(1.中國礦業大學 環境與測繪學院, 江蘇 徐州 221116;2.中國科學院 地理科學與資源研究所 資源與環境信息系統國家重點實驗室,北京100101)
摘 要:
Grid_GIS是一個采用SOA(serviceoriented architecture)思想,支持多應用領域功能集成的網格GIS系統。系統采用一種超級P2P的網格體系結構,實現數據和功能資源的分布式存儲、查詢處理和動態數據集成;根據領域本體知識和推理機制,實現基于語義的智能查詢;基于標準的Web服務,應用推模式,實現資源的有效監視;根據系統的狀態和任務之間的通信關系,采用成本約束的自適應調度算法,實現系統的動態調度和負載平衡;采用WSSecurity擴展實現網格的安全,既可以保證網格的安全性又可以實現與其他平臺的兼容。最后,基于LAN做了一個數據共享和轉換的實驗系統,驗證了系統的可行性和有效性。
關鍵詞:網格地理信息系統; 對等網絡; 任務調度; 領域本體; 空間數據
中圖分類號:TP303 文獻標志碼:A
文章編號:10013695(2008)12376505
Grid GIS system for multidomain dynamic functions integration
LIU Wei1,2, GU Hehe1,ZHANG Hairong1, YU Jinsongdi1
(1.School of Environment Science Spatial Information, China University of Mining Technology, Xuzhou Jiangsu 221116, China;2.National Key Laboratory of Resources Environmental Information System, Institute of Geographic Science Natural Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)
Abstract:Grid_GIS was an SOA based grid GIS system for data and function sharing in multiple application domains. Grid_GIS adopted a super P2P architecture to realize the distributed storage, query processing and dynamic data integration.According to domain ontology knowledge and reasoning rules, realized the semanticsbased intelligent query. Based on standard Web services, it using push mode to realize the resources monitoring. According to the system state and the communication between tasks, adopted cost constraints adaptive scheduling algorithm to realize dynamic scheduling and loading balance. Utilized the WSSecurity expansion to realize the grid security, guaranteed the grid security and realized with other platform compatibility. At last, made a data sharing and transformation experimental system based on LAN, tested the system’s feasibility and effectiveness.
Key words:grid GIS; peertopeer(P2P); task scheduler; domain ontology; spatial data
0 引言
20世紀90年代以來,隨著計算機技術和網絡技術的發展,GIS的應用廣泛而深入,建立了一大批應用地理信息系統。然而,傳統的地理信息系統是以系統為中心,不同系統之間相對孤立。由于長期積累下來的各種信息資源被置于異構的地理信息資源支撐環境中,數據共享與服務共享困難,形成信息孤島,導致了空間數據資源的浪費、空間數據重復建設和系統集成困難等問題。這就要求GIS必須實現以系統為中心向以數據為中心,實現空間數據共享與服務的轉變[1]。
Web服務技術使得服務具有靈活的體系結構,能夠在系統之間實現互操作。但是面對計算密集型或者數據密集型的應用,會遇到一些問題。例如海量分布式空間信息的搜索和處理缺乏計算力;大量用戶的并發訪問,缺乏有效集群和負載不均衡;多用戶協同空間操作的能力弱等[2]。
網格計算[3]的出現為GIS服務領域解決這些問題帶來了希望。網格的根本特征并不是它的規模,而是資源共享,消除了資源孤島。這種開放透明的共享資源模式決定了網格與地理信息系統結合的必然性[4]。通過共享資源、協作及并行計算,網格技術可以集成計算能力,提供有效集群和負載均衡,支持多用戶空間操作的協同,解決GIS服務中的諸多問題。因此,基于網格的GIS研究對于探索GIS服務以及未來互聯網環境下GIS的發展具有非常重大的意義。
目前與網格GIS有關的研究和開發還處于起步階段。最具代表性的工作有美國國家科學基金會(NSF)創建的用來簡化對有價值資源和可視化資源訪問的網格TeraGrid[5]和微軟公司建立的全球最大可伸縮地圖集TerraServer[6]、ESRI公司基于GIS服務概念開發的G.net、英國和全球天文學家創建的促進天文數據科學集成的AstroGrid[7]、歐洲DataGrid的WP9[8]組件、美國阿貢國家實驗室主導開發用來大尺度數據共享和分析的EarthSystemGrid(ESG)[9]以及由中國科學院中國遙感衛星地面站重點實驗室和清華大學計算機系主導開發的中國空間信息網格等。其他的一些研究主要集中在其體系結構[10~13]和關鍵技術[10,11,13~16]等方面。但是,已有的工作大多是針對特定的應用領域,對于GIS服務的支持很少。目前已有的針對GIS功能的網格服務,由于網格環境內空間數據資源的不確定性和動態性(如存在哪些滿足用戶需求的資源需要實時發現;異構數據資源的同構化規則事先無法預測等),不支持空間信息語義服務,對于用戶的請求往往無法回答或作出不正確的回答。
本文基于OASIS(Organization for the Advancement of Structured Information Standards)的WSRF規范,采用面向服務的思想,基于超級P2P框架結構,構建了一個面向多領域并支持動態功能集成的網格GIS系統——Grid_GIS,目的是在網格環境下,借用網格的高效處理能力,為分布、自治、異構的數據資源的有效管理、動態數據集成和分析處理等提供一個良好的使能環境,透明地為用戶按需提供服務。本文主要討論支持分布數據資源管理的體系結構和超級P2P框架結構、多領域的資源管理(監視和調度)、數據資源的查詢處理與集成優化等,并基于LAN做了一個數據共享和轉換的實驗系統,給出了實驗驗證。
1 基于Web服務的網格GIS體系結構
早期的網格體系結構研究,為了簡化網格應用的開發,許多研究工作是基于網格中間件。典型的工作有Legion[17]、Condor[18]、UNICORE[19]等。但是,由于不同網格中間件系統的核心協議具有獨立性,使基于不同中間件系統的網格應用難以互操作,網格功能也難以擴展。近年來,隨著Web 服務技術的快速發展和應用,特別是2001 年,Foster等人提出了開放的網格服務體系架構(open grid service architecture, OGSA)[ 20,21],基于Web服務的網格體系結構已得到學術界和產業界的廣泛認可。考慮到空間數據以及GIS功能需求的動態性,本文基于Web服務和P2P技術給出了網格GIS的體系結構(圖1),有助于解決網格GIS研究所面臨的應用集成、資源共享、系統互操作和標準化等問題并可以充分利用網格內的分布資源,提高網格的效率。
基于Web服務和WSRF規范將各種GIS資源包裝為grid服務并對外提供資源數據,然后注冊于元數據倉庫(metadata warehouse);基于JXTA(juxtapose)構建super P2P框架結構;采用XML為查詢語句的映射。各主要服務組件功能如下:
a)節點協調與管理(nodes coordination and management)。所有管理節點組成超級P2P結構。根據領域本體知識,節點上存儲著相應的資源定位元信息,節點之間相互影響,并保存著各自的路由信息。
b)查詢處理(query processing)。基于領域本體知識,擴展為全局請求語義,并分解為全局子模式,實現基于語義的快速查詢。
c)資源監測(resource monitoring)。利用WSRF規范的WSResource Properties組件和WSNotification服務通告機制,使用標準的方法獲取網格節點的狀態信息。
d)執行調度(execution scheduler)。根據系統狀態和任務間的通信關系動態分配系統中的負載,采用分布式調度算法,更好地實現系統的動態負載平衡。
e)網格安全(grid security)。本文使用 WSSecurity 擴展來實現網格的安全性,通過使用這種Web服務標準可以實現與其他平臺的兼容性。
f)網格門戶。用戶通過網格門戶提交請求,并通過門戶可視化處理結果。
2 帶有超級節點的P2P結構
P2P對等網絡結構是目前分布式系統的典型支撐結構,也是Grid_GIS的首選框架結構。然而由于純P2P結構和混合P2P均有明顯的缺點[22],借鑒文獻[23],本系統采用帶有超級節點P2P結構(圖2)。
a) 最開始時,網格中無超級節點,所有節點功能相同。
b) 隨著時間變化,根據各個節點在網絡中的表現,選出一些作為超級節點。
c) 各個節點將要共享的目錄和數據信息發送到自己的超級節點。超級節點維護自己所屬的節點的共享信息。
d) 超級節點將查詢結果和其他超級節點返回的查詢結果返回給查詢節點。
帶有超級節點的P2P結構結合了純P2P結構和混合P2P結構的優點,但對于超級節點的規模,如何選擇超級節點以及如何管理超級節點又出現了新的問題。在super peer結構的基礎上,文獻[24]提出了基于元數據內容聚集的super peer結構。考慮到在GIS實際應用中不同行業的空間信息系統,由于研究問題的角度、依據的政策法規和相關內容的差異,對同一個概念的語義解釋往往有很大的差別,導致在節點集聚和用戶查詢時,可能對用戶的要求無法回答或做出不正確的回答。在此參考文獻[25]的方法,提出了基于語義內容聚集的super P2P結構。基本思路是將共享資源的語義內容通過一定的策略進行聚集,每個super peer只負責某個具體內容下的節點,形成基于語義內容的聚集(圖3)。具體方法參照第3章。
3 基于本體智能查詢處理機制
面對分布式環境下大量異構、自制并具有豐富語義的GIS資源,若沒有一個好的查詢機制,實現異構數據動態集成,則很難達到良好的查詢效果。為此本文采用領域本體為數據資源的語義一致性規范,基于領域本體定義領域概念和全局模式,通過XML異構數據源到全局模式的映射實現異構轉換,并基于領域本體實現智能查詢。
3. 1 語義內容的建立
本文結合具體的應用領域,首先建立一個本體樹描述空間信息的語義內容,利用一系列構成樹狀結構的概念作為共享的知識庫表達領域知識,建立該領域的語義網格,然后為不同節點建立兩級索引。其中超級節點間的索引利用本體樹建立;超級節點內部的索引利用節點編號實現。
為進行基于語義內容的聚集,每個GIS資源都由一個XML的描述文件來描述語義內容。各個描述域之間用本體樹進行聚集,不同的本體樹也可以合并成一個更抽象的本體樹。
例如,GIS基本功能的語義內容,描述了一個GIS格式轉換功能的語義文件(局部)。
〈xs:complexType〉〈/xs:simpleType〉
〈xs:element name=\"BasicGISFunction\"〉 〈/xs:element〉
〈xs:complexType〉〈/xs:complexType〉
〈xs:element name=\"FormatTransformation\"〉…
〈xs:complexType〉 〈/xs:complexType〉
〈xs:element name=\"AutoCADArc/INFO\"〉 …
〈xs:simpleType〉 〈/xs:element〉
〈xs:enumerationvalue=\"dxfshp\"/〉〈/xs:complexType〉
3. 2 XML異構數據到全局模式的映射規則
全局查詢引擎接受來自于用戶接口的基于全局模式本體的查詢語句,基于本體知識進行查詢轉換,并將基于本體的查詢轉換為基于XML的查詢。當本體與XML進行映射時,主要基于以下規則:
a) XML的復雜元素映射為本體的概念,對應于本體概念關系圖中的非葉子節點。
b) 本體概念關系圖中的葉子節點為概念的屬性,對應于XML文檔的簡單數據類型。概念間的二元聯系用于表達XML文檔中復雜數據類型之間的關系。
c) 通過全局本體對概念的抽象,并實現本體與XML文檔之間的映射,從而屏蔽不同XML文檔間的結構異構,給用戶以統一的查詢界面。
當進行查詢時,查詢按照類似于DNS域名解析的方式自上而下進行。從每個super peer上查詢下一級的位置,最終得到目標節點。相比較基于描述字符串的查詢,這種方式可以實現基于語義的快速查詢,并在查詢準確度和查詢效率上有很大提高。
4 資源監視
所有網格都需要用某種監視手段來確定如何在網格上分發任務和數據。到底需要什么信息完全取決于網格的目的。對于Grid_GIS來說,磁盤空間、CPU 負載、網絡負載等是一些潛在的重要參數,需要知道存儲設備的可用性才能確定空間數據應該存儲到什么地方;需要了解CPU的可用性才能確定某個節點是否可以執行某個格式轉換任務;需要了解網絡負載的情況才能確定某個節點不會因為提交或請求數據而過載。這些參數的狀態以及用戶作業的執行狀態通過WSRF規范的WSResource Properties標準來對外提供。對于這些參數的獲取,通過WSNotification服務通告機制,其核心是事件和通知的思想。事件可以細分為不同的主題,事件消費者(即監視該事件的服務)可以訂閱不同的主題(磁盤空間、CUP負載、網絡負載等)。當一個事件發生時,被訂閱的服務將信息推給訂閱者。通過推服務,當事件發生時,消費者就可以收到通知,而不用按特定的周期來查找信息。這樣可以及時傳遞通知并且可以減輕整個系統的請求負載。
5 基于動態負載分配的任務調度機制
在任務調度的過程中,負載的合理分配是最為關鍵的。一般來說,負載分配算法可以廣義地分為靜態、動態和自適應算法三種[26]。動態負載分配算法是通過交換系統的狀態信息來決定原系統負載的分配,比靜態算法更靈活、有效。自適應負載分配算法是一類特殊的動態算法,克服了其他負載分配算法由于發送者的協商部分不加區別地探詢引起的系統不穩定性,根據已收集到的系統信息和變化情況來決定自己的分配策略,因而更為有效、穩定。然而,它在決定分配任務時,沒有考慮任務之間的通信問題。考慮到網格GIS中會有較大的通信量,因此網格GIS中采用一種新的基于成本約束的自適應調度算法。該算法能夠根據系統的狀態和任務之間的通信關系動態地分配系統中的負載,采用分布式調度算法,在得到近似最優調度結果的基礎上,能夠較好地實現系統的負載平衡。
5. 1 任務調度模型
定義1 網格任務。一個網格任務的性質可用(A,<,D,W)來刻畫。其中:A={ai|i=1,2,…,n}為任務集;D={dij|i,j=1,2,…,n}是一個n×n的通信矩陣,dij(≥0)表示任務ai傳送給任務aj的數據量;W={w(ai)},w(ai)表示任務ai的工作負載大小;“<”定義了任務間的偏序關系,“ai<aj”表示任務ai的執行依賴于任務aj的執行。
定義 2 網格節點。其特性用六元組TM=(P,[Pij],[Si],[Ii],[Bi],[Rij])來表示。其中:P={P1,P2,…,Pm}為一組網格節點;Pij為m×m的互聯網拓撲矩陣;Si(1≤i≤m)為節點Pi的處理速度;Ii(1≤i≤m)表示在節點Pi啟動一個消息傳遞所需要的時間;Bi(1≤i≤m)表示在節點Pi上啟動一個任務執行所需要的時間;Rij(1≤i≤m,1≤j≤m)為兩個相鄰節點之間的消息傳輸率,即每單位時間傳輸的數據量。
定義3執行成本和通信成本。如果用tij來表示任務ai在節點Pj上的執行時間,則
tij=w(ai)/Sj+Bj(1)
設Ci2j2i1j1表示節點Pj1上的任務ai1與節點Pj2上的任務ai2之間的通信開銷。如果這兩個節點相鄰,則
Ci2j2i1j1=di1i2/Rj1j2+Ij1+Oj1j2(2)
其中:Oj1j2表示Pj1與Pj2之間通信線路的競爭開銷。
如果Pj1與Pj2之間不相鄰,為了表達簡單起見,假定每兩個相鄰節點之間的消息傳輸率均為R,每個節點的消息傳遞啟動時間均為I,用Hj1j2表示節點Pj1到節點Pj2的線路條數(中繼段數),則
Ci2j2i1j1=(di1i2/R+I)×Hj1j2+Oj1j2
(3)
5. 2 任務調度算法
考慮到系統中會有較大的通信量,為了適應系統負載的動態變化,并得到近似最優的調度結果,本文對自適應算法[26,27]進行改進。
以下為算法的部分主要數據結構和步驟:
本系統采用基于成本約束和CPU隊列長度的閾值轉移策略,設閾值Y1、Y2,且Y1 節點狀態 任務重載,發送者:任務數≥Y2 任務適中,OK者:Y1<任務數<Y2 任務輕載,接收者:任務數≤Y1 轉移次數上限:Tlimt;轉移次數:Tnum。當一個任務經過多次轉移,轉移次數已經達到一個上限時,為了避免轉移任務顛簸的現象發生導致系統的不穩定,調度策略決定該任務在此機器上執行。 探詢次數上限:Plimt;探詢次數:Pnum。分配任務時,探詢接收節點次數達到上限,則停止探詢。 每一個節點通過一個由發送者表Slist、接收者表Rlist和OK表OKlist組成的數據結構,記錄其余各個節點狀態的信息。本文用一個數組結構來描述這三個表,每一個表是一個雙向鏈表,previous(int)表示鏈表中的上一個節點,next(int)表示鏈表中的下一個節點。另外,每個節點擁有一個狀態向量Vi [n],記錄它在系統中其余節點上所屬的表。 初始化過程:所有節點上狀態向量V中的值為receiver。發送者表為1,中立者表為1,接收者表包含所有的節點。 發送方: a)當新任務ais產生,導致節點機器pis變為發送者。 b)發送方計算接收者表Rlist中的各節點Pjr與待分配任務ais的代價數: 執行成本tis jr=w(ais)/SjrPis,通信成本Cir jris js 筆者可以根據tis jr、Cir jrisjs的大小選擇探詢節點,找到負載較輕且引起系統通信量小的節點作為接收者,以減輕系統的通信開銷,加快執行速度。 c)取Rlist各個節點中代價數Cir jrisjs最小者節點Pjr作為探詢節點,發送探詢信息。 d) if(Cir jris js≥tis jr) //此時通信成本大于等于執行成本,不執行遷移 {從Rlist表中移去Pjr節點,根據被探詢節點Pjr的回答信息,將它加入到Slist或OKlist中。 重復c)d),選擇另一個節點作為探詢節點,直至以下三個條件滿足,算法stop。 (a)接收者表Rlist為空; (b)達到探詢次數; (c)節點不再是發送者。} else {將新任務從節點Pis轉移至節點Pjr;算法stop;} 接收方: 接收方接收到探詢信息后,做以下動作: a)將探測節點Pis從任何一個隊列中移到Slist的首部; b)向節點Pis發送有關它的狀態信息,并置Vj[i]=節點Pjr所處狀態; c)如果接收者是接收狀態,通知轉移程序,新的任務將要遷移來,以決定自己的狀態。 6 網格安全 網格環境中的安全性可以確保只有那些經過審批的用戶可以向網格中提交請求,還確保只有經過批準的用戶可以從Grid_GIS系統中讀取信息。最后,需要確保各個網格服務和信息的交換均是安全的,這樣網格中的各個組件就可以安全地進行相互通信。本文使用 WSSecurity 擴展來實現這種功能。WSSecurity可以將安全性信息嵌入到在客戶機之間交換的請求中,而不會對請求本身產生影響。 WSSecurity 包裝器提供了三層的安全性: a) 身份驗證。確保各個客戶機可以使用特定的資源或系統。例如,網格系統可以具有一個管理接口,但是并不希望每個用戶均可以對這些服務進行控制和管理。 b) 簽名。需要確保當服務提交到網格上時,它是由一個有效用戶提交的。筆者早已知道網格客戶機在將數據資源提交到網格節點上之前會與網格管理器進行通信。為了確保客戶機有資格與這個節點進行通信,需要使用簽名來為這次事務提供臨時身份驗證。 c) 加密。盡管對于這個解決方案來說很可能并不需要加密,不過 WSSecurity 提供了在通過公共通信網絡(如互聯網)傳輸數據時進行加密(或解密)傳輸的能力。 7 實驗測試 7. 1 基于LAN的網格GIS簡單應用 為了驗證網格GIS系統對基于Web服務的體系結構的支持以及對于超級P2P結構、調度機制等關鍵技術的支持,設計了一個實現圖形文件格式轉換的應用。為此開發了三個網格服務,分別實現圖形文件的分割、格式轉換以及結果文件的合并。這三個網格服務的元數據被注冊到系統的元數據倉庫。查詢機制找到相應的服務并通過調度機制實現作業的有效動態調度。在作業的處理過程中,通過Grid_GIS的資源監視模塊監視每個網格服務實例的運行狀態及用戶作業的執行狀態。不同網格服務實例之間通過 P2P 協議傳遞圖形文件。系統工作原理如圖4所示。 用戶首先登錄到Web portal,通過Web頁面提交作業,同時指定要轉換的原始圖形文件的URL以及轉換后目標文件的URL。系統在接收到用戶請求后通過查詢服務注冊表來尋找能夠處理此類請求的網格服務,調用文件拆分網格服務;根據找到的格式轉換服務的個數(或圖形的層數)將原始的數據文件拆分成幾個文件片斷,從而將用戶提交的作業轉換成一組相互獨立的子作業。例如,當發現有八個可用網格節點在運行格式轉換服務時,它就要求文件拆分服務將原始的圖形文件分割成八個部分。然后,按照一定的調度策略將這些子作業調度到不同的格式轉換服務實例上。最后,調用文件合并服務將經過轉換的圖形文件片斷合并成一個目標文件,并傳輸到用戶作業所指定的目標文件URL處。這樣,用戶就可以訪問該URL獲取結果數據了。 7. 2 測試結果 本節針對系統的整體運行效率進行實驗測試。硬件平臺是1臺HP作為主機(裝有RedHat Linux9.0系統,內存1 024 MB),20臺HP商務機(內存512 MB),通過100 MBps的局域網相連;軟件平臺就是本文的網格GIS系統。筆者針對不同節點個數下數據格式轉換結果進行比較。 表1表示由1臺HP(內存512 MB)機器,轉換一幅儲量圖(圖形大小為5.7 MB,共19層,轉換格式為.dwg.shp)和不同機器個數時執行轉換計算的結果比較。從比較結果來看,運用網格計算確實可以提高運算效率;另外隨著網格節點個數的增多,節點間通信量大而頻繁,而加速比與理想加速比的比值并沒有呈線性增加,說明在通信量大的情況下,根據通信之間的關系分配負載,是可以得到較好效果的。 表1 單機和網格狀態下計算結果比較 節點個數1臺機器的執行時間/s網格方法執行時間/s加速比理想加速比 47982423.304 87981236.508 12798839.612 167986312.6016 207985215.3820 8 結束語 本文介紹了一個面向多領域的、支持動態功能集成的網格GIS系統。在GIS資源管理中,系統采用面向服務的思想,將GIS資源包裝為網格服務,并基于超級P2P結構,實現了GIS資源的分領域管理。同時,將Web服務技術引入網格GIS研究領域,有助于解決網格研究所面臨的應用集成、資源共享、系統互操作和標準化等問題。在查詢處理過程中,以本體為領域全局模式,基于領域本體知識和推理機制實現異構消除和語義擴展,實現GIS資源的快速發現,有效提高了資源發現的精度。在資源監視方面,基于標準的Web服務易于實現與其他網格的兼容,并基于推模式,減少了網格請求負載。在資源調度中,根據系統的狀態和任務之間的通信關系,采用成本約束的自適應調度算法,較好地實現了系統的負載平衡。在網格安全方面,采用WSSecurity擴展實現網格的安全,既可以保證網格的安全性又可以實現與其他平臺的兼容性。Grid_GIS網格系統由國家高技術研究發展計劃(863)資助,通過構建統一網格,融合多源、多時間和空間分辨率數據,完成從測點到要素時空場,再從時空場到時空特征信息的處理過程。各個GIS功能模塊包裝為網格服務,其描述信息注冊于Grid_GIS的元數據倉庫中,由Grid_GIS環境對監測到的數據進行處理與分析,實現高效的GIS分析和處理功能。 下一步,筆者將針對GIS資源動態集成的精確度以及數據安全性等方面作進一步的研究。 參考文獻: [1]方裕,周成虎,景貴非,等.第四代GIS軟件研究[J].中國圖象圖形學報,2001,6(9):817822. 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