（计算机软件与理论专业论文）基于webgis的ip回溯地理路径展示系统应用研究.pdf

摘要 在网络攻击日益猖獗的今天，口回溯技术对宏观网络攻击具有很强的威慑力。 它追踪出的攻击路径信息可供网络专家研究网络攻击方式、弥补系统漏洞，并做 出应急响应措施。但是口攻击路径信息通常仅对网络专业人员有效，而且数据零 散杂乱，信息不能被有效管理和利用，严重影响了职回溯技术的应用范围。因此， 寻求一种直观、有效的方式，使口攻击路径信息能为普通用户所使用和管理的需 求提上了日程。地理信息系统( g i s ) 融合计算机图形学和数据库技术于一体，能 将属性数据与其对应的地理空间位置有机地结合，实现方式非常直观。随着w e b 技术的发展和普及，g i s 通过i n t e m e t 功能得以扩展，产生了互联网地理信息系统 ( w e b g i s ) ，并成为g i s 发展和应用的主流。故论文着力于研究以w e b g i s 方式 对口攻击路径信息进行有效的管理和展示。 本文主要研究如何在m a p x t r e m e f o r j a v a 开发平台下设计出具有跨平台性、强 扩展性、高性能的“基于w e b g i s 的口回溯地理路径展示系统”。首先阐述了w e b g i s 相关技术，对使用w e bs e r v i c e s 技术进一步开发w e b g i s 进行了探讨。其次结合 口回溯地理路径的特点和要求，对各种w e b 配置模式进行比较分析，设计出瘦客 户端多层模式的系统架构。然后深入探讨了客户端和业务层的关键技术，并实现 了系统应用实例。最后对系统进行了总结并提出进一步需要完善的工作。 关键词：w e b g i s ，m a p x t r e m ef o rj a v a ，i p 回溯，x m l ，o r a c l es p a t i a l a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y sn e t w o r ka t t a c kh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yr a m p a n t i pt r a c e - b a c k t e c h n o l o g yi sap o w e r f u lt o o lt od e f e n dm a c r on e t w o r ka t t a c k , w h i c hc a l lt r a c ko u t n e t w o r ka t t a c kp a t hf r o ms o u r c et od e s t i n a t i o n b a s e do ni pp a t hi n f o r m a t i o n ，n e t w o r k e x p e r t sc a ns t u d yt h ea t t a c km o d e ，m a k eu pt h es y s t e m sl e a k , a n dm a k ea l le m e r g e n t r e s p o n s e g e n e r a l l y ，o n l yn e t w o r kp r o f e s s i o n a l su n d e r s t o o di pa t t a c kp a t hi n f o r m a t i o n t h o s ea t t r i b u t ed a t aw e r es c a t t e r e da n dc h a o t i c , c o u l d n tb em a n a g e da n du s e d e f f e c t i v e l y , s e r i o u s l yr e d u c e dt h ea p p l i c a t i o ns c o p eo fi pt r a c e - b a c kt e c h n o l o g y s oi ti su r g e n tt of i n dam o r ev i s u a la n de f f e c t i v ew a yt h a tc a l lb eu s e db yc o m m o n u s e r 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 sav i s u a l i z a t i o nw a yt h a tc o m b i n e s c o m p u t e rg r a p h i c sw i t hd a t a b a s et e c h n o l o g y ，i n t e g r a t e s a t t r i b u t ed a t aw i t hi t s c o r r e s p o n d i n gg e o g r a p h ys p a t i a lp o s i t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no f w e bt e c h n o l o g y , t h ef u n c t i o no fg i si s e x p a n d e d , a n dt h e ni n t e r a c tg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ( w e b o i s ) c o m e si n t ob e i n ga n db e c o m e st h em a i n s t r e a md u r i n g t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fg i s t h i sp a p e rf o c u s e so nh o wt o e f f e c t i v e l y d i s p l a ya n dm a n a g et h ei pa t t a c kp a t hi n f o r m a t i o nw i t hw e b g i s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sh o wt od e s i g na c r o s s p l a t f o r m ，s t r o n g - e x p a n s i b i f i t ya n d h i g h - p e r f o r m a n c e i pa t t a c k - b a c kg e o g r a p h i cp a t hw e b g i ss y s t e mu n d e rt h e m a p x t r e m ef o rj a v ap l a t f o r m f i r s t l y , t h ep a p e re x p a t i a t e so nc o r r e l a t i v et e c h n o l o g yo f w e b g i s ，a n dm a k e sd e e p e rr e s e a r c ho nh o wt ou s ew e bs e r v i c e st e c h n o l o g yt o d e v e l o pw e b g i s s e c o n d l y , b a s e do nt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i s0 ne a c hw e bd i s p o s i t i o n p a t t e r n s ，t h i sp a p e rd e s i g n st h et h i nc h e n tm u l t i l a y e rp a t t e r ns y s t e mc o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ra n dn e e do fi fa t t a c kp a t h t h i r d l y , i tt h o r o u g h l yd i s c u s s e s k e yt e c h n o l o g i e so ft h ec l i e n ta n ds e r v i c el e v e l ，r e a l i z e sas y s t e ma p p l i c a t i o ni n s t a n c e f i n a l l y ，t h i sp a p e r s u m m a r i z e st h ew h o l ew o r k , a n dp o i n t so u tt h el a t e rw o r k k e y w o r d s ：w e b g i s ，m a p x t r e m ef u rj a v a ，i pt r a c e b a c k ，x m l ，o r a c l es p a t i a l 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：日期：矽口年1 2 - 月歹日 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。 褓鬈慧r 封嚣：物 签名：祭冰峰导师签名：，讹一 第一章引言 1 1 选题依据及研究意义 第一章引言 自八十年代以来，i n t e m e t 得到了迅猛的发展，每天全世界都有成千上万的主 机连入i n t e m e t ，其网络规模急剧膨胀，形成了宏观网络，而且i n t e r n e t 己经成为 人们生活和整个社会基础设施的重要组成部分。然而伴随着i n t e m e t 的繁荣，网 络攻击事件开始频繁发生，安全问题己经成为严重制约网络发展特别是商业应用 的主要问题，直接威胁着国家和社会的安全【。 现有的网络安全机制在不同程度上提高了网络的安全性，但没有考虑到对网 络攻击的源地址进行追踪定位的问题【2 】。口回溯技术是一种对网络攻击的源地址 进行追踪定位的技术，它用于追踪数据包在通信子网中从源端到目的端的传输路 径，能追踪出真正的口源地址，并重构出近似的网络攻击口路径1 3 1 。判定网络 攻击者的源地址信息是对网络攻击进行快速自动应急响应的基础，对于防御宏观 网络中大范围分布式网络攻击和提高宏观网络的抗攻击能力具有重要意义【4 】。 但是，传统工作方式中，m 回溯技术所获得的极其重要的口攻击信息只是 一系列的纯属性数据，信息仅对网络专业人员有效，而且数据零散杂乱，时间一 久，会形成冗余庞杂的数据集，数据不易有效管理，也不易合理利用，对下一步 分析攻击者的攻击方式，弥补系统漏洞并作出必要的应急响应措施工作起不到有 效的作用嘲。通常情况下，实时的口攻击信息只能交给熟知网络或整个系统的专 家来作出相应处理，历史的口攻击信息因没有事件背景则不再具有任何意义，而 且面对庞大的口攻击信息，管理人员也显得力不从心旧。 因此，寻求一种更为有效的方式，使攻击路径属性信息以直观、可视化的方 式展现，并与它的空间位置信息结合，使其能对攻击信息进行有效的管理、查询、 统计、分析，为监管部门及下一步的应急响应提供快速有效的决策支持，且使之 能为普通用户所接受的需求提上了日程。国内外的网络安全专家也越来越关注如 何使攻击路径信息能够为网络攻击的抓捕和防范提供有效的显性数据和信息用， 而不再成为无用的数据。 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 ，简称g i s ) 是融合计算机图 电子科技大学硕士学位论文 形和数据库于一体，用于存储和处理空间信息的高新技术，它能将空间中某一地 理位置和其相关属性有机地结合起来，并具有对其相关属性数据进行存储、维护、 更新、查询、检索等功能。借助空间数据库对空间几何数据管理的支持，g i s 可 以把传统的数据带入到可视化空间，通过图形形式进行可视化查询分析，采用图 文并茂的方式，将数据形象直观、丰富多彩地呈现出来，实现数据、地图和思维 的完美结合，为用户展示出空间的位置信息及其属性信息的有机联系，用户可以 借助其独有的空间分析功能和可视化表现功能，方便快捷地查询所需要的信息。 i n t e r a c t 技术以及w e b 技术的发展和普及扩展了g i s 的应用范围和服务范围， 产生了网络地理信息系统( w 曲g i s ) ，它具有标准的规范性，广泛的适应性和灵 活的扩充性。从w w w 的任意一个节点，i n t e r n e t 用户都可以浏览w e b g i s 站点 中的空间数据，并进行各种空间检索和空间分析，真正成为大众的工具。 本研究课题提出了将m 回溯系统与w e b g i s 结合起来的方案，是由四川省新 型计算机应用技术重点实验室承担开发的宏观网络安全预警与应急响应信息系 统项目所引出的相关子课题，项目来自国家计算机网络与信息安全管理中心。 基于w e b g i s 的m 回溯地理路径展示系统不仅是w e b g i s 应用领域的拓宽， 而且为网络安全决策提供了一种崭新的、可视化的网络攻击路径信息处理方式， 且更好地提供了网络安全的监控。此方式不仅可以将被攻击者到攻击者之间的反 向通路数据在实际的地图上展示出来，做到实时报警、实时展示，而且可以总结 一定时期内各地区的攻击报警情况，有针对性地采取打击和抑制攻击者的措施， 与以往的管理方式相比，成本低、效率高、操作简单、应用广泛、可移植易扩展。 该系统具有很好的应用前景。可以部署在公安等网络安全监督、管理、执法 部门，用于追踪网络攻击和网络罪犯、间谍、邪教组织等非法网络使用者，并对 其非法活动进行审计和取证；部署在网络管理、维护部门，则用于对网络运行状 况进行实时监测。如果能结合信息安全领域的实际需求，则更能体现本方案的应 用价值。 1 2w e b g i s 现状和优势 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 ，简称g i s ) 是6 0 年代提出并 逐渐发展起来的一种采集、存储、管理、分析和输出各种地理信息的信息系统。 它以数字化的形式反映人类社会赖以生存的地球空间的现状和变迁的各种空间数 2 第一章引言 据以及描述这些空间数据特征的属性，以模型化的方法来模拟地球空间对象的行 为。在计算机软、硬件的支持下，它以特定的格式支持数据的输入输出、存储、 显示，是进行地理空间信息查询、综合分析、辅助决策的有效工具用。 g i s 在发展过程中，经历了单计算机g i s 局域网g i s 广域网g l s i n t e r a c t 超媒体网络w e b g i s 的连续发展过程。 网络地理信息系统( w 曲g i s ) 指在i n t e r a c t 或i n t r a n e t 网络环境下采用了 w w w 协议的一种兼容、存储、处理、分析和显示与应用地理信息的计算机信息 系统，它是一个交互式的、分布式的、动态的地理信息系统。由于h t r p 协议采 用基于b s 的请求，应答机制，具有较强的用户交互能力，而传统的g i s 大多数为 独立的单机系统；w e b g i s 利用i n t e r a c t 来进行客户端和服务器之间的信息交互， 这就意味着信息的传递是全球性的；w e b g i s 是一个分布式系统，用户和服务器 可以分布在不同地点和不同的计算机平台上。 美国u c g i s 协会将分布式g i s 列为今后g i s 发展的十个主要方向之一， u c g i s 认为基于i n t e m e t 的g i s 是近期分布式g i s 发展的主要目标嗍。 近年来w e b g i s 已经成为g i s 发展和应用的主流方向，在网络分析、资源管 理、决策支持、城市规划和管理、地籍管理以及可视化等方面都发挥了重大作用。 w e b g i s 不但具有传统g i s 的所有特性，而且与传统地理信息系统相比，它 还具有以下四个优点： ( 1 ) 更广泛的客户访问范围。客户可以同时访问多个位于不同地方的服务器 上的最新数据，而i n t e m e t i n t r a n e t 所特有的优势大大扩展了g i s 的数据管理能力， 增强了对空间数据管理的时效性。 ( 2 ) 客户端平台独立性无论客户机是何种操作系统，只要支持通用的w e b 浏览器，用户就可以访问w e b g i s 数据。 ( 3 ) 更简单的操作。要推广g i s ，使g i s 系统为广大的普通用户所接受，而 不仅仅局限于少数受过专业培训的专业用户，就要降低对系统的操作难度。通用 的w e b 浏览器无疑是降低操作复杂度的最好选择。 ( 4 ) 平衡高效的计算负载。传统的g i s 大都使用文件服务器结构的处理方 式，其处理能力完全依赖于客户端，效率较低。而当今一些高级的w e b g i s 能充 分利用网络资源，将复杂的处理交由服务器执行，而对简单的操作则由客户端直 接完成。这种计算模式能灵活在服务器端和客户端之间合理分配处理任务，从而 提高网络计算资源的利用效率。 w e b g i s 的出现以及应用都有着势不可挡的前景，它的主要目标是【8 】： 3 电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 大众普及化。随着网络的迅速普及，越来越多的人依赖网络获取信息， 处理事务。g i s 抓住网络这一日益发展的“第四媒体”，扩大了它的应用领域，将 g i s 软件与w e b 服务器集成，通过普通浏览器，用户可以在任何地方操纵网络 g i s ，享用地理空间信息服务，从而将g i s 扩展成为公众服务系统，同时可以拓 宽地图出版渠道，降低数据散发成本。 ( 2 ) 数据分布。随着网络的发展和g i s 用户的增多，地理信息资源也分布 在不同的领域，归不同的用户管理。地理信息资源是一个庞大复杂的数据源，如 果集中在一个站点是不太现实的。因此，系统要适应这种分布式数据的环境，能 够使得g i s 用户通过网络访问分散在不同站点的数据和数据处理服务，同时还能 维持系统的一致性以及平衡这种访问的网络负载。 ( 3 ) 资源共享。g i s 应用范围在进一步扩大，为实现地球资源和信息的共享， g i s 需要不断“开放”，建立面向用户的，资源共享的开放式g i s 。这里主要是指 地理及属性数据的开放性。w e b g i s 应用支持用户通过网络实时获取不同应用系 统中的地理信息，避免冗余数据存储，实现地理空间数据的共享。 ( 4 ) 互操作性。互操作性是指不同的g i s 软件部件或软件系统能够由于异 构数据和异构处理环境所带来的分布式地球资源存取障碍而进行相互操作。g i s 软件的互操作大通过规范而获得的，即g i s 软件开发者通过遵从一系列通用的规 则开发各自的软件来获得互操作性。 1 3 研究内容及本人工作 该课题主要解决在i n t e r a c t 条件下，如何实现根据口路径中节点的网络地址 ( 口回溯技术在安全预警过程中重构出的) 转换成相对应的具体的地理地址，并 实现在w e b g i s 平台上的可视化；如何实现地理信息的查询，实时攻击数据的报 警、传递、展示，电子地图的基本操作以及系统用户管理和系统安全配置等功能。 主要研究内容如下： ( 1 ) w e b 技术与g i s 相关技术。 学习研究了g i s 的基础知识和技术以及空间分析和空间数据库等；阐述了 x m l 技术如何应用在w e b g i s 上；在前面的基础上重点讨论了w e b g i s 相关技术， 包括w e b g i s 原理及实现技术、w e b g i s 的构造模型、体系结构等，并对使用w e b s e r v i c e s 的一些规范和技术开发分布式互操作的w e b g i s 进行了探讨。 4 第一章引言 ( 2 ) 网络安全相关知识，包括网络攻击及防御技术，重点探讨了口回溯这 种重在威慑的防御技术，目前的婵回溯技术有采用固定标记概率的基本包标记方 法、自适应的标记策略、分块包标记方法、基于单包的口回溯方案c i p m 、基于 重叠概率包标记策略等。 ( 3 ) w e b g i s 开发平台、工具比较分析 目前，国内外g i s 软件厂商纷纷开展了w e b g i s 软件的研究和应用开发，比 较有代表性的有m a p l n f o 公司的m a p x t r e m e ，e s r i 公司的a r c l m s 和m a p o b j e e l s i m s ，i n t e r g r a p h 公司的g e o m e d i aw e b m a p 等，在比较、分析研究各软件优缺点 的基础上，指出了m a p x t r e m ef o rj a v a 具有跨平台性、可移植性等优越性，且基 于企业j 2 e e 体系架构，能很好地满足用户的需求。 ( 4 ) m a p x t r e m ef o rj a v a 开发w e b g i s 的技术 了解了m a p x t r e m ef o rj a v a 开发w e b g i s 的工作原理、体系结构，并学习了 m a p x t r e m e f o r j a v a 各组件的作用和使用，研究了m a p x t r e m e f o r j a v a 是如何支持 x m l 协议的以及m a p j 的a p i 结构状况，并对m a p x t r e m ef o rj a v a 的三种w e b 配置模式进行了分析比较，对采用瘦客户端的系统实例如何保证系统的性能和安 全进行了研究。 ( 5 ) 空间数据的存储以及m x t j 地图定义技术 结合o r a c l es p a t i a l 以及空间数据和m a p x t r e m e 地图定义的特性，研究了如 何利用地图定义m d f 实现对地图数据的存储、管理、加载、修改，以及x m l 表 示、存储地理数据的方式和作用，并对其中的关键技术进行了详尽阐述。 本人的主要工作是： ( 1 ) 负责w e b g i s 系统b s 架构整体方案的分析及架构设计，设计了基于 m a p x t r e m ef o rj a v a 平台的口回溯地理路径w e b g i s 展示系统的整体结构； ( 2 ) 组织、管理地图空间数据，设计地图属性数据表； ( 3 ) 构建了与客户端和w e b 服务器、地图数据库进行交互的g i s 服务器； ( 4 ) 设计了基于m a p x t r e m ef o r j a v a 的网络图形客户端的界面、功能与结构； ( 5 ) 利用j a v a 语言、j d b c 、j a v a s e r i p t 、j s p 和s e r v l e t 等技术实现了w e b g i s 服务器和客户端的主要功能。 1 4 组织结构 5 电子科技大学硕士学位论文 本论文由以下几个部分组成： 第一章是绪论，阐述了选题依据、研究意义、w e b g i s 的现状及优势。明确 了论文研究内容、本人工作以及论文组织结构； 第二章在学习g i s 基本知识的基础上，分析了w e b g i s 与g i s 开发方式、图 形传输方式的不同，对w e b g i s 的主要实现技术、w e b g i s 图形数据传输方式、 x m l 技术以及g i sw e bs e r v i c e s 进行了详细阐述和介绍； 第三章首先对目前流行的w e b g i s 开发工具软件进行比较分析，指出了 m a p x t r e m ef o rj a v a 开发w e b g i s 的优越性，然后研究分析了m x t j 平台实现 w e b g i s 的原理、配置模型、相关函数以及关键技术； 第四章在前面的基础上，给出了基于w e b g i s 的口回溯地理路径展示系统的 设计方案，主要包括系统功能需求、系统体系架构模型设计、数据库设计以及服 务器层的相关技术等； 第五章主要是基于w e b g i s 的口回溯地理路径展示系统的实现，描述了系统 的体系结构和环境配置，给出了客户端实现及一些关键业务逻辑的实现，并对系 统实现的主要功能进行了阐述。 第六章是结论，总结了论文完成的主要工作，指出进一步需要做的工作和对 系统进一步的构想。 6 第二章w e b g i s 相关技术 第二章w e b g i s 相关技术 w e b g i s 是w e b 技术和g i s 技术相结合的产物，是利用w e b 技术来扩展和 完善地理信息系统的一项新技术。它具有g i s 数据采集、存储、管理、查询、分 析、显示基本功能，具有和g i s 相同的地理基础，具有和g i s 相同的数据输入及 获取方式等。由于m 1 甲协议采用基本的请求膻答机制，具有较强的用户交互能 力，可以传输并在浏览器上显示多媒体数据，而g i s 中的信息主要是需要以图形、 图像方式表现的空间数据，用户通过交互操作，对空间数据进行查询分析。这些 特点，使得人们完全可以利用w e b 来寻找他们所需要的空间数据，并且进行各种 操作。w e b g i s 与g i s 的不同之处主要有：它必须是基于网络的客户机服务器 系统，而传统的g i s 大多数为独立的单机系统；它利用因特网来进行客户端和 服务器之间的信息交互，这就意味着信息的传递是全球性的；它是一个分布式 系统，用户和服务器可以分布在不同地点和不同的计算机平台上。 w e b g i s 涉及到在网络( i n t e m e t i n t r a n e t ) 环境下，地理信息( 图像、图形和 与此相关的文本数据) 的模型、传输、管理、分析、应用的理论与技术。作为地 理信息系统的一种发展趋势，w e b g i s 无论是在理论研究，还是在应用方面都已 经有了一定的基础并处于不断的发展中。 2 1w e b g i s 主要构造模型 w e b g i s 是一个建立于i n t e r n e t 之上的开放式网络应用系统，它具有标准的规 范性，广泛的适应性和灵活的扩充性。因此，客户端用户不仅能共享g i s 服务器 端先进的软硬件资源，而且可以通过网络方便地访问和发布信息资源。 虽然实现w e b g i s 的方法有多种，但其基本体系构成却是客户机服务器模式。 传统的g i s 系统一般是采用集中模式，而w e b g i s 的基本体系构成即为客户机 服务器( c s ，c l i e n t s e t t e r ) 模式，它是一种分布式系统结构，客户机服务器模 式基于简单的请求，应答协议，即客户端向服务器提出信息处理的请求，服务器端 接收到请求并将请求解释后，根据请求的要求执行相应操作，并将操作结果传递 回客户端1 9 。目前，将服务器分解形成数据服务器和应用服务器，形成三层结构， 7 电子科技大学硕士学位论文 这样可以更好地区分数据访问操作和应用模型，是w e b g i s 经常采用的一种结构。 c l i e n tw w w s e r v e r 图2 - 1 典型的工作模型图 图2 - 1 为典型的w e b g i s 工作模型图。这种体系前端是浏览器，后端为服务 器，服务器端包括w e b 服务器以及数据库服务器两部分。客户机与w e b 服务器 间的通讯采用标准的h t l 3 a ( 超文本传输协议) ，而w e b 服务器与数据库服务器 间的交互操作则采用c g i 、j d b c 或a p i 等方式。在这种三层结构下，浏览器为 大多数终端用户远程资源访问提供了统一的接口，浏览器端工作量大大减少，主 要集中为对用户操作请求的提出和结果的显示，服务器端则集中了解决用户请求 实现所需的功能。 按照浏览器和服务器端功能的多少，体系结构以划分为瘦客户机胖服务器和 胖客户机瘦服务器两种【9 1 。如图2 2 所示的是一种“瘦客户端胖服务器”的策略： 客户端基本不含g i s 功能，只将客户端与服务器相连并显示出所需的结果；而在 服务器端，完成了几乎所有的g i s 处理功能，且在w e b 服务器端有以下几种方法 实现g i s 与w e b 的连接：c g i 、w e b s e r v e r a p i 、s e v e r l e t 、a s p j s p 。 图2 - 2 “瘦客户端，胖服务器”的工作模型 而“胖客户端瘦服务器”结构如图2 - 3 所示。比较图2 - 2 而言，“胖客户端 瘦服务器”结构中g i s 客户端从简单的文档获取发展到更多的交互式的应用；包 8 第二章w e b g i s 相关技术 含了所有的实现g i s 应用处理功能的构件；采用了h t m l 、c g i 、j a v a s c r i p t ，增 加了用户接口的能力；而g i s 服务器只负责数据库中数据的存取操作。 图2 - 3 “胖客户端瘦服务器”的w e b g l s 工作模型 由于客户对应用服务器的访问频率的增加，单一的服务器和复杂的应用程序 无法快速处理大量的地理信息服务需求。中间件技术可以对这一问题进行改进。 如果w e b g i s 应用是建立在分布式数据库上，中间件技术可以使服务器端的g i s 应用也是分布的，从而增强服务器端的处理能力和速度。基于中间件技术的 w 曲g 1 s 模型如图2 4 所示。 相互调用的g i s 多层中间件 h g i s 数据库1 客户端1 g i s 应用中间件k 1 浏览器甚 i g i s 应甬中间件i g i s 应用中间件卜一 叫g i s 数据库 图2 - 4 基于中间件技术的w e b g l s 模型 基于中间件技术的w e b g i s 具有以下特点：在该结构中，g i s 应用服务器 是由多个中间件组成的分布式的多个进程。进程所访问的地理数据库也可能由 分布式的异质数据库取代单个的数据库。w 曲服务器负责复杂数据的统计、分 析和计算，而数据库服务器则负责数据的存储和管理。用户的请求由中间件处 理，中间件采用复杂的调用关系，一个进程是另一进程的用户，同时又为其他进 9 电子科技大学硕士学位论文 程提供服务。 但是多层网络结构体系仍存在一些不足：在复杂的数据计算、分析和统计中， 常常会用到很多的模型。如果这些模型都装在w e b 服务器上，提供给用户访问， 将会造成网络的传输阻塞，给网络带来很大的负担。因此，复杂的数据计算、分 析和统计功能应该分担到拥有模型库的不同计算机中。 2 2w 曲g i s 实现技术 实现地理信息的网上浏览的主要问题在于，目前普通浏览器不支持矢量图形， 而g i s 离不开图形，所以要实现w c b g i s 就需要提供一种方法，使浏览器能支持 矢量图形。目前各家公司提供了多种解决方案，从大的方面来说，可以分为两条 技术路线，一种是在客户端来解决，一种是在服务器端来解决。前者通过加入插 件或控件，在客户端扩展浏览器的功能，使得原本不支持图形的测览器支持矢量 图形，并提供方法和属性来改变显示的状态，后者是在服务器端提供相关软件， 实现矢量图形向w e b 浏览器支持的图像格式的转换，然后传送到客户端显示，客 户端的一些请求则通过公共网关接口、a s p 或j s p 来提出。 由于应用于i n t e r a c t 上的技术层出不穷、不断更新，使得w e b g i s 的实现技 术也呈现出多样性。当前w e b g i s 的实现技术主要有【1 0 】：通用网关接口技术 表2 - 1w e b g i s 实现技术比较 技术类型 优点缺点 c g i客户端小；处理大型g i s 操作分网络传输和服务器的负担重；同步 析的功能强，充分利用服务器现多请求问题；j p e gmg i s 是客户 有资源。端操作的唯一形式。 s e r v e ra p i不像c g i 那样每次都要重新启需要依附于特定的w e b 服务器和 动，其速度较c g i 快得多。计算机平台。 p l u g - i n 服务器和网络传输的负担轻，可需先下载安装到客户机上；与平台 直接操作g i s 数据，速度快。和操作系统相关。 j a v aa p p l e t与平台和操作系统无关；实时下g i s 数据的保存、分析结果的存储 载进行，无需预先安装；g i s 操和网络资源的使用能力有限：处理 作速度快，服务器和网络传输的较大的g i s 分析任务的能力有限。 负担轻。 第二章w e b g i s 相关技术 ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ，c g i ) 、服务器应用程序接口技术( s e r v e r a p i ) 、插 件技术( p l u g - i n ) 、a c t i v e x 技术、动态服务器网页( a c t i v es e r v e rp a g e ，a s p 或 j s p ) 以及j a v a j a v a a p p l e t 技术等。各种技术之间的比较如表2 - 1 所示。 2 3w e b g i s 图形数据传输方式 地理信息多涉及空间信息，以图形来表现最为直观，在g i s 中图像按其内部 数据结构可分为：栅格结构和矢量结构。在w e b g i s 中应用的图像根据功能结构 也可分为：栅格图形和矢量图形1 1 1 】。 ( 1 ) 栅格( 图形) 结构 在栅格结构模型中，空间被规则地划分为栅格( 通常为正方形) 。地理实体的 位置和状态使用它们占据的栅格的行、列来定义的。每个栅格的大小代表了定义 的空间分辨率，故栅格模型最小单元与它表达的真实世界空间实体没有直接的对 应关系，这也形成了栅格模型的不精确性。栅格数据模型中的空间实体单元不是 通常概念上理解的物体，它们只是彼此分离的栅格。例如：道路作为明晰的栅格 是不存在的，栅格的值才表达了路这个实体。在栅格数据结构情况下，地图数据 以g i f 或j p e g 的图像格式传输到客户端。用户在图像上移动鼠标时，程序只能 得到鼠标的屏幕坐标位置，然后将其返回给服务器处理。服务器根据屏幕坐标计 算出地图上的实际位置并确定用户正在操作或选中的空间特征或对象( 如一个点， 一条线或一个多边形) ，然后完成用户指定的操作，并将结果以图像的形式返回。 例如在地图上做查询操作时，用户在某一地物上单击鼠标并希望得到该地物的名 字和相关属性，而且希望该地物改变颜色或和亮度以示选中，实际的系统反应是： 客户端程序得到鼠标的屏幕坐标，传送到服务器，服务器计算出该点在地图上的 实际位置，查询到包含该点或距离该点最近的空间特征，改变该特征的显示颜色 或和亮度，生成一幅新的图像，将该图像传送回客户端，最后客户端显示该图像。 ( 2 ) 矢量( 图形) 结构 在矢量结构模型中，现实世界的要素位置和范围可以采用点、线、面表达， 与它们在地图上表示相似，每一个实体的位置是用它们在坐标参考系统中的空间 位置( 坐标) 定义。地图空间中的每一个位置都有唯一的坐标值。这种表现方式 使得地图中的空间实体与要表达的现实世界中的空间实体具有一定的对应关系， 同时也有较高的精确性。以矢量图形的形式传输地图数据时，客户端得到的是真 1 1 电子科技大学硕士学位论文 正的矢量数据，而不是一幅图像。用户在图形上移动鼠标时，在客户端即可实时 地判断出所指的是哪一个点、线或多边形。因此在客户端可以非常快地响应用户， 能够执行非常复杂的操作( 如放大、缩小、移动，等等) 而没有任何时间延迟。 ( 3 ) 两种图形数据结构的比较： 栅格数据结构的优缺点有：数据结构简单，现势性较强，便于空间分析与 地表模拟；数据量大，投影变换较复杂；由于栅格数据结构表达地理实物时 的不确定性与不精确性，当客户端浏览器中显示的是栅格图形时，不能在本地直 接对图形进行空间属性位置相关的操作( 如放大、缩小、漫游、测距等) ，而是通 过图形作为一种显示中介，把客户端的操作请求传输到服务器上，再将服务器响 应后的结果以图形方式返回给客户端。这种方式使客户端的每一操作都需要服务 器的参与，加重了服务器的负担，且增加了网络流量。 矢量数据结构的优缺点有：数据结构紧凑、冗余度低，有利于网络和检索 分析，图形显示质量好，精度高；数据结构复杂，多变形叠加分析比较困难； 当客户端的图形为矢量结构时，因为矢量图形的特性，可以在客户端浏览器上 进行一些基本的空间属性位置相关的操作( 如放大、缩小、漫游、测距等) 。这种 方式大大减少了服务器的负荷，且减少了网络流量；基于矢量图形的产品能支 持基于空间特征的数据库查询，对于属性数据浏览十分方便，且响应时间剐1 1 】。 2 4x m l 技术及其在w e b g i s 中的应用 传统的w e b 语言是被广泛使用的h t m l ( h y p e t e x tm a r k u pl a n g u a g e ，超文 本标识语言) ，随着w e b 上信息类型的日益增多，其不利于表现地理空间数据的 弊端也逐渐暴露出来，w 曲g i s 由此而而临的一些技术难点也不易解决。面对这 些问题和国际信息化融合的潮流，x m l 将是w e b g i s 适应数字地球的发展和要 求、提高自身实际应用能力的解决之道。 x m l 是可扩展标记语言( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 的简称，它定义了结 构化表达数据的标准格式。x m l 是w 3 c ( w o r dw i d ew e bc o n s o r t i u m ) 为适应 i n t e r a c t 的发展、解决上述技术难点而推出的新型w e b 语言，是i s o ( 国际标准 化组织) 所制订的s g m l ( s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e ，通用语言标识 标准) 的一个子集。它并不是类似于h t m l 的预定义的标识语言，而是用于定义 其他标识语言的一种元语言【1 2 1 。 1 2 第二章w e b g l s 相关技术 一个完整的x m l 主要包括四个要素：x m l 文档、文档类型定义d t d ( d o c u m e n tt y p ed e f i n i t i o n ) 或x m l 大纲( s c h e m a ) 、层叠样式表c s s ( c a s e a d i n g s t y l es h e e t s ) 或可扩展的样式语言x s l ( e x t e n s i b l es t y l el a n g u a g e ) 、可扩展链 按语言x l i n k ( e x t e n s i b l e l i n k l a n g u a g e ) 或x m l 指针语言x p o i n t e r ( x m l p o i n t e r l a n g u a g e ) 。d t d s c h e m a 规定了x m l 文件的逻辑结构，定义了x m l 文件中的 元素、元素的属性以及元素与元素属性之间的关系；c s s ) 【s l 是用于规定x m l 文档具体样式的语言；x l i n k x p o i n t e r 将进一步扩展目前w e b 上已有的简单链接。 由于x m l 具有良好的数据存储格式、可扩展性、高度结构化、便于网络传 输等特点，x m l 原则上可以被应用于任何w e b g i s 的解决方案，可以在其中发挥 数据表现、交换和均衡负载等重要作用。 ( 1 ) x m l 可应用于将同一地理信息数据以不同的面貌展现给不同的用户。 由于x m l 的内容和表现分离，x m l 的文档中只包含描述信息的结构及其内 容，而并不描述它的外观。因此可以根据w e b g i s 客户端实际的需要，对数据进 行个性化和多样化的展示。显示x m l 数据的主要工作由x m l 的解析器来完成， m i c r o s o f t 的i n t e r a c te x p l o r e r5 0 ，n e t s c a p e 的n a v i g a t o r6 0 等浏览器已经可以对 x m l 进行解析。x m l 在w e b g i s 客户端的具体展现形态由s t y l e s h e e t ( 样式表) 来决定，同一份x m l 文件可以引用不同的多个样式表，且会得到不同的显示效 果，同一个样式表可以被多个x m l 文件引用。x s l 是x m l 的样式表语言，用 以将x m l 转换成网络可识别的各种语言页面，例如h t m l 页面等。 ( 2 ) x m l 可应用于w e b g i s 客户需要与不同的g i s 数据源进行交互时。 通过x m l 可以对复杂的地理信息加以规范化定义和描述，并且在万维网上 进行数据的传输及有效的访问。有了x m l ，w e b g i s 用户就可以像管理本地数据 一样在i n t e r a c t 上管理远程数据，从而使万维网成为具有更大交互性和互操作性 的媒体，为实现空间数据网络服务。空间数据和模型的管理应当采用三层服务模 型和虚拟数据库技术。资源与环境资源往往存在于不同的数据库，有着各自不同 的复杂格式，使用x m l ，用户得以通过一种标准语言与这些数据库交互；x m l 可