（大地测量学与测量工程专业论文）基于gml的网格gis空间数据互操作研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 网格地理信息系统是在传统地理信息技术的基础上继承和发展。 建设网格地理信息系统环境，面临的主要问题是空间数据在地理位置 上的分布性，数据模式和数据存储方式的异构性。构建空间数据集成 服务，解决空间数据分布异构性所带来的难题，为分布式的异构空间 数据提供统一的访问接口，则是建立基于网格环境的空间信息决策系 统的关键技术。而利用g m l 对现实世界进行描述，可将空间信息的表 现与内容分离开来，而且利用g m l 模式转换规则构造空间数据应用模 式到g m l 模式的映射，可有效解决异构空间数据集成。 本文作者较系统全面的对网格环境下的数据互操作方法进行了 理论分析，通过比较分析当前国内外的数据互操作方法的现状，指出 基于g m l 和s o a p 的数据互操作方法为较优的一种方法，并进行重点研 究：在分析了基于g m l 和s o a p 协议的空间数据互操作方法的基础上， 将空间数据互操作与网格服务相结合，在研究理论的基础上构建了面 向服务的空间数据互操作体系结构，并研究了空间数据服务的虚拟化 问题。在上述理论分析基础上，针对空间数据异构性的特点，对空间数 据互操作中的网格服务进行设计。在这一方案中，涉及到应用g m l 规 范建立统一的模型，并将异构空间数据建立到统一g m l 模式的映射来 解决空间数据集成问题，在文中根据具体的建模实例进行分析论证。 最后，通过一个具体的网格环境下的数据集成实例对这一互操作方法 进行验证。 关键词网格，网格地理信息系统，空间数据集成，g m l ，空间数据互 操作，s o a p 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eg r i dg i si n h e r i t sa n dd e v e l o p si nf o u n d a t i o no ft h e t r a d i t i o n a l g e o g r a p h yi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t h ep r i m a r yp r o b l e mt o c o n s t r u c t g r i dg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m e n v i r o n m e n ti st h e d i s t r i b u t i v i t y o fs p a t i a ld a t ai nt h eg e o g r a p h i c a l p o s i t i o n a n dt h e i s o m e r i s mo fd a t ap a t t e r na n dd a t as t o r a g ew a y t oc o n s t r u c ts p a t i a ld a t a i n t e g r a t i o ns e r v i c e ，s o l u t et h ed i f f i c u l tp r o b l e mo fs p a t i a ld a t aw h i c h d i s t r i b u t e di s o m e r i s mb r i n g sa b o u t ，a n dp r o v i d et h eu n i f i c a t i o nc o n n e c t i o n f o rt h ed i s t r i b u t i o n a li s o m e r i s ms p a t i a ld a t at ov i s i ta r ek e yt e c h n o l o g i e s f o rt h ee s t a b l i s h m e n tb a s e do nt h eg r i de n v i r o n m e n ts p a t i a li n f o r m a t i o n d e c i s i o nm a k i n gs y s t e m t h u su s i n gg m lt od e s c r i b et h er e a lw o r l dc o u l d s e p a r a t es p a t i a li n f o r m a t i o n sp e r f o r m a n c ef r o mt h ec o n t e n t ，m o r e o v e r u s i n gt h eg m l s c h e m at r a n s l a t i o nr u l et os t r u c t u r et h em a p p i n go f s p a t i a l d a t a a p p l i c a t i o np a r e mt o g m ls c h e m ac a ne f f e c t i v l ys o l u t e t h e i s o m e r i s mo fs p a t i a ld a t ai n t e g r a t i o n t h ea u t h o r r e s e a r c h e st h em e t h o do f s p a t i a l d a t a i n t e r o p e r a b i l i t yu n d e r t h eg r i de v i r o n m e n tt h r o u g ht h ea n a l y s i so fp r e s e n t s i t u a t i o no fc u r r e n ts p a t i a ld a t ai n t e r o p e r a b i l i t ym e t h o d ，a n df i n a l l y f i g u r e so u tt h a tt h em e t h o do fs p a t i a ld a t ai n t e r o p e r a b i l i t yo fg r i dg i s b a s e do ng m la n ds o a pt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mi st h eb e t t e rp l a n ；t h e a u t h o ri n t e g r a t e st h es p a t i a ld a t ai n t e r o p e r a b i l i t yw i t ht h eg r i ds e r v i c ea n d r e a s e a r c h e st h ev i r t u a l i z a t i o no fs p a t i a ld a t a s e v i c eb a s e do na n a l y z i n gt h e m e t h o do fs p a t i a ld a t ai n t e r o p e r a b i l i t yo fg r i dg i sb a s e do ng m la n d s o a pt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s ma n dc o n s t u c t st h es e r v i c e o r i e n t e ds p a t i a l d a t ai n t e r o p e r a b i l i t ys y s t e m o nt h eb a s eo fa n a l y z i n ga l lt h ea b o v et h e o r y a n da i m sa tt h ei s o m e r i s mo fs p a t i a ld a t a ，t h ea u t h o rd e s i g n st h es p a t i a l d a t ai n t e r o p e r a b i l i t y sg r i ds e r v i c eb a s e do ng m la n ds o a p t h i sp l a n i n v o l v e se s t a b l i s h i n gu n i f i e dm o d e l ，b a s e do ng m ls t a n d a r da n ds o l v i n g t h ep r o b l e mo fi n t e g r a t i o no fs p a t i a ld a t at h r o u g hm a p p i n gi s o m e r i s m s p a t i a ld a t at ot h eg m lp a t t e r n t h ea u t h o ra c t sa c c o r d i n gt ot h ec o n c r e t e m o d e l l i n ge x a m p l et oc a r r yo nt h ea n a l y s i sp r o o f i nt h ea r t i c l e f i n a l l y , t h e a u t h o rc a r r i e do nt h ec o n f i r m a t i o nt ot h i si n t e r o p e r a b i l i t ym e t h o dt h r o u g h ac o n c r e t ee x a m p l eo fd a t ai n t e g r a t i o nu n d e rg r i de n v i r o n m e n t i i 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s g r i d ，g r i d g i s ，i n t e g r a t i o no fs p e c i a ld a t a ，g m l ，s p a t i a l d a t ai n t e r o p e r a b il i t y , s o a p i i l 中南大学硕十学位论文图表索弓 图表索引 图2 1 电力网与网格的组成对比9 图2 2 网格的分布性1 0 图2 3 五层沙漏结构1 3 图2 4 网格服务示意图1 4 图2 5o g s a 的服务结构示意图1 5 图3 1s o a p 工作示意图2 0 图3 2 空间数据集成服务框架2 l 图3 3 互操作示意图2 2 图3 4 基于直接数据访问的数据互操作方法2 4 图3 5 基于公共接口的数据互操作方法2 5 图3 6 面向服务的数据互操作体系结构2 8 图3 - 7 虚拟化空间信息服务模型2 9 图4 - 1g m l 3 0 对象模型：3 2 图4 - 2 基于中间件的网格g i s 体系结构3 3 图4 3 基于g m l 的空问数据互操作3 4 图4 - 4 基于g m l 的空间数据互操作框架3 5 图4 5g r i d g m l 设计框架3 7 图4 - 6s o a p 模型图3 9 图4 - 7 空间数据消息包到s o a p 消息的映射关系4 0 图4 - 8 客户与服务器的请求响应序列4 3 图4 - 9 包含记录区块的d i m e 消息4 5 图4 - 1 0 空间网格服务的功能互操作过程4 8 图4 一1 1 空间数据网格服务的对象设计图5 0 图4 1 2g e t f e a t u r e 方法的实现流程5 1 图4 - 1 3 客户端调用网格服务实现数据互操作5 2 图5 - 1g m l 建模框架5 7 图5 2g m l 建模框架5 8 图5 - 3 简单道路6 0 图5 - 4 公路网络u m l 模型6 1 图6 1 校园空问信息集成服务结构6 3 v l 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：丝日期： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 日期：驷年上月日 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究背景、目的与意义 1 1 1 本文的研究背景 网格是继万维网之后出现的一种新型网络计算平台，其目的主要是为用户 提供一种全面共享包括网页在内的各种资源在内的基础设施。通过这种基础设施， 用户不需要知道这个基础设施上资源的具体细节就可以使用自己需要的资源。网 格把分布的资源集成为一台能力巨大的超级计算机，提供计算资源，数据资源，信 息资源，知识资源，专家资源，设备资源的全面共享。资源共享是网格的根本特征， 消除资源孤岛是网格的奋斗目标。 在g i s 领域应用网格技术，能够实现空间数据的充分共享，可以消除传统g i s 建设中出现的信息孤岛，从而提高空间信息的利用效率，对于促进g i s 的广泛应用 有着深远的意义。 网格地理信息系统是在传统地理信息技术的基础上继承和发展，建设网格 地理信息系统环境，面临的主要问题是空间数据在地理位置上的分布性，数据模式 和数据存储方式的异构性构建空间数据集成服务，解决空间数据分布异构性所带 来的难题，为分布式的异构空间数据提供统一的访问接口，则是建立基于网格环境 的空问信息决策系统的关键技术。 解决异构空间数据集成的关键是数据互操作。g i s 互操作是在分布式计算 和异构空间数据库的情况下出现的，对g i s 系统来说，系统要能够彼此实时安全的 获取和处理对方异构空间数据库中的数据；对用户而言，用户能够方便地查询需 要的信息，并且能够方便地使用各种不同类型和格式的数据；对信息管理者来说， 他们要能够很好地管理信息，并且将资源充分地提供给用户。由于空间信息表达 和处理方式上的复杂性，g i s 领域对g i s 互操作还有着不同的理解。e s r i 作为 g i s 领域的引领者，一直是g i s 互操作的积极支持者，它认为g i s 互操作是在开放 计算环境中定位和获取空问数据和服务的能力。g o o d c h i l d 等在书中也从理论，分 布式环境建模及系统开发三个角度全面地探讨过g i s 互操作，强调了g i s 互操作 的两个重要问题： 1 如何互操作异构的空间信息； 2 如何互操作空间信息服务软件。 i s o t c 2 “认为：g i s 互操作是g i s 自由交换各类空间信息的能力以及通过 网络协同地运行操作这些空间信息的软件的能力。因此，g i s 互操作不但强调空 中南大学硕十学位论文第一章绪论 问数据的相互透明的访问，而且强调空间处理和分析方法的共享。 本文就是研究在网格环境下，如何解决空间数据异构性问题，实现空间数据 的充分共享。针对这一问题，对网格环境下的空问数据互操作方法作重点研究探 讨。 1 1 2 研究目的与意义 地理信息系统的网络化发展方向，必然体现出它的异构性和分布性，从而也 导致了异构系统间需要互操作和共享。地理信息系统互操作由低到高可以概括为 三个层次：数据互操作，功能互操作和语义互操作。数据互操作是地理信息系统互 操作的最低层次，是从数据的角度考虑互操作，是数据的共享与集成，强调数据集 间相互透明的访问；功能互操作强调系统功能模块之间的相互调用与协作；语义 互操作强调信息的共享，在一定的语义约束下的互操作。 目前的空间信息平台众多，各自采用的空间数据格式和存储策略不同，导致 共享困难，信息不流通等现象，传统的空间信息集成采用格式众多的空间数据通过 中间功能组件集成并转换成任一格式这种方案可造成不同部门要选择不同的数 据格式，开发不同的工具来完成多种格式的转换，组件开发难度大，成本高。由于空 间数据应用中涉及到海量的空问数据，系统间的空问数据共享和互操作也就成了 基本的问题。 近年来，基于g m l 的空间数据互操作方法得到了广泛的应用，主要是g m l 对地理空问数据进行编码和存储是基于x m l 的标准，它提供了一个开放的框架， 使得空问数据可以在这个规范上进行数据的交换与互操作。同时，借助网格技术 不但可以实现空间数据的集成，还可建立起空间数据操作的网格服务体系，可更有 效的解决空间数据集成问题。 利用g m l 对现实世界进行描述，将空间信息的表现与内容分离开来，而且可 以利用g m l 模式转换规则构造空间数据应用模式到g m ls c h e m a 的映射，有效解 决异构空间数据集成。本文则在此基础上重点研究基于g m l 和s o a p 传输机制 的网格g i s 空间数据互操作方法，可有效解决异构空间数据的集成问题。 1 2 国内外研究现状 网格的发展经历了萌芽阶段，早期试验阶段和迅速发展阶段，目前正处于迅 速发展阶段，网格研究，开发和应用项目大量涌现出来。网格计算也在广泛领域得 到推广和应用。d a v i d 等人把网格按技术发展的顺序分为三代： 第一代网格大致是1 9 9 5 年以前的网格，这个时期的网格都是把超级计算机 节点连接起来，性能应用提供计算资源。典型代表是f a f n e r 和i - w a y 两个项目， 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 这两项目主要是解决通信，资源管理和远程数据管理方面的问题。 第二代网格大致在1 9 9 5 年到2 0 0 0 年，典型代表是g l o b u s ，l e g i o n 等项目，这 个时期的网格主要是解决网格的异构性，可扩展性，适应性等问题，同时也非常重 视网格的安全性。这个阶段，g l o b u s 项目丌发的工具集对网格的研究和发展起了 显著的推动作用。 第三代网格就是2 0 0 0 年以后，典型代表就是万维网服务和开放的网格服务 结构( o g s a ) 。w 曲服务是面向商业领域的计算框架，主要包括简单对象访问协议 ( s o a p ) ，w 曲服务描述语言( w s d l ) 和统一集成，描述和发现规范，获得了业界的普 遍认可。网格在这个阶段的特点就是面向服务的架构，一切以服务为中心。 而目前国内外对于网格环境下的空间数据互操作方法研究可以归纳为以下 三种主要的方法： 1 、基于直接数据访问模式的互操作方法 直接数据访问是指在一个g i s 软件中实现对其它软件数据格式的直接访 问，用户可以使用单个g i s 软件存取多种数据格式。直接数据访问不仅避免了 繁琐的数据转换，而且在一个g i s 软件中访问某种软件的数据格式不再要求用 户拥有该数据格式的宿主软件，更不需要该软件运行。直接数据访问提供了一种 更为经济实用的多源数据共享模式。 直接数据访问同样要建立在对要访问的数据格式的充分了解的基础上，如 果要被访问的数据的格式不公开，就非破译该格式不可，还要保证破译完全正确， 这样才能真正与该格式的宿主软件实现数据共享。如果宿主软件数据格式发生变 化，各数据集成软件不得不重新研究该宿主软件数据格式，提供升级版本，而宿 主软件的数据格式发生变化时往往不对外声明，这会导致其它数据集成软件对于 这种g i s 软件数据格式的数据处理必定存在滞后性。如果要达到每个g i s 软件 都要与其它g i s 中的空间数据库进行互操作的目的，需要为每个g i s 软件开发 读写不同g i s 空间数据库的接口函数，这一工作量是很大的。如果能够得到读 写其它g i s 空间数据库的a p i 函数，则可以直接用a p i 函数读取g i s 数据库中 的数据，减少开发工作量。 2 、基于公共接口的数据互操作方法 为了使不同的地理信息系统之间能够实现互操作，一种最理想的方法是通 过公共接口来实现。接e l 相当于一种规范( s p e c i f i c a t i o n ) ，它是大家都遵守并且达 成一致的统一标准。在接口中不仅仅要考虑到数据格式、数据处理，还要提供对 数据处理应该采用的协议。各个系统通过公共的接口相互联系，而且允许各自系 统内部数据结构和数据处理可以互为不同。 为了规范地理信息系统互操作的方法、模式与协议，1 9 9 6 年在美国成立了 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 开放地理信息系统联盟( o g c ，o g i sc o n s o r t i u m ) ，现在有几十个国家的2 0 0 多个 成员，包括软件技术公司、硬件技术公司、政府机构、大学以及重点实验室、企 业集成系统、销售商、图像信息产品制造商等。开放地理信息系统联盟主要研究 和建立丌放式地理数据互操作规范( o g i s ，o p e n g e o d a t ai n t e r o p e r a b i l i t y s p e c i f i c a t i o n ) 。o g i s 是为了寻找一种方式，将地理信息系统技术、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更加有效地结合起来。换句 话说，它主要是在传统地理信息系统以及未来的高带宽的异构地学处理环境中架 起一座桥梁。o g i s 的主要目标是使用户能开发出基于分布计算技术的，标准化 的公共接口，将地理空间数据和地理信息资源完全集成到主流计算中，并且实现 交互式的商品化的地理数据处理和地理数据分析的软件系统，并使之在全球信息 基础设施上得到广泛的应用。具体而言，它是为了给应用丌发者提供o g i s 的规 范及实现规范的技术手段，并且通过体系结构，应用开发者提供o g i s 的地理数 据处理的开发工具、中间件、软件构件：并且将已有的工具和数据库实施封装， 使得用户能在一种分布及协作的方式下方便地获得地理数据和地理数据处理服 务，以及其它地理应用，完成具体的应用任务。 通过c o m c o r b a s q l 的接口规范制定统一的接口函数，不同的g i s 软件 之间可以直接访问彼此的空间数据，有两种可能的实现方式，一种是g i s 系统的数 据操纵接口直接采用公共接口函数；另一种是当g i s 系统已经定义了自己的数 据操纵接口函数( 即私有接口函数) 时，为了实现数据互操作的目的，将私有接口函 数包装为公共接口函数。 3 、基于g m l 的数据互操作方法 由于c o m c o r b a s q l 简单要素实现规范的实际应用并不理想，而近几年， x m l 和w e b 服务技术正成为构建异构、跨平台软件系统的主流技术，o g c 与 i s o f r c 2 1 l 进一步协调推出了基于x m l 和w e b 服务技术的一系列实现规范，包 括网络地图服务( w m s ) ，覆盖描绘服务( c p s ) ，网络要素服务( w f s ) 、网络覆盖服务 ( w c s ) 、网络对象服务( w o s ) 等空间数据服务和描绘服务规范以及用于空间数据 存储与传输的地理标记语言g m l 等。 为有效解决异构空间数据的集成问题，本文重点研究基于g m l 和s o a p 传 输机制的网格g i s 空间数据互操作方法。在查阅了大量国内外的参考文献，并联 系具体实例进行分析验证的基础上，对具体如何解决网格g i s 环境下空间数据异 构性这一问题进行了主要的研究。通过分析当前空间数据互操作方法的现状，进 一步的研究了基于g m l 的数据互操作方法，并对基于g m l 和s o a p 的空间数据 互操作的网格服务进行了设计。 4 中南火学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本论文的研究内容及创新点 1 3 1 本论文组织结构 本论文在查阅了大量国内外的参考文献，并联系具体实例进行分析验证的基 础上，对具体如何解决网格g i s 环境下空间数据异构性这一问题进行了主要的研 究通过分析当前空间数据互操作方法的现状，进一步的研究了基于g m l 的数据 互操作方法，并对基于g m l 和s o a p 的空间数据互操作的网格服务进行了设计 主要组织结构如下： 第一章：绪论 指出了网格g i s 空间数据互操作研究的背景，研究的目的与意义，分析了国内 外研究的现状。 第二章：网格基础概述 对网格中涉及到的一些基本概念进行了阐述，对网格的内涵，目的及主要特点 三个方面进行了介绍其中通过将网格的结构与电力网的结构作类比，更简明深刻 的分析了网格的目的，结构和内涵；并介绍了网格中比较常用的两种体系结构：五 层沙漏结构和开放式网格服务体系结构( o g s a ) 。 第三章：网格环境下的空间数据互操作 在第二章介绍了网格中的一些基础概念和常用的体系结构的基础上，本章指 出在网格环境下面临的主要问题是空间数据在地理位置上的分布性，数据模式和 数据存储方式的异构性。为了解决这一异构性带来的难题，构建空间数据集成服 务，则需要为分布式的异构空间数据提供统一的访问接口。 本章还重点介绍了网格中的空间数据集成的核心：空间数据互操作。通过对 当前空间数据互操作中面临的一些关键问题及相应的实现方法现状的分析指出 采用s o a p 协议引导和启动空间数据访问服务，从空问数据库管理系统中实时读 取空间对象，并将空间数据转换为g m l 格式的方法最为常用，并对这种方法的体 系结构和虚拟化服务进行分析。 第四章基于g m l 的空间数据互操作 通过上一章的分析得出。基于g m l 和s o a p 协议的空间数据互操作方法也就是 采用s o a p 协议引导和启动空间数据访问服务，从空间数据库管理系统中实时读 取空间对象，并将空间数据转换为g m l 格式的方法是最为常用的空间数据互操 作实现方法。本章则分别对这一方法中的g m l 和s o a p 协议进行分析阐述。 针对基于g m l 和s o a p 协议的空间数据互操作实现方法，本章还重点介绍了 简单对象访问协议s o a p 中涉及到的一些关键技术及基于s o a p 消息的空间数 据互操作过程。以三维数据为例设计了符合s o a p 协议3 维空间数据消息包。最 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 后还结合前述的方法对基于g m l 和s o a p 协议的空间数据互操作中网格服务进 行了设计。 第五章地理标志语言建模 通过前一章的分析介绍可知实现空间数据互操作需要将空间数掘转换为统 一的g m l 格式。这就需要建立不同格式的空间数据与统一的g m l 模式的映射。 因而本章对应用g m l 建立统一的空间数据模型方法作了重点阐述，还详细分析 了g m l 的建模规则，并引用一个道路网络模型实例来进行分析阐述。 第六章一个基于网格应用的空间数据互操作模拟实例 通过前文对网格g i s 环境下空间数据互操作方法的分析和阐述，本章主要是 通过一个具体的数据互操作的实例进行对上述方法的验证。其主要思想是把大学 校园中各个部门的数据按照网格的原理集成统一起来，以单一门户的方式提供给 用户，构建了一个校园空间信息服务平台，设计了其体系结构及功能模块。 第七章全文总结与展望 对本文的研究内容作总结，指出研究过程中存在的问题以及日后要进一步研 究的问题。 1 3 2 本文研究的主要创新点 本论文主要是针对解决空间数据异构性这一问题进行分析，阐述，讨论。所以 首先在分析大量实际情况的基础上提出问题，然后比较分析当今网格g i s 环境下 的空间数据互操作方法，重点研究基于g m l 的空间数据互操作方法。在这一方 案中，涉及到应用g m l 规范建立统一的模型，并将异构空间数据建立到统一g m l 模式的映射来解决空问数据集成问题最后，通过一个具体的网格环境下的数据集 成实例对这一互操作方法进行验证，本文主要创新点表现在： l 、本研究在选题上就体现出创新性。网格技术是- - 1 7 较新的技术，目前研究 还只是停留在理论研究阶段，在网格应用方面着手进行研究存在着创新性； 2 、本研究较系统全面的对网格环境下的数据互操作方法进行了理论分析， 通过比较分析当前国内外的数据互操作方法的现状，指出基于g m l 和s o a p 的数 据互操作方法为较优的一种方法，并进行重点研究，课题的研究内容较详细、具体 与全面； 3 、本研究在分析了基于g m l 和s o a p 协议的空问数据互操作方法的基础 上，将空间数据互操作与网格服务相结合，在研究理论的基础上构建了面向服务的 空间数据互操作体系结构，并研究了空间数据服务的虚拟化问题。在上述理论分 析基础上，针对空间数据异构性的特点，对空间数据互操作中的网格服务进行设计， 这是本文的一大创新； 4 、本研究通过大量的背景分析、基础研究与技术方法探讨，结合实际需求， 6 中南大学硕+ 学位论文 第一章绪论 构建了一个基于网格应用的实例，将大学校园中各个部门的数据按照网格的原理 集成统一起来，以单一门户的方式提供给用户，建立一个校园空问信息服务平台， 由于研究条件和硬件设施的局限性，平台只是在理论基础上进行了功能模块的构 建，具体功能实现还有待闩后进一步的研究。此平台的模拟构建是在原有普通 g i s 平台基础上的创新。 7 中南大学硕士学位论文第二章网格基础概述 2 1 网格的概念 第二章网格基础概述 “网格”是一个新出现的概念，代表了一种技术和基础设施，是继i n t e r n e t 之后又一次重大的科技进步。 2 1 1 网格的内涵 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 充分吸纳各种计算资源，并将它们转化成一种随处可得的、可靠的、标准的同时 还是经济的计算能力。除了各种类型的计算机，这里的计算资源还包括网络通信 能力、数据资料、仪器设备、甚至是人等各种相关的资源。 基于网格的问题求解就是网格计算。这里给出的网格和网格计算的概念是相 对抽象的，而且是广义的定义，其实网格计算还有狭义的定义。狭义网格定义中 的网格资源主要是指分布的计算机资源，而网格计算就是指将分布的计算机组织 起来协同解决复杂的科学与工程计算问题。狭义的网格一般被称为计算网格 ( c o m p u t a t i o n a lg r i d ) ，即主要用于解决科学与工程计算问题的网格【1 1 。 2 1 2 网格的目的 网格是借鉴电力网的概念提出来的，网格的最终目的是希望用户在使用网格 计算能力时，就如同现在使用电力一样方便。我们在使用电力时，不需要知道它 是从哪个地点的发电站输送出来的，也不需要知道该电力是通过什么样的发电机 产生的，不管是水力发电，还是通过核反应发电，我们使用的是一种统一形式的 “电能 。网格也希望给最终的使用者提供的是与地理位置无关、与具体的计算 设施无关的通用的计算能力。图2 - 1 是对电力网和网格组成的简单对比示意图。 2 1 3 网格的特点 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， 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，而不是集 8 中南人学硕士学位论文第二章网格基础概述 电力网构成示意图 网格组成示意图 图2 1 电力网与网格的组成对比【2 l 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。 9 中南大学硕十学位论文 第二章网格基础概述 图2 - 2 网格的分布性 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，安到专 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。 如图2 2 所示，一个问题的求解需要从a 和b 两个不同的地方获取得数据， 然后将这些数据送到专门的机构c 进行数据的分析和处理，对于处理后的结果， 需要进一步在d 处通过实验进行验证，并利用e 处的高级可视化设备进行结果 显示，而问题最终得到的结果可能是在f 处进行公布。这一问题求解过程涉及到 了a ，b ，c ，d ，e ，f 六个不同的地方，边些地方有可能相距千万里之遥，甚至有些时 候还需要一些移动设备的介入，这些都说明了网格的分布性特征。 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。 2 、白相似性 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的 十分直观和醒目。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。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章网格基础概述 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 而己；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，整体和部分之问必然有不同的地方。 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 下一时刻可能就会出现故障或者不可用；而原来没有的资源，可能随着时问的推 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。 网格资源的动态刻七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施， 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、兼容性等几个方面。一 开始网格的规模往往不是特别大，不需要也种了能一步到位，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。 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 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。 中南大学硕十学位论文 第二章网格基础概述 2 2 网格的体系结构 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式或方法，刻画了支持网格 有效运转的机制。 f o s t e r 将网格体系结构定义为“划分系统基本组件，指定系统组件的目的与 功能，说明组件之间如何相互作用的技术”。和我们的定义相比，这一定义强调 的是组件与组件之间的相互作用，而我们的定义还要求说明各个部分如何集成为 一个整体以及通过何种机制实现整体的功能，这在设计网格时是必须考虑的问 题。 2 2 1 五层沙漏结构 五层沙漏结构是由f o s t e r 在早些时候提出的网格体系结构，它的影响十分广 泛，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拉j 。 如图2 - 3 所示，在五层沙漏结构中，最底层是构造层，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。 构造层上面是连接层，主要是为下层的物理资源提供安全的数据通信能力， 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。 连接层上面是资源层，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 解决多个资源之间的问题。 最上面的应用层和资源层的距离最远，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。 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，以及日志等。 、 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 1 2 中南人学硕士学位论文 第二章网格基础概述 是多种多样地，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【2 1 。 图2 - 3 五层沙漏结构 2 2 2 开放式网格服务体系结构 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 l g 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，被称为是下一代的网格结构。本文即是在此结构基础上 对空间数据互操作的网格服务进行设计。开放式网格服务结构的主要特点如下： 1 、以服务为中心的模型 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”。这里的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，十分有利于灵活的、一致的、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。 中南大学硕士学位论文第二章网格基础概述 服务数据的访 问显式撤销 软状态生命周 绑定特性 一町靠激活 认证 图2 - 4 网格服务示意图 标准 接口 通知 一授权 一服务 创建 服务 注册 管理 并发 为了使服务的思想更加明确和具体。0 g s a 定义了“网格服务”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、通知博问题。 在0 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。 简单地说，网格服务= 接口行+ 服务数据。图2 - 4 是对网格服务的简单描述。 与五层模型一样，在o g s a 中也非常重视互操作性，但是从服务的观点， o g s a 将互操作性问题转化为两个子问题，即定义服务的接口和识别激活特定接 口的协议。五层模型是按照支持虚拟组织组件互操作的协议耍求来构造的，更多 的体现出一种解剖学的特点，而o g s a 强调的是与协议消息相对应的服务，侧 重于实体表现出来的行为特征，即特定对象的生理机能。 以网格服务为中心的模型具有如下好处：l 、由于网格环境中所有的组件都是 虚拟的( 这里的具体含义是指对相同接口不同实现的封装) ，因此，通过提供一 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( 如图2 5 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。2 、虚拟化也使得将多个逻辑资源 实例映射到相同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 1 4 中南大学硕+ 学位论文 第二章网格基础概述 现，可以以底层资源组成为基础，在虚拟组织中进行资源管理。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之上。 图2 - 5o g s a 的服务结构示意图 2 、统一的w e b s e r v i c e 框架【2 1 w e bs e r v i c e 的定义是这样的：一个w