空间信息网格的框架结构和关键技术

1空间信息网格的框架体系和关键技术杜娟1，关泽群 1（1 武汉大学遥感信息工程学院，武汉市珞瑜路129号，430079）(dusongjuan@)摘要：本文首先分析了网格兴起的背景和国内外在网格领域的研究进展，并结合空间信息自身的特点提出空间信息网格的概念，接着建立了空间信息网格三层体系结构，最后阐述了空间信息网格的元数据目录、存储资源代理、互操作技术、智能体技术、空间信息网格服务以及安全机制等关键技术。

关键词：网格、空间信息网格、体系结构、元数据、互操作1 引言计算机网络技术的发展已经历了分别以Internet和WEB为代表的两次浪潮[1]。

现在，新一代的网格技术已逐渐成为计算机网络技术发展的主流，被称之为网络技术的第三次浪潮。

在Internet实现计算机硬件的连通，WEB实现网页的连通之后，网格技术试图实现互联网上所有资源的全面连通，即利用高速国际互联网或专用网络把地理上广泛分布的计算资源、存储资源、通信资源、网络资源、软件资源、数据资源、信息资源、知识资源等连成一个逻辑整体，最终实现在网格这个虚拟组织环境上进行资源共享和协同工作[2]。

由于空间信息具有关系复杂、非结构化、数据量大、随时间变化以及多源异构等特点，使得传统的空间信息系统和WebGIS都不能很好的解决空间资源的有效共享和充分利用问题。

网格的出现为空间信息科学的发展带来了机遇。

在网格环境下的空间信息技术不仅可使所有可共享的资源实现充分共享，而且强调资源共享的一体化管理，由此产生了空间信息网格（Spatial Information Grid，SIG）。

空间信息网格（Spatial Information Grid，SIG）是一种汇集和共享地理上分布的各种海量空间信息资源，对其进行一体化组织与管理，具有按需服务能力的空间信息基础设施。

其最终目标是将Internet上的空间信息服务站点连接起来，实现服务点播（Service On Dem- and）和一步到位的服务（One Click Is Enough）[3]。

2 网格技术研究进展网格的概念一经提出，很快就受到了世界各国的高度重视，并且成为研究与开发的竞争焦点。

美国、英国和日本等发达国家都投入了数亿的研究资金进行网格技术的相关研究。

美1本课题得到教育部博士点基金（20030486045）资助。

国军方正在规划实施名为“全球信息网格”（Global Information Grid）的巨型网格计划，预计在2020年完成[8]；英国也正在研发“英国国家网格”(NK National Grid)；日本文部科学省投资了700亿日元用于开发超大型网格计算机，其运算速度将达到每秒300万亿次。

目前，国际上网格技术的研究主要采用开放源代码、公开合作的方式。

比较有影响的研究计划包括：Globus、Legion、Information Power Grid、Eurogrid等[4]。

由于在能源、交通、气象、水利、农林、教育、环保等诸多领域都对高性能网格有着迫切的需求，因此产业界也在大力推动着网格技术的研发工作。

Sun公司在2000年9月发行了网格引擎（Grid Engine）软件；Compaq公司在2001年11月推出了一种平台网格套件软件（Platform Grid Suite）[8]；Oracle公司在其最新版本的应用服务器Oracle9iAS中推出了全新的Oracle Portal（Portlets）技术[9]；微软公司目前正在开发全面支持网格的下一代视窗操作系统，计划在2005年完成[10]；IBM公司正在研制超级网格计算机，其设计运算速度为每秒12.6万亿次，存储能力将达到600万亿字节。

我国从1995年开始也在逐步加大网格方面的研究投入，在“十五”期间通过863计划“高性能计算”专项的形式支持网格的研究和应用工作。

比较具有代表性的是中国科学院计算技术研究所承担的国家高性能计算环境（National High Performance Computing Environment，亦称国家计算网格）以及目前正在研究的织女星网格计划（Vega Grid），其目标是建立具有大规模数据处理能力、高性能计算能力，以及资源充分共享能力的一体化网格体系。

3 空间信息网格的体系结构空间信息网格提供了一体化的空间信息获取、处理与应用服务的基本技术框架以及智能化的空间信息处理平台和基本应用环境。

在该网格中，各种空间信息资源被统一管理和使用，空间信息处理是分布式协作的和智能化的，用户可以通过单一的逻辑门户透明地访问所有空间信息资源。

目前网格的体系结构是网格技术的研究重点之一。

美国Globus项目提出的网络体系结构采用网格结构层、网格服务层、网格应用工具层和网格应用层的四层结构[11]。

美国Argonne 国家实验室、芝加哥大学、南加州大学以及IBM公司共同倡议的开放网格服务体系结构(Open Grid Services Architecture，OGSA)采用构造层、连接层、资源层、协作层和应用层的五层沙漏型结构[5]。

本文根据现有的网格体系结构，结合空间信息网格的自身特点，提出由资源层、服务层和应用层构成的三层体系结构。

（1）资源层构成空间信息网格的硬件基础。

该层主要包括各种空间信息获取仪器（例如航空/航天遥感器、地面遥测设备等）、各种存储设备（例如大型磁盘阵列）、各类空间数据库（例如基础地理数据库、地物光谱数据库等）、各种信息处理设备（例如超级计算机、PC、PDA等），它们通过Internet或各种无线通信设施实现物理连接。

（2）服务层提供一个空间信息一体化管理与处理平台，通过屏蔽资源层中分散、动态、异构的各种资源，从而实现空间信息资源的共享、集成和互操作，为应用层提供透明的、一致的使用接口, 以支持用户在应用层上的应用开发。

该层主要包括遥感信息处理软件、大型地理信息系统、空间信息搜索引擎、空间数据和信息的整合与组织管理、空间信息在线分析和智能处理、以及各种协议软件和服务规范等。

（3）应用层提供一个面向应用领域的空间信息集成应用环境。

在服务层的基础上，用户可以根据各自具体的应用领域，针对空间信息的使用模式和使用特点，运用相应的应用软件工具、应用开发平台、以及空间信息使用政策和协议等，开发适用于该领域的应用系统。

4 空间信息网格的关键技术4.1 元数据目录良好地表示、存储、访问和使用大量资源信息是空间信息网格运行的基本前提[6]。

由于空间信息网格中的各种资源在物理上是分布的，因此需要使用元数据来命名、描述、收集、组织和管理资源信息。

在空间信息网格中，元数据可分为系统元数据（system metadata）、副本元数据（replica metadata）和应用元数据（application metadata）。

系统元数据主要是关于空间信息网格自身的结构信息，比如网络互联情况、存储系统的容量等。

副本元数据主要是关于空间数据副本的信息，比如文件与具体存储系统之间的映射信息。

应用元数据主要是与具体应用相关的文件的逻辑结构或语义的信息，比如空间数据的内容和结构。

空间信息网格中的所有元数据构成元数据目录。

该目录为空间数据的统一管理打下基础，为空间信息网格中的各种实体对象建立统一逻辑视图，为用户身份认证、数据定位、访问控制、数据复制等提供支持。

元数据目录应采用具有良好可扩展性的层次分布式结构，保证空间信息网格在不断发展的情况下，仍能提供高效的元数据服务。

4.2 存储资源代理空间信息网格中的数据位于互联网内分布的异构存储设备上，为了提高数据访问的效率，在网格范围内建立多个数据副本，从而实现数据的就近访问。

存储资源代理作为中间件，为高层应用访问分布的异构存储资源和数据副本提供统一接口。

它利用元数据目录为用户提供面向集合的数据视图，同一集合中的数据可能分布在位于不同地理位置、异构的存储系统中。

用户利用存储资源代理提供的API提出数据访问请求，存储资源代理利用元数据目录中的信息进行协议转换，并将转换后的数据访问请求发向不同的存储系统，从而实现对异构存储资源的统一访问。

4.3 互操作技术空间信息网格的互操作包括语义互操作和系统互操作。

语义互操作着重解决空间信息的语义冲突，即由于现实世界中对象分类定义的差异导致的分类、几何描述以及模式的差异，从而保证使用过程中空间信息的准确性，以及转换过程中语义的完整性和不损失性。

系统互操作主要解决不同地理位置的异构系统之间的互操作问题，确保来自任何空间信息源的空间信息（any resource）经过处理能在任何时候（anytime）发送并服务于在任何地点（anywhere）的任何有需求并且有相应权限的最终用户（anyone）。

目前主要采用Agent技术实现分布异构系统之间的互操作[7]。

4.4 智能体技术智能体（Agent）技术是随着网络计算而发展起来的分布式人工智能技术[2]。

采用智能体实现网格的智能化是国际普遍认同的一种方法。

空间智能体是实现空间信息智能化获取、存储、处理、检索、表达以及决策的进化智能体，它可以在Internet上不断迁移，与其他空间智能体进行交互，实现各种资源信息的交换。

4.5 空间信息网格服务空间信息网格为用户提供一体化服务，对于用户提出的信息访问与处理需求，虽然要通过并发、并行以及先后分离的多个环节来共同完成，但对用户而言，却只是通过一次请求便可以实现。

一体化服务实现的重要条件是建立空间信息网格服务规范，该规范能够提供标准的服务体系结构和公共的接口交换协议。

4.6 安全机制空间信息网格将提供身份验证、访问控制和加密等安全保护机制，以验证用户和资源的合法性，保证数据的保密性和完整性。

合法的用户可以根据自身的需求提出访问请求，访问对象基于不同的安全策略、安全级别和加密方法给用户提供相应的访问权限。

5 结语网格是网络技术发展与网络应用需求增加的必然产物。

目前网格技术研究与应用已经引起各国政府、科研机构和企业的高度重视。

本文结合空间信息自身的特点提出了空间信息网格的概念，根据现有网格体系结构建立了由资源层、服务层和应用层组成的空间信息网格三层体系结构，并且对空间信息网格的元数据目录、存储资源代理、互操作技术、智能体技术、空间信息网格服务以及安全机制等一系列关键技术进行了探讨。

随着研究的不断深入，空间信息网格将对社会发展和经济持续增长起到巨大的推动作用。

参考文献[1]骆剑承，周成虎，蔡少华等. 基于中间件技术的网格GIS体系结构. 地球信息科学，2002，(3): 17-25[2]夏曙东，李琦，承继成. 格网技术对地理信息系统应用与发展影响的分析. 地球信息科学，2003，(4): 53-56[3]李德仁，朱欣焰，龚健雅. 从数字地图到空间信息网格——空间信息多级网格理论思考.武汉大学学报・信息科学版，2003，28(6): 642-650[4]王铮，吴兵. GridGIS——基于网格计算的地理信息系统. 计算机工程，2003，29(4): 38-40[5]于雷易. GIS网格体系结构探讨. 武汉大学学报・信息科学版，2004，29(2): 153-156[6]沈占锋，骆剑承，蔡少华等. 网格GIS的应用架构及关键技术. 地球信息科学，2003，(4): 57-62[7]方金云，何建邦. 网格GIS体系结构及其实现技术. 地球信息科学，2002，(4): 36-42[8]刘学习，侯梅竹. 网格：机会在敲门. 计算机世界，2002[9]李小林. 信息网格——下一代信息服务平台./htm/produ/topic/01_11_6_3.asp，2001[10] 徐志伟. 因特网涅槃——正在浮现的网格技术. /news/detail.asp?mark=1&catid=15&newsid=445，2002[11] Foster I，Kesselman C. Globus: A Metacomputing Infrastructure Toolkit. Supercomputer Applications [J]，1997，11（2）:115-128[12]Chaitanya Baru，Reagan Moore，Arcot Rajasekar et al. The SDSC storage resource broker. ProcCASCON’98 Conference Toronto，Canada，1998Architecture and Key Technologies of SpatialInformation GridDU Juan1，GUAN Zequn1(1 School of Remote Sensing and Information Engineering，Wuhan University，129 Luoyu Road，Wuhan，China，430079)Abstract：In this paper, firstly, the background of thriving Grid research and the proceeding of Grid research in china and abroad are analyzed. Combined with the characteristic of spatial information, the concept of Spatial Information Grid (SIG) is presented. Then the Three-Layer Spatial Information Grid Architecture Model is established. At last, some key technologies of Spatial Information Gird such as metadata catalog, storage resource broker, interoperability, agent, spatial information grid service and security are discussed.Key words：grid；spatial information grid；architecture；metadata；interoperability作者简介：杜娟（1981-），女，武汉大学遥感信息工程学院硕士研究生，主要从事地理信息系统方面的研究。