，w 曲实现了网页的连通，而网格试图实现互联网上所有资源的全面连通【l ”。中科院计算所李国杰院士认为【2 1 i ：“网格不同于国外正在搞的i n t e m e t2 或下一代i n t e m e t ( n g i ) ，网格可以称作是第三代i n t e m e t ，其主要特点是不仅仅包括计算机和网页，而且包括各种信息资源，例如数据库、软件以及各种信息获取设备等，它们都连接成一个整体，整个网络如同一台巨大无比的计算机，向每个用户提供一体化的服务”。2 2 网格和网格计算的特点网格和网格计算作为新兴技术和其它的系统相比有其自身的特点。i a nf o s t e r在( w h a t i s t l l eg r i d ? a t h r e e p o i n t c h e c k l i s t 一书中提到网格系统具有异构性、可扩展性、可适应性、结构的不可预测性、多级管理域五个特点。我们将其进一步概括为分布性、自相似性、动态多样性、以及管理的多重性等特征，下面对其一一进行介绍说明。2 2 1 分布性和共享性分布性是网格和网格计算的一个最主要的特点。网格的分布性首先是指网格8第二章网格计算技术的资源是分布的。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。因为网格资源是分布的，因此网格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。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；以及人力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【”】。2 2 2 自相似性自相似性在许多自然和社会现象中大量存在，分形模型有一个非常重要的特征就是自相似性。这在一些分形图形中体现得十分直观和醒目。一些复杂系统都具有这种特征，网格也是这样，如图2 - 1 所示。网格的自相似性在网格的构建和研究过程中有重要的意义。国家网格f i g u r e2 - 1n a t i o n a lg r i d图2 - 1 国家网格示意图9其他其他浙江师范大学硕士学位论文2 2 3 动态性和多样性网格的动态性包括动态增加和动态减少两个方面的含义。原来拥有的资源或功能，将来可能会出现故障或者不可用，而原来没有的资源，可能会加入进来。因此，要求网格能够及时采取措旌，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资源之间的通信和互操作问题。2 2 4 自治性与管理的多重性网格的自治性是指网格上的资源，首先是属于某一个组织或者某一个人的，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，网格应该容许资源拥有者对他的资源有自主的管理能力。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 - 3 网格体系结构2 3 1 。网格体系结构的概念网格体系结构包括，对网格基本组成部分及功能的定义及描述、网格各部分相互关系与集成方法的规定、网格有效运行机制的刻画。下面介绍4 种网格体系结构；抽象层次结构、积木块结构、概念空间结构和混合模式结构【l “。( 1 ) 抽象层次结构最具代表性的抽象层次机构是i a nf o s t e r 等人在1 9 9 8 年提出的五层沙漏结构模型。该结构是以“协议”为中心的。强调协议在网格资源共享和互操作中的地位。( 2 ) 积木块结构积木块结构实际上是一种组件结构，它强调的是计算网格中不同的功能模块相对独立。又相互联系的关系。在积木块网格系统中，整个系统的各个部件采用积木式模块方式构建，具有很强的伸缩性。l o第二章网格计算技术( 3 ) 概念空间结构与上面两种体系结构相比，概念空间体系结构的层次特征不够清晰，它强调的是各部分在概念上的关联。这一方法已在元计算系统和数据网格中得到了应用，代理技术和面向对象技术是实现概念关联的主要方法。( 4 ) 混合模式结构混合模式结构就是以上各种结构的有机组合。开放网格服务结构就是具有代表性的一种混合结构。它是在以i b m 为代表的工业界的影响下，基于五层沙漏模型2 2 1 ，在考虑到w e b 技术的发展与影响后，结合w e bs e r v i c e s 而提出的，是目前得到广泛流行和支持的一种混合体系结构。比较重要的网格体系结构现有两个：其一，f o s t e r 等在早些时候提出的以协议为中心的五层沙漏结构；其二，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 ng r i ds e r v i c e s a r c h i t e c t u r e ) 。这是目前应用最广也是最重要的一种网格体系结构，下面将对0 g s a 进行具体介绍。2 3 2 开放网格服务体系结构( o g s a )2 0 0 2 年2 月全球网格论坛g g f 会议上，g l o b u s 项目组和i b m 共同倡议了一个全新的网格标准开放网格服务体系o g s a 。o g s a 把g l o b u s 标准与当前流行的w e bs e r v i c e s 标准结合起来，以w e bs e r v i c e s 的方式对外界提供服务。但网格环境下的服务与w e bs e r v i c e 相比有所区别，称为网格服务g r i ds e r v i c e 。o g s a 是g l o b a lg r i df 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，它已成为实际开发默认的标准【2 3 硐。2 3 2 1o g s a 的目的o g s a 的目的是实现跨组织的分布式异构平台，实现跨管理域的异构资源管理。具体目标包括以下4 个方面彤】。( 1 ) 提供优质的无缝服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s )网格的拓扑结构通常十分复杂，而且网格资源的交互往往是动态的。有一扇很重要，即网格必须提供健壮的后台服务，比如授权、访问控制和委托。( 2 ) 在多个自治管理域间实现网格自治网格可以包含许多资源，还有大量的配置组合、交互以及状态与故障模式醮改变。对于这些资源来说，一些智能自动调节与自治管理方式是必不可少的。( 3 ) 定义开放的、公共的接口o g s a 是一种由g g f 标准团体进行管理的开放式标准。为了不同资源的互浙江师范大学硕士学位论文操作性，网格必须构建在标准接口及协议之上，通过定义一些开放的、公共的接口，为不同用户提供统一服务。( 4 ) 充分利用行业标准的集成技术o g s a 的创始者颇有远见地充分利用了现有信息集成解决方案，将w e bs e r v i c e s 作为o g s a 的基础组件。2 3 2 2o g s a 的基本思想o g s a 最突出的思想是以“服务”为中心，五层沙漏结构是以协议为中心的“协议结构”，而o g s a 则是以服务为中心的“服务结构”。在o g s a 中，服务包括各种计算资源、存储资源、网络程序，数据库等等，简而言之，一切都是服务。( 1 ) 以服务为中心o g s a 定义了“网格服务”( g r i ds e r v i c e ) 的概念【2 6 l 。网格服务是一种w 曲s 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。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。简单地讲，网格服务= 接口，行为十服务数据【1 9 1 。对网格服务体系结构的描述如图2 3 所示。f i g u r e2 - 2f i g u r eo fg r i ds e r v i c e图2 - 2 网格服务示意图在o g s a 中，可以基于简单的、基本的服务，形成更复杂、更高级、更抽象的服务。1 2第二章网格计算技术以网格服务为中心的模型具有以下好处：首先，由于网格环境中所有的组件都是虚拟的( 对相同的接口不同实现的封装) ，通过提供一组相对统一的核心接口，就可以很容易的构造出具有层次结构的、更高级别的服务如图2 - 3 所示，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。高级网格服务网格服务1ii网格服务2ll网格服务3网格服务2 lii网格服务2 2ii 网格服务2 3f i g u r e2 - 3s e r v i c ea r c h i t e c t u r eo fo g s a图2 3o g s a 的服务结构示意图( 2 ) 采用统一的w e bs e r v i c e s 框架f i g u r e 2 - 3w e bs e r v i c e s 提供了一种基于服务的框架结构，一个w e bs e r v i c e i 2 刀，就是一个可以被u r i 识别的软件应用，它的接口和绑定可以被x m l语言描述与发现，并且可以通过基于i n t e r n e t 的协议直接支持与其它基于x m l的软件进行交互。o g s a 符合标准的w e bs e r v i c e 框架。基于w 曲s e r v i c e s 的o g s a 架构口s 】如图2 - 4 所示。圈圉冒固圈圉臣圈 圈f i g u r e2 - 4t h ef r a m e w o r ko fo g s a图2 - 4 0 g s a 的主要架构一w e bs e r v i c e s 解决了发现和激发永久服务的问题。但在网格中大量存在的是临时服务，因此o g s a 必须对w e bs e r v i c e 进行扩展，从而提出了网格服务的概浙江师范大学硕士学位论文念，使得它可以支持临时服务实例，并且能够动态创建、删除它。( 3 ) 突破科学计算领域网格概念和技术开始是用于科学协作中的资源共享，后来人们发现网格对于商业计算来说也是特别重要的，它不仅可以作为一种增强企业能力的方式，而且是一种构造可靠、可扩展、安全的分布系统的主要解决方案。o g s a 将原来主要在科技领域应用的网格技术转移到工商业领域。o g s a 不再只是侧重于科学与技术应用，它的的重点是商业应用，但是它的原则和机制可以同时适用于两种环境。2 4 本章小结网格计算技术是最近才发展起来的新的计算机技术，本章对网格计算的概念、网格的分类以及网格的目的进行了详细的讨论，并深入地研究了网格计算的特点以及现在最普遍也是最重要的开放网格服务体系结构。1 4第三章g i s 与g r i dg i s 技术g i s 是解决空间问题的工具、方法和技术，随着空间信息量的激增，传统g i s 的空间信息处理能力已经不能满足当前技术发展的需求。随着网格技术的产生与发展，基于网格的g i s 也应运而生。本章论述了传统g i s 和网格g i s 的概念并设计构造了g r i dg i s 的四层网格体系结构，最后阐述了g r i dg i s 的主要优势。3 1 g i s 简介3 1 1 g i s 基本概念地理信息系统( 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 ) 顾名思义，是处理地理信息的系统。地理信息是指直接或间接与地球上的空间位置有关的信息，又常称为空间信息。在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少有空间位置参考