輕量級地理數(shù)據(jù)分布式處理框架關(guān)鍵技術(shù)研究

高 微，楊 婷*，楊 溯，吳浩偉

（1.自然資源部第三大地測量隊(duì)，四川 成都 610100）

近年來，地理空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆炸式增長[1]，數(shù)據(jù)密集、計(jì)算密集、并發(fā)密集和時(shí)空密集已成為GIS軟件技術(shù)與應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)[2]。密集的數(shù)據(jù)尤其是遙感影像數(shù)據(jù)[3]，需耗費(fèi)大量的人力物力和時(shí)間進(jìn)行處理；且在實(shí)際測繪生產(chǎn)中，自主研發(fā)的針對數(shù)據(jù)處理的GIS 應(yīng)用程序往往僅支持單機(jī)執(zhí)行，時(shí)間消耗長、處理效率低，局域網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算資源也得不到充分利用。為高效解決測繪生產(chǎn)中個(gè)性化GIS 應(yīng)用程序地理數(shù)據(jù)處理效率低的問題，本文充分利用局域網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算資源，通過融合Docker容器技術(shù)[4-5]與分布式任務(wù)調(diào)度技術(shù)，搭建了基于Docker的輕量級地理數(shù)據(jù)分布式處理框架，以接口的方式為地理數(shù)據(jù)處理用戶提供分布式處理能力，輕量靈活、可跨平臺。通過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，該框架能有效提高作業(yè)機(jī)器資源利用率，提升地理數(shù)據(jù)處理效率。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 分布式任務(wù)調(diào)度技術(shù)

分布式任務(wù)調(diào)度技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在集群環(huán)境下多節(jié)點(diǎn)任務(wù)的靈活分配與處理，是數(shù)據(jù)分布式處理的核心，包括資源調(diào)度、任務(wù)分割、任務(wù)分配、狀態(tài)探測、負(fù)載均衡等內(nèi)容。本文搭建的是一個(gè)基于.NET Core的地理數(shù)據(jù)分布式處理框架，支持將作業(yè)分割后分發(fā)到多臺服務(wù)器并行處理，可成倍提升海量數(shù)據(jù)的處理速度。地理數(shù)據(jù)分布式處理框架作業(yè)處理程序包括分割任務(wù)、執(zhí)行任務(wù)、合并任務(wù)3 部分，包含節(jié)點(diǎn)和管理界面兩個(gè)核心程序，其中節(jié)點(diǎn)程序是控制臺程序；管理界面程序是網(wǎng)頁端程序，負(fù)責(zé)管理操作作業(yè)，包括查看集群節(jié)點(diǎn)、上傳作業(yè)包、監(jiān)控作業(yè)運(yùn)行、下載作業(yè)結(jié)果等。

1.2 輕量級虛擬化技術(shù)

針對常規(guī)分布式地理數(shù)據(jù)處理框架與專業(yè)軟件集成度高、跨平臺處理能力弱、普適性弱等問題，本文在充分分析地理數(shù)據(jù)處理流程的基礎(chǔ)上，提出了分割、分發(fā)、處理、匯聚的任務(wù)處理基本流程，并研究了一種輕量級虛擬化技術(shù)——Docker 容器技術(shù)[6]，可完成虛擬機(jī)能完成的所有功能[7]。由于在創(chuàng)建時(shí)Dock?er容器不會(huì)虛擬獨(dú)立的系統(tǒng)內(nèi)核，而是共用主機(jī)的系統(tǒng)內(nèi)核，因此為應(yīng)用節(jié)約了虛擬環(huán)境系統(tǒng)部署的資源，具有輕量、資源利用率高、啟動(dòng)時(shí)間短、遷移速度快、維護(hù)成本低和擴(kuò)展性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[8-10]。同時(shí)，Docker容器在任何操作系統(tǒng)上都是一致的，將應(yīng)用程序運(yùn)行在Docker容器上即可實(shí)現(xiàn)跨平臺、跨服務(wù)器的操作[11]。基于Docker 容器的特性，本文將GIS 應(yīng)用程序運(yùn)行在各輕量且相互隔離的Docker容器上，以實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算與資源的高效利用。

2 地理數(shù)據(jù)分布式處理框架

2.1 基本原理

本文構(gòu)建的地理數(shù)據(jù)分布式處理框架的基本原理為將地理數(shù)據(jù)處理作業(yè)在邏輯上劃分為若干個(gè)分片，并通過作業(yè)分片調(diào)度器將作業(yè)分片指派給特定的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)；執(zhí)行節(jié)點(diǎn)通過任務(wù)調(diào)度狀態(tài)觸發(fā)執(zhí)行作業(yè)，執(zhí)行時(shí)將分片序號和參數(shù)作為參數(shù)傳入（圖1）。作業(yè)的實(shí)施邏輯需分析分片序號和分片參數(shù)，并以此為依據(jù)調(diào)用具體的實(shí)現(xiàn)，如一個(gè)批量處理影像作業(yè)，可劃分0號分片處理1～10號影像數(shù)據(jù)，1號分片處理11～20號影像數(shù)據(jù)。

圖1 框架基本原理

2.2 分布式任務(wù)調(diào)度架構(gòu)

地理數(shù)據(jù)分布式處理框架包括調(diào)度中心和執(zhí)行器兩大部分，調(diào)度中心是一個(gè)網(wǎng)頁端的管理系統(tǒng)，是整個(gè)調(diào)度系統(tǒng)的大腦，主要負(fù)責(zé)管理調(diào)度信息、按照調(diào)度配置發(fā)出調(diào)度請求、將作業(yè)任務(wù)分配到各執(zhí)行器，支持可視化、簡單且動(dòng)態(tài)的管理調(diào)度信息，包括任務(wù)管理、執(zhí)行器管理、日志管理等功能；執(zhí)行器則負(fù)責(zé)接收調(diào)度請求并執(zhí)行任務(wù)。本文構(gòu)建的分布式任務(wù)調(diào)度總體架構(gòu)見圖2。

圖2 分布式任務(wù)調(diào)度總體架構(gòu)

基于Docker的地理數(shù)據(jù)分布式處理平臺調(diào)度中心與任務(wù)解耦，自身不執(zhí)行任務(wù)，而是將任務(wù)以作業(yè)包的形式分發(fā)至各執(zhí)行器，性能不再受限于任務(wù)模塊，可提高系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性。平臺調(diào)度中心與各執(zhí)行器之間的對應(yīng)關(guān)系見圖3。

圖3 調(diào)度中心與各執(zhí)行器的關(guān)系圖

2.3 總體技術(shù)流程

地理數(shù)據(jù)分布式處理框架為GIS 應(yīng)用程序提供了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口與處理接口，用戶根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求，利用接口實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)處理應(yīng)用，并結(jié)合管理應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)地理數(shù)據(jù)分布式處理。總體技術(shù)流程為：式處理框架的接口規(guī)范編寫，主要包括分割任務(wù)、執(zhí)行任務(wù)、合并任務(wù)3 部分，分別按照框架規(guī)定的方法名稱和輸入輸出類型，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序內(nèi)部邏輯；②部署環(huán)境，在Docker 宿主機(jī)器上部署GIS 應(yīng)用程序所需的運(yùn)行環(huán)境，部署成功后啟動(dòng)執(zhí)行器監(jiān)測任務(wù)；③分發(fā)任務(wù)，將GIS 應(yīng)用程序編譯后進(jìn)行打包，以作業(yè)包的形式分發(fā)至Docker集群進(jìn)行處理；④結(jié)果下載，將集群各節(jié)點(diǎn)處理情況匯聚成用戶的最終結(jié)果，用戶按需進(jìn)行資源下載。

3 案例分析

①規(guī)范程序，GIS 應(yīng)用程序需嚴(yán)格按照地理數(shù)據(jù)分布

以柵格數(shù)據(jù)裁切為例，本文對比測試了地理數(shù)據(jù)分布式處理框架作業(yè)模式和傳統(tǒng)單機(jī)作業(yè)模式的效率。案例采用6 組柵格影像，數(shù)據(jù)量約為50 GB，裁切為6 組規(guī)整的圖斑，分3 組測試，每組測試6 次。測試期間測試電腦除進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)裁切外不做任何其他操作，測試組環(huán)境、執(zhí)行時(shí)間等信息見表1 所示，可以看出，相較于單機(jī)作業(yè)，該框架能減少數(shù)據(jù)處理時(shí)間，提升地理信息數(shù)據(jù)處理效率。

表1 測試環(huán)境、執(zhí)行時(shí)間信息統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語

基于Docker 的輕量級地理數(shù)據(jù)分布式處理框架，以接口的方式為地理數(shù)據(jù)處理用戶提供分布式處理能力，用戶不再考慮分布式地理程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，只需按需定制數(shù)據(jù)處理算法，即可快速實(shí)現(xiàn)一個(gè)地理數(shù)據(jù)分布式處理應(yīng)用，從而充分利用閑置的計(jì)算機(jī)資源，并發(fā)式進(jìn)行地理數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理，有效提高數(shù)據(jù)處理效率。在實(shí)際測繪生產(chǎn)中，該框架為提升個(gè)性化GIS 應(yīng)用程序處理大數(shù)據(jù)量地理數(shù)據(jù)的效率提供了可行的思路和方法。