基于CNGI的空间数据库分布式管理探讨

1、基于CNGI的空间数据库分布式管理探讨孙贵梅  王亮  王松（中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州,221008；中国测绘科学研究院,北京,100039；徐州市勘察测绘研究院江苏 徐州 221002  ）   摘 要  本文阐述了CNGI技术的发展和特点，针对GIS分布式数据管理系统的发展现状和存在问题，重点分析基于CNGI的GIS数据分布式管理的实现，最后给出了系统的应用分析的内容、评价指标及测试评价方法。 关键词： CNGI(中国下一代互联网)；分布式数据管理系统；GISThe discuss on the d

2、istributed management of spatial data based on CNGISUN Gui-mei , WANG Liang , Wang Song(College of Environment and Spatial Informatics of CUMT, Xuzhou 221008  Chinese Academy of Surveying and Mapping ,Beijing 100039  Xuzhou Geotechnical Investigation & Survey Research Institute ，Xuzhou

3、 221002)Abstract: This paper introduces the development and characteristic of CNGI(China next generation internet ). Thinking about existing problems of the GIS DDMS(distributed data management system), we mainly discuss the advantage, and implementing of GIS DDMS based on CNGI .At last we give out

4、application analysis of the system, the judge standard and the methods.Keywords：CNGI；DDMS ；The geography information system1.    引言  GIS（地理信息系统）是利用基础地理数据信息为各行各业提供空间信息服务的技术。地理信息数据是由矢量、栅格以及航空影像、遥感影像、等各种地图数据以及属性数据构成。通常情况下，GIS基础数据量巨大、数据类型多样化，包括气象、国土资源、电力信息等社会经济生活的各个方面的信息，而且一般都在本地自行维护

5、，具有分布的特性。这样的情况下，对地理信息数据实行集中式的管理是存在很多的弊端的，脱离了数据的生产和维护部门具有地理分布的现实，不利于数据的及时更新和维护，因此实行地理信息数据分布式协同管理的需求日趋突出，传统的集中式的数据库管理模式也逐渐被分布式数据管理模式所代替，在大范围上使用1。GIS数据分布式管理是以分布式计算理论和计算机网络技术为基础, 在计算机网络环境下实现地理数据采集、存储、管理、分析、表现等功能。具体是将若干异地的数据库通过网络连接起来，在逻辑上形成同一个系统，物理上却分散在计算机网络的若干站点上，并且要求网络的每个站点具有自治的处理能力，能执行本地的应用每个站点的计算机还至少

6、参与一个全局应用的执行所谓全局应用，要求使用通讯子系统来在几个站点存取数据其关键技术有数据复制技术、持久缓存、延迟更新和同步技术等。实践证明，数据的分布式管理大大提高了GIS系统的性能，但随着GIS技术的深入发展，更高层次的需求的提出，现在的分布式系统也逐渐地暴露出种种问题：（1）       数据传输速度不够理想，这也是目前分布式数据管理系统存在的主要问题，节点之间数据传输的速度远低于存储设备存取的速度，存在较高的延时问题，处理数据传输和传输信息的代价是昂贵的。（2）     

7、60; 数据安全性、健壮性尚有欠缺，尤其当局部系统出现故障时，数据阻塞、丢失等现象时常发生。（3）       系统大量数据冗余问题，进而导致系统数据一致性问题的出现，目前一般采取延迟更新等技术改进，大大提高了分布式系统的灵活性，但是还不能从根本上解决问题。在这种形式下，我们需要寻找新的方法来解决现存问题，提高空间数据分布式管理系统的整体性能。2.    基于CNGI的空间数据分布式管理随着网络技术的不断发展，已经由基于IPV4的现有网络发展到基于IPv6的下一代互联网，现有网络在地址、带宽、传输速度、安

8、全性等方面都存在着严重不足，其中带宽问题成为测绘信息化发展的一大瓶颈，针对上述问题，世界各国均开展了下一代互联网的研究，中国也于2003年，启动了CNGI（ China Next Generation Internet）建设工程，即中国下一代互联网示范工程，现已建成了覆盖全国的IPv6网。CNGI技术来源于高性能计算和通信倡议，主要解决了网络数据的传输速度问题，传输速率为2.5G10G bit/s，是目前互连网主干网传输速度的十几倍，这就打破了原有的瓶颈，为地理信息实行分布式协同管理提供了有利的基础设施。大大促进了地理信息的网络化和成果的共享性。2.1  CNGI的发展从1998年起

9、，中国教育和科研计算机网CERNET开始了在IPv6等下一代互联网方面的研究工作。建立了国内第一个IPv6试验床，2000年开始了下一代互联网试验网络NSFCNET的建设，实现了与国外下一代互联网Internet2的互联。到2004年, 下一代互联网主干网CERNET2 (第二代中国教育和科研计算机网)试验网正式开通，在全国范围内部署了带宽为1G的IPv6网络，绵延6000公里，以2.5G10G比特/秒的传输速率连接了全国200余所高校,是目前世界上所知规模最大的采用纯IPv6技术的下一代互联网主干网络2,3。CERNET2是CNGI中最大的一个骨干网，也是唯一的学术性主干网。CNGI的核心网

10、络布设如图1所示。图1 中国CNGI核心网络的布设随着CERNET2的开通，CNGI在教育、环境、地震，电信、交通等应用领域的应用研究工作已经开始, 目前已有包括华南理工大学、人民大学、北京理工大学等众多的高校都在开展IPv4/IPv6校园网络的建设，另外移动电话、信息家电、资源信息采集系统、智能家庭网络，地震传感器网络、城市智能交通系统等应用研究也在进行。2.2  CNGI的特点CNGI与现有网络相比较，除了具有高带宽、高速率的优点以外，在地址容量、安全性、网络管理、移动性及服务质量等方面也有明显的改进4,5。（1）     

11、60; 足够的地址空间基于IPv6协议的128位地址长度形成了一个巨大的地址空间。在可预见的很长时期内,它能够为所有可以想象出的网络设备提供一个全球唯一的地址。（2）       内置的安全机制内置的安全性IPSec ( IP安全)，CNGI支持IPSec,并且已经标准化,这就为网络安全性提供了一种基于标准的解决方案。（3）       移动性增强了移动终端的移动特性、安全特性、路由特性，降低了网络部署的难度和投资，用户可以使用同一地址而无需随着地域的变动更换，并提供无缝漫游

12、，非常适合未来的无线上网。（4）       自动配置地址地址的自动配置完成了“即插即用”功能,减少了网络管理的复杂性。（5）       支持Qos通过在IPv6 的基本报头中引入流标记域，为更详细地区分服务质量提供支持，有利于语音、视频等实时业务的开展。总之，采用IPv6 协议的下一代互联网比现在的互联网具有更好的扩展性,并且更安全、更容易为用户提供高质量服务、更灵活地支持地理信息服务。2.3  系统的实现架构现有的分布式GIS系统主要有两种形式：客户机/服务器

13、模式（Client/Server ,简称C/S）和Web浏览器/服务器模式（Browser/Server,简称B/S），在这两种模式中，客户端通常是由和最终用户交互的应用软件系统或浏览器构成，而服务器软件系统为客户端提供服务。随着Web技术和GIS技术的结合，形成基于B/S模式的WebGIS技术，逐渐成为分布式GIS的一个主要应用方向。基于CNGI的GIS数据分布式管理系统良好的网络环境更适合B/S模式结构。它和现有的分布式系统两者根本的不同在于网络环境的改变，进而带来数据传输机制和数据管理关键技术方面的变化，但系统的整体布局和结构在系统架构上可以和现有的分布式系统的架构基本保持一致，物理结构

14、为：在不同地域的不同计算机分别控制本地数据库及各终端用户；每台计算机及其本地数据库组成了全局数据库的一个站点，各站点通过CNGI网连接起来6，如下图所示， 图2 分布式地理信息系统的结构系统的逻辑结构如下图所示：其中，DDBMS 是分布式数据库管理系统，用来支持分布式数据库的建立和维护LDBMS 是局部数据库管理系统，也就是通常的集中式数据库管理系统，用来管理本站的数据                   

15、     图3 GIS数据分布式管理系统的逻辑结构分布式GIS管理系统一般是通过原来集中式平台的基础上进行开发的，空间数据分布式管理的开发平台应该具有以下特点：易于开发；可以独立分发运行；数据库数据安全方便的符号制作与管理工具；提供强大的二次开发功能7。常用的GIS开发平台主要有：ArcGIS、MapInfo、SuperMap等，也可以基于自主开发的平台实现分布式管理。3.    系统的应用分析3.1  分析内容在CNGI上进行地理信息系统的应用，为了验证CNGI的技术优势，需对应用系统的稳定性，运行效率、安全性、

16、兼容性等方面进行测试和分析，旨在提出新的测试指标，找出在CNGI环境下，实现GIS数据分布式管理的优势和系统功能的瓶颈，对总体应用情况进行分析。（1）主要的评价指标：对于GIS应用系统的测试指标主要有：操作响应时间、最大负载、最大数据量、最大数据传输量、不同操作系统的兼容性、系统安全性稳定性等。（2）主要测试内容有：网络测试：网络带宽、网络连接容量、吞吐量、精确度、下载时间以及永远在线的测试。性能瓶颈检测：通过负载检测、监控统计和日志文件等手段，找出GIS运行的主要性能瓶颈，包括CPU、网络、内存、硬盘空间、线程(服务器对象可用性)等方面的检测。 分析影响GIS运行性能的因素：包括网络传输时间

17、、数据库产品性能、服务器性能、系统整体架构、软件平台以及硬件配置等等，在整个请求过程中，影响各个指标的因素有很多，要分析归纳出主要的因素。 分析各个性能指标之间的相互影响关系。（3）测试整理与分析在系统完成测试之后，参考IPv4环境下GIS应用系统的性能指标，对CNGI环境下运行的应用系统的性能测试结果进行对比分析，得出结论，并提出相应的优化方案。3.2  应用方法常用的系统应用分析评价方法有：测量法、分析法以及模拟法等，因为CNGI环境下网络环境复杂，一般采用模拟用户行为的方式测试分析系统的性能。系统性能测试方法采用黑盒测试和白盒测试相结合，另外由于GIS工程特有的系统庞大、系统表

18、述方式复杂、数据量大等特性，对于空间信息交互终端的具体测试，可选择一些自动化测试工具，在实现测试管理流程的同时，能够完成功能测试和性能测试，大大提高测试效率。具体包括以下几个方面的测试：（1） 功能测试：主要验证数据库、链接、表单等每个模块是否能够完成自己的功能，整个软件系统是否能够满足用户的需要以及验证系统功能的实现，通常采用黑盒测试方式。（2） 性能测试：主要验证系统在性能上是否满足客户要求的负载压力和相应的时间、吞吐量要求，主要测试方法有：负载测试、压力测试、速度测试等。（3） 安全性测试：主要验证系统在安全性方面是否满足用户要求，保证系统运行的安全，包含用户名和密码测试、系统超时测试、

19、日志文件测试和脚本测试等。（4） 兼容性测试：主要包括平台、浏览器、安全性等方面的测试。在各种操作系统下对系统进行兼容性测试，以及测试不同厂商、不同版本的浏览器对某些构件和设置的适应性等。3.3  基于CNGI分布式系统的特点通过对CNGI应用优势的分析，基于CNGI的分布式管理与其他分布式系统的优势可以总结为以下几个方面：（1）       CNGI网络2.5G10G比特/秒的传输速率，1G的网络带宽大大增强了分布式系统的可扩展性和规模。支持点对点的传输，不同站点之间的数据传输速度大大提高，有效缓解了分布式系统中数据延时和系统数据一致性的问题。（2）       网络带宽的拓展可以最大可能的使用复制技术，增强独立节点的处理能力，将局部节点故障给