第八章 地理网格计计算目录录v8.1网格计算概述 v8.2网格GIS v8.3网格GIS的关键技术网格计计算通过网络连接地理上分布的各类计算机、数据库 及其他设备，形成对用户相对透明的虚拟的高性能计算 环境，使人们能够共享计算、存储、数据和应用资源。 网格环环境下的GIS空间间分析是在空间信息网格（Spatial Information Grid，SIG）技术体系支持下，采用中间件技 术，构建空间信息网格计算环境和空间信息服务体系， 发展面向空间实体的空间数据组织技术，实现对 复杂空 间格局表达和空间作用过程的模拟，并通过建立人机交 互、交融的虚拟地理环境，实现知识驱动 方式的复杂空 间建模、网络协同工作与空间群体决策。计算资源的 短缺网格计算8.1 网格计计算概述v网格计算（Grid Computing）是20世纪90 年代由Ian Foster提出的概念，其目标标是在 广域网上实现计 算资源、数据资源和其他 设备 的互联，形成一个可相互利用、合作 的高性能计算网。即：利用高速网络将分 布在世界各地的计算资源相互连接起来， 协同完成庞大的计算难题 。v网格计算的特点：v （1）网格计算利用控制域内广泛存在的各种资源进行高性能计算， 包括高性能计算机、数据服务器、大型检索存储系统和可视化、虚 拟现实 系统等，这是网格计算区别于小范围局域网的一个主要特点 。 v （2）网格计算必须通过标 准的、公开的、通用的协议 来应用和管理 计算资源，协议 是连接各种资源的重要纽带 。 v （3）网格计算通过为 用户提供各种优质 的服务，使其能够利用广 大的计算资源，而这些资源将远远 超过个人计算中每部分所拥有资 源的总和。 v （4）网格计算实现 的是程序间高层次应用层面的连通，而非硬件 或应用程序间的低层连 通，这区别于计算机网络。v8.1.2 网格体系结构v 迄今为止，有两个比较重要的网格体系结构：一个是Ian Foster等提 出的五层沙漏结构，以“协议 ”为中心；另一个是由美国阿岗（ Argonne）国家实验 室、芝加哥大学、南加州大学以及IBM共同倡议 的开放式网格服务体系结构（Open Grid Services Architecture， OGSA），以“服务”为中心。 v 五层沙漏结构的核心思想是以“协议 ”为中心，并强调服务的重要性 。v 开放网格服务结 构（OGSA）是继五层沙漏结构之后最重要的和目 前最新的一种网格体系结构，被称为下一代网格结构。 v OGSA采用包括构造层、连接层、资源层、协作层、应用层的5层 沙漏模型作为网格结构。 v 以网格服务为 中心的模型有两个优优点。其一，由于网格环境中所有 的组件都是虚拟的，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 ，可以很容易构造出具体层次结构 的、更高级别 的服务，这些服务可以跨越不同的抽象层次，以一种 统一的方式来处理。其二，虚拟化也使将多个逻辑资 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 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。2. OGSAv8.1.3 网格计算的发展及应用1. 国际网格计算的发展和应用美国、英国、欧洲、日本 2. 我国网格计算的发展和应用中科院计算技术研究所、清华大学计算机技术系 3. 企业方面网格计算的发展Sun公司、IBM公司、微软公司 4. e-Science（信息化科研环境）e-Science的概念由英国首先提出，目标是使科学家们的研究工作就 像通过Web来获取信息一样，方便地共享计算能力、科学知识库 和 实验设备 等。 5. 网格计算在地学方面的应用 网格计算在地学方面的应用指结合多重的数据源（如空间、大气和地面 ）、模型（如预报 和评估）等，从中提取有用的信息和知识，为环 境监测 和自然资源管理提供服务。8.1.4 网格计算与GIS空间分析 目前GIS空间分析功能还不强大，通常需要 配置高档微机、图形工作站，硬件投入很大 ，这在一定程度上提高了用户应 用GIS的门 槛。基于网格技术的GIS使空间分析功能得 到拓展和延伸，使之不仅能对具有超媒体特 性的地理空间数据进行查询 、检索和分析， 也能对复杂空间问题进 行并行计算，以辅 助和支持决策。8.2 网格GISv GIS的网格化是指GIS各项功能的实现将充分利用网格的 诸多优点为各种用户提供快速、高效的空间信息服务。 在网格环境中，将有更多高性能的计算机，这些计算机 的有机组合和协同运行将促使空间数据的处理速度得以 大幅度提高，网格将充分利用各种资源。我们可以把应 用网格技术来解决GIS中的问题的方法和技术称之为网格 GIS。 网格GIS的特点： （1）网格GIS的核心是解决广域环境下各种空间信息处理资源的共 享和协同工作。其中，空间资 源包括空间数据、空间信息、空间 知识和空间服务等。 （2）网格GIS可以很好地解决异构系统之间的互操作问题 。 （3）网格GIS处理的数据是空间数据，这是网格GIS与一般网格的 根本区别。网格GIS的目标标v实现 空间数据资源的共享 v实现 空间计 算资源的共享 v实现 基于全局虚拟视图 的空间信息处理 v实现 空间信息系统计 算工作的负载 平衡 v实现 系统容错 v实现 面向问题 的用户使用方式v8.2.2 网格GIS的体系结构v 1. 基于应用的网格GIS体系结构v （1）计算网格是所有应用网格和网格GIS体系的基础，为其他网格应用提 供系统基础功能与接口，包括通信机制、安全架构、错误检测 、信息架构和 资源管理机制等。 v （2）空间数据网格是空间信息网格、空间知识网格和空间服务网格的基础 ，为其提供数据支持。 v （3）空间信息网格的目标是要在空间数据网格的基础上，为用户提供一体 化的智能信息服务平台。 v （4）空间知识网格研究空间知识的组织和管理方法，其中知识管理包括知 识重用、知识转换 和认知过程模型。 v （5）空间服务网格研究GIS功能服务的统一管理和高效访问，为其他网格 GIS提供功能服务。v2. 基于技术的网格GIS体系结构v （1）构造层：主要功能是向上提供网格中可供共享的资 源，属于物理或逻辑实 体。 v （2）连接层：定义了网格中处理通信与授权控制的核心 协议，构造层提交的各种资源间的数据交换、各资源间 的授权认证 、安全控制都在这层的控制下实现。 v （3）资源层：应用协议调 用连接层协议对 本地资源进 行访问和控制。 v （4）协作层：将资源层提交的受控资源汇集在一起，供 数字地球虚拟组织 的应用程序共享、调用。 v （5）应用层：虚拟组织 提供的中间件和服务在应用层 得到具体应用。v8.2.3 面向服务的网格GISv 网格GIS是面向服务的系统，它强调以服务为 中心，主要包括元数据 目录服务、资源分配管理服务和安全服务等。 v 1. 元数据目录服务 v 元数据目录服务主要完成对网格计算环境中信息的发现 、注册、查 询、修改等工作，提供对网格计算环境一个真实、实时 的动态 反映 ，其处理的信息主要是网格计算环境中的各种资源（包括数据资源 、计算资源等）、服务和其他主体的描述。 v （1）元数据目录的种类 v 元数据目录为 用户身份认证 、数据定位、访问 控制、数据复制等提供支持。按功能可 分为系统元数据（System Metadata）、副本元数据（Replica Metadata）和应用元数 据（Application Metadata）。 v （2）元数据目录服务的实现 v 在实现 上，元数据目录服务主要使用LDAP作为网格信息访问 与存储的统一界面，采 用XML语言对应 用元数据进行描述。 v （3）元数据目录服务的标准 v 空间元数据用以描述有关地理信息的内容、质量、位置和其他特征，帮助用户快速理 解和定位数据，其目的是为数据的访问 提供相关的数据目录信息和数据交换等辅助信 息。v 2. 资源分配管理服务 v 资源分配管理服务主要处理资源请求、执行远程应用、分配资源和 管理活动等任务，并根据计算资源的情况把资源更新信息发送给元 数据目录服务。 v （1）资源分配管理服务处 理的事务 v 资源分配管理服务主要负责负责 的事务务包括：解析和处理任务请 求中的 RSL描述，在任务请 求中选择 的资源、任务处 理和任务控制等RSL 描述，针对 可用资源等情况对请 求作出拒绝处 理或执行等操作；管 理远程监控启动的任务；根据所管理的资源可用情况更新资源分配 管理服务。 v （2）资源分配管理服务的组组成部分 v 资源分配管理服务由资源、客户、任务、任务请 求、Gatekeeper、 任务管理者、资源监视 器和应用管理者等八部分组成。 v 3. 安全服务 安全认证 、安全身份相互鉴别 、通信加密、私钥保护以及委托与单点 登陆等8.3 网格GIS关键键技术术v 8.3.1 中间件技术 v 中间件（Middleware）技术作为存在于系统软 件与上层应 用之间的 一个特殊层次，是未来网格计算的核心。 v 1. 中间件的特点 v 中间间件一般是指运行在客户机或服务器系统上的一种独立的系统软 件或服务程序，是一种新型的软件设计 模式。 v 目前，在基于分布式环境的各种应用中，中间件的引入主要是为为了 解决网络通信方面的功能问题 。 v 中间件的位置一般处于应用层和网络层 之间，它通过实现 相应层 次 的功能并将其进行透明封装，使相应的应用层软 件可以独立于低层 实现 机制（如计算机硬件和操作系统平台）而单独进行开发，并实 现不同平台间相同层次应用的跨平台操作。v2. 中间件的种类 v（1）基于RPC v（2）面向消息的 v（3）基于对象请求代理 v（4）数据库中间件v3. 中间件的作用 v基于软件构件化原理 v基于软件可重用原理 v基于跨平台原理 v基于软件体系原理v8.3.2 Web Service平台 v 1. Web Service的组成v Web Service是建立可互操作的分布式应用程序的新平台，即在进行 网络间 通信时，Web Service通过向外界提供API来完成网络间 的各 种操作。Web Service平台是一套标准，它定义了应用程序如何在 Web上实现 互操作。 v 2. 基于Web Service的GIS空间分析 v 在网格GIS环境下，可以实现 开放的、能够在异构环境下进行多分析 处理程序或系统间 的通信和协作的GIS空间分析处理服务。基于服 务的GIS空间分析处理技术研究主要关注应用模式和应用框架，而不 过多地着眼具体的空间分析处理算法。v8.3.3 GML地理标识语 言v 1. GML定义及特点 v GML（Geography Markup Language）是中间件之间实现 信息传输 和存储的关键性技术。GML是由OGC公司组织 并发行的可用于GIS 网络间 通信的一种高效语言，是XML的扩展，用来存储和传输 空间 地理特征的属性信息和几何信息，强调空间信息的传输 ，而非地理 特征的可视化。 v 2. GML设计 v GML的设计 是面向网络的，将地理特征采用XML的文本方式进行描 述，目前的浏览 器都可解析，用户不需要采用其他的软件来显示和 交互基于GML编码 的地理数据。 v 3. XML v 可扩展标识语 言XML（eXtensible Markup Language）是W3C组织 于1998年2月发布的标准，是SGML（Standard for General Markup Language）的子集，也是目前用于Internet网络间 通信的一种通用语 言。vXML的用途之一是作为元标记语 言，定义 各种实例标记语 言标准；二是作为标 准交 换语 言，担负起描述交换数据的作用。此 外，从数据发布、智能计算、精确搜索、 文件保值等方面考虑，XML语言也是进行 网络间 通信的首选语 言。