网格发展的基本背景

当今，信息领域正发生着广泛而深刻的技术变革，新概念和新技术不完善和发展，如地球信息科学的发展，数字地球概念的提出，GIS技术和数据库技术走向集成，信息高速公路和Internet网的发展。Internet网和信息高速公路的飞速发展与广泛应用，带来了分布式应用研究以及共享信息和知识需求的不断增长，必然带来网络GIS的发展。而现在第3代网络技术——网格技术的提出和发展对GIS的发展更带来了长远的影响。特别是1998年1月31日美国前副总统戈尔提出的“数字地球”战略，需要对大量的地理信息进行并行计算处理，此时WebGIS的不足显现出来了，因为它主要通过超链接形成超文本，包括实现并行计算功能，而这一点对数字地球、数字城市需要的快速计算、信息共享是致命的。网格计算的提出和发展使得GIS必将朝着网络化、标准化、大众化方向发展。GridGIS也必将成为“数字地球”的核心平台。

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“数字地球”的概念，实际上是网格技术在地球信息科学领域的一种体现形式。一切与位置有关的信息在网络环境下，用数字形式进行描述并存储成为丰富的资源，通过信息共享技术，实现“按需索取”的服务，这种空间信息基础设施成为空间信息网格（SIG）。

空间信息网格是空间信息获取、互操作的基本发展框架。空间信息网格提供了一体化的空间信息获取、处理与应用的基本技术框架，以及智能化的空间信息处理平台和基本应用环境。建立分布式、智能化空间计算环境的基础是建立基于分布式数据库管理的空间网格计算环境，也就是实现支持局域、广域网络环境下空间信息处理和跨平台计算，实现支持多用户数据同步处理，实现支持空间数据的RPC，实现异构系统的互操作，实现支持网络环境下的多级分布式协同工作。

空间信息网格是要利用现有的网络基础设施、协议规范、Web和数据库技术，为用户提供一体化的智能空间信息平台，其目标是创建一种架构在OS和Web Service之上的基于Interent的新一代信息平台和软件基础设施。在这个平台上，信息的处理是分布式、协作和智能化的，用户可以通过单一入口访问所有信息。信息网格追求的最终目标是能够做到服务点播（Service On Demand）和一步到位的服务。

在GIS领域，基于网格计算理念，研究者提出基于服务网格的空间信息网格及Grid GIS；国际标准化组织积极推进Grid GIS相关标准的制订。一些协议及标准得到商业化GIS软件公司，如ESRI,M apInfo的支持并且取得成效。GIS领域采纳互联网标准和协议，如XML，可以将松散结合的GIS网络和地理信息处理服务结合在一起，形成空间信息服务。ESRI积极支持分布式GIS及GIS服务概念的发展，Gnet战略在很多层面都会涉及。在最大的层面是World Wide Web，在最小的层面，是企业化的World Wide Web。通过网格协议的支持，多个部门将可以提供多种的和综合性的服务，同时共享这些服务。可以支持企业化的开发，提供了不同分布式体系环境下构建GISWeb Services的开发组件，可以满足GridGIS的建立，但是不同商业化公司所倡导的开发技术并不相同，呈现出不断发展的态势。

GridGIS是空间信息计算环境和空间信息服务技术体系，其是实现空间信息网格的技术支撑系统，其通过空间信息的标准化，实现空间信息的共享；通过空间分析语义的标准化，实现GIS功能的互操作：通过网格技术体系的支持，实现异构环境下GIS功能的共享。

GridGIS要利用现有的OpenGIS的GML标准，Web地图服务标准以及网格相关技术标准，为用户提供开放的空间信息计算环境技术体系，实现用户分布式、跨平台的空间信息计算集成。空间信息计算环境的研究可以包括空间信息深度计算和空间信息主动计算两个层次。首先，通过时空属性融合下的空间作用规律，建立空间深度计算体系，以获得空间数据分布与模拟；其次，在此基础上提出以空间智能体为核心的空间智能计算策略，实现空间主动计算体系。

目前，我国已将网格GIS作为信息领域的重点方向进行了深入的研究及成果的推广及广泛的应用，形成了网格GIS体系结构、标准规范、关键技术、软件平台、应用示范等一系列成果，并在多个领域进行了应用。

2008年1月，结合国内外网格计算技术的前沿研究成果，科技部设立了“863”计划项目“网格地理信息系统软件及重大应用”，该项目制定了网格环境下异构GIS软件互操作技术，研究了空间信息网格计算技术，突破了网格GIS关键技术，开发出高性能、高可用性的网格GIS应用服务软件和集成应用系统，形成了具有自主知识产权的网格GIS软件平台，实现了网格环境下异构GIS互操作和在线共享服务。

网格GIS相关标准在“中国地质调查信息网格平台”和“天地图”等工程中得到较好的应用；网格GIS平台在地质调查信息网格、数字城市、地理信息公共服务平台、数字流域、数字油田等平台中进行了应用：网格GIS空间分析与处理技术已应用于林业信息化建设、煤矿安全系统、地震应急指挥系统建设中。

可以认为，网格GIS是GIS与网格技术的有机结合，是GIS在网格环境下的一种应用，网格GIS的网格环境必须能够在新近的硬件和软件技术平台上操作，最终实现GIS网格化。GIS通过网格技术使功能得到了延伸和拓展，真正成为大众使用的信息工具，从网格上的任意一个结点，可以访问网格上的各种分布式的、具有超媒体特性的地理空间数据及属性数据，进行地理空间分析、查询，并对复杂空间问题进行并行计算，以辅助和支持决策。

什么是网络GIS的体系结构

网络计算模式从早期的单一计算模式（集中式体系结构）发展到后来的客户/服务器计算模式（分布式的两层体系结构）乃至今天的浏览器/服务器计算模式（分布式的三层、多层体系结构）。两层体系结构把网络GIS分成客户机和服务器两个部分，它们之间通过网络在一定的协议支持下实现信息的交互，形成客户/服务器计算模式，共同协调处理一个应用问题。

客户机和服务器并非专指两台计算机，而是根据它们所承担的工作来加以区分的。客户机的服务器是相互独立、相互依存、相互需要的。客户机通常是承载最终用户使用的应用软件系统的单台或多台设备，而服务器的功能则由一组协作的过程或数据库及其管理系统所构成，为客户机提供服务，其硬件组成往往是一些性能较高的服务器或工作站。

三层体系结构突破了客户/服务器两层模式的限制，将各种逻辑分别分布在三层结构中来实现，这样便可以将业务逻辑、表示逻辑分开，从而减轻客户机和数据服务器的压力，较好地平衡负载，并且形成了一种新的计算模式--浏览器/服务器模式。另外，将用于图形显示的表示逻辑与GIS的处理逻辑分开，可以使GIS的处理逻辑为所有用户共享从根本上克服两层结构的缺陷。

网格技术的体系结构

网格的核心是分布式计算与资源管理，而这些核心实现是与网格的体系结构相联系的，因为一大批虚拟化、异构的资源组成了一个网格，而这些资源需要按照一致的方式进行交互和运转。网格技术的体系结构是关于如何建造网格环境的技术。它定义了网格的组成和基本功能，描述了网格组成部分的关系以及它们集成的方法。目前，网格技术体系结构的发展经历了五层沙漏结构(Five-Level Sandglass Architecture)、开放网格服务架构(Open Grid Services Architecture，OGSA)和 Web 服务资源框架(Web Service ResourceFramework，WSRF)3 个阶段。

1.1.2.1 五层沙漏结构

五层沙漏结构是 Foster 等(2001)提出的一种具有代表性的网格体系结构，其影响十分广泛，它是一种早期的抽象层次结构。

五层沙漏结构最重要的思想是以 “协议”为中心，强调服务与应用编程接口(API)和软件开发工具包(SDK)的重要性。在五层沙漏结构中，共享的概念不仅是交换文件，并强调对计算机、软件、数据以及其他资源的直接访问。从图 1.2 可以看出，五层沙漏结构从上而下包括: 应用层、汇聚层、资源层、连接层、构造层。

图 1.2 五层沙漏网格结构

(1)构造层: 构造层的基本功能就是控制局部的资源，包括查询机制(发现资源的结构和状态等信息)、控制服务质量的资源管理能力等，并向上提供访问这些资源的接口。构造层资源是非常广泛的，可以是计算资源、存储系统、目录、网络资源以及传感器等等。构造层资源提供的功能越丰富，则构造层资源可以支持的高级共享操作就越多，例如如果资源层支持提前预约功能，则很容易在高层实现资源的协同调度服务，否则在高层实现这样的服务就会有较大的额外开销。

(2)连接层: 连接层的基本功能就是实现相互的通信。它定义了核心的通信和认证协议，用于网格的网络事务处理。通信协议允许在构造层资源之间交换数据，要求包括传输、路由、命名等功能。在实际中这些协议大部分是从 TCP/IP 协议栈中抽取出的。认证协议建立在通信服务之上，提供的功能包括: 单点登录、代理、与局部安全方法的集成、基于用户的信任机制。

(3)资源层: 资源层的主要功能就是实现对单个资源的共享。资源层定义的协议包括安全初始化、监视、控制单个资源的共享操作、审计以及付费等。它忽略了全局状态和跨越分布资源集合的原子操作。

(4)汇聚层: 汇聚层的主要功能是协调多种资源的共享。汇聚层协议与服务描述的是资源的共性，包括目录服务、协同分配和调度以及代理服务、监控和诊断服务、数据复制服务、网格支持下的编程系统、负载管理系统与协同分配工作框架、软件发现服务、协作服务等。它们说明了不同资源集合之间是如何相互作用的，但不涉及资源的具体特征。

(5)应用层: 应用层是在虚拟组织环境中存在的。应用可以根据任一层次上定义的服务来构造。每一层都定义了协议，以提供对相关服务的访问，这些服务包括资源管理、数据存取、资源发现等。在每一层，可以将 API 定义为与执行特定活动的服务交换协议信息的具体实现。

1.1.2.2 OGSA 结构

目前最重要且被广泛认可的网格系统结构是 Global Grid Forum(GGF)的 Open GridServices Infrastructure(OGSI)工作小组于 2002 年 6 月制定的开放网格服务架构(OGSA)(Foster et al.，2005)。OGSA 包括两大关键技术，即网格技术和 Web Service 技术，它是在五层沙漏结构的基础上，结合 Web Service 技术提出来的，解决了两个重要问题———标准服务接口的定义和协议的识别(Karasavvas et al.，2005)。以服务为中心是 OGSA 的基本思想，在 OGSA 中一切都是服务(Karasavvas et al.，2005)。这一结构的意义就在于它将网格从科学和工程计算为中心的学术研究领域，扩展到更广泛的以分布式系统服务集成为主要特征的社会经济活动领域。OGSA 架构由 4 个主要的层构成: 参见图 1.3。从下到上依次为: 资源———物理资源和逻辑资源; Web 服务，以及定义网格服务的 OGSI 扩展; 基于 OGSA 架构的服务; 网格应用程序层。

图 1.3 OGSA 架构

(1)物理和逻辑资源层: 资源的概念是 OGSA 以及通常意义上的网格计算的中心部分。构成网格能力的资源并不仅限于处理器。物理资源包括服务器、存储器和网络。物理资源之上是逻辑资源。它们通过虚拟化和聚合物理层的资源来提供额外的功能。通用的中间件，比如文件系统、数据库管理员、目录和工作流管理人员，在物理网格之上提供这些抽象服务。

(2)Web 服务层: OGSA 架构中的第二层是 Web 服务。这里有一条重要的 OGSA 原则: 所有网格资源(逻辑的与物理的)都被建模为服务。OGSI 规范定义了网格服务并建立在标准 Web 服务技术之上。OGSI 利用诸如 XML 与 Web 服务描述语言(Web Services Description Language，WSDL)这样的 Web 服务机制，为所有网格资源指定标准的接口、行为与交互。OGSI 进一步扩展了 Web 服务的定义，提供了动态的、有状态的和可管理的Web 服务的能力，这在对网格资源进行建模时都是必需的。

(3)基于 OGSA 架构的网格服务层: Web 服务层及其 OGSI 扩展为下一层提供了基础设施: 基于架构的网格服务。GGF 目前正在致力于在诸如程序执行、数据服务和核心服务等领域中定义基于网格架构的服务。随着这些新架构的服务开始出现，OGSA 将变成更加有用的面向服务的架构(SOA)。

(4)网格应用程序层: 随着时间的推移，一组丰富的基于网格架构的服务不断被开发出来，使用一个或多个基于网格架构服务的新网格应用程序亦将出现。这些应用程序构成了 OGSA 架构的第四个主要的层。

1.1.2.3 WSRF 结构

OGSI 通过封装资源的状态，将具有状态的资源建模为 Web 服务，这种做法引起了“Web 服务没有状态和实例”的争议，同时某些 Web 服务的实现不能满足网格服务的动态创建和销毁的需求。OGSI 单个规范中的内容太多，所有接口和操作都与服务数据有关，缺乏通用性，而且 OGSI 规范没有对资源和服务进行区分。OGSI 使用目前的 Web 服务和XML 工具不能良好工作，因为它过多地采用了 XML 模式，比如 XSD: ANY 基本用法、属性等，这可能带来移植性差的问题。另外，由于 OGSI 过分强调网格服务和 Web 服务的差别，导致了两者之间不能更好地融合。上述原因促使了 Web 服务资源框架(Web Service Resource Framework，WSRF)的出现(Czajkowski et al.，2004)。

WSRF 采用了与网格服务完全不同的定义(Banks，2006): 资源是有状态的，服务是无状态的。为了充分兼容现有的 Web 服务，WSRF 使用 WSDL 1.1 定义 OGSI 中的各项能力，避免对扩展工具的要求，原有的网格服务已经演变成了 Web 服务和资源文档两部分。WSRF 推出的目的在于，定义出一个通用、开放的架构，利用 Web 服务对具有状态属性的资源进行存取，并包含描述状态属性的机制，另外也包含如何把机制延伸至 Web 服务中的方式。

Web 服务资源框架定义了使用 Web 服务来访问有状态资源的一系列规范。它包括Web 服务资源特性(WS-ResourceProperties)、Web 服务资源生命周期(WS-ResourceLife-time)、Web 服务基本故障(WS-BaseFaults)和 Web 服务服务组(WS-ServiceGroup)规范。这些新规范的动机是，虽然 Web 服务实现在它们交互的过程中并不维护状态信息，但是它们的交互必须经常性地为状态操作考虑。也就是说，数据的值通过 Web 服务交互得以持久化，并且作为 Web 服务交互的结果而保存。例如，一个在线的航空订票系统必须维持有关飞行状态、具体顾客的订票以及系统本身状态(它当前的位置、负载和性能)等信息。Web 服务接口如果要允许请求者查询飞行的状态、进行订票、改变订票的状态以及管理订票系统，它就必须提供对状态的访问。在 Web 服务资源框架(Web Services Resource Framework)中，我们把状态作为有状态资源来建模并且通过一个隐含的资源模式使 Web 服务之间的关系条文化。

WSRF 是一个服务 资源的 框架，是 5 个 技术 规范 的 集合，表 1.1 总 结 了 这 些 技术规范。

表 1.1 WSRF 中标准化技术规范

(据 Banks，2006)

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