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1、基于网格的地理空间数据传输策略研究张立朝1，潘贞2，王富强1，赵鹏1，张世全1(1、信息工程大学 测绘学院, 河南 郑州 450052；2、郑州高新区管委会，河南郑州 450001)摘 要：地理空间数据传输是构建网格GIS的基础。本文从网格GIS服务的构建、地理空间数据传输协议、地理空间数据传输格式、地理空间数据传输安全机制以及地理空间数据传输速度等方面网格在地理空间数据传输中的应用进行了研究，提出了基于Grid的地理数据网络传输策略。最后通过网络评估和网络负载平衡，提出了GridFTP与HTTP协议相结合的地理空间数据快速传输方案。关键词：网格GIS 服务；安全机制；GridFTP协议；网络
2、评估；负载平衡；中图分类号：P208 文献表示码：A随着网格技术、计算机技术在GIS行业中的广泛应用，网格计算以及基于GIS服务的计算和操作将会涉及大量空间数据和非空间数据的移动、传输和复制，这就需要一种高效的数据传输机制的支持，这种传输机制要保证在网络的环境上可靠地传输数据。本文对基于网格的地理空间数据传输模型进行了研究。1 网格及网格计算网格技术的目的不外乎是要利用互联网把分散在不同地理位置的计算机组织成一台“虚拟的超级计算机”， 实现计算资源、存储资源、信息资源、软件资源、通信资源、知识资源、专家资源等的全面连通与共享。网格提供了包括数据在内的所有资源的透明访问，由此可见基于网格的数据传
3、输是网格地理信息发展的关键技术。网格计算被视为下一代的因特网，它有助于提高技术资源的使用率。网格计算的目的是，通过任何一台计算机都可以提供无限的计算能力，可以接入浩如烟海的信息。这种环境将能够使各企业解决以前难以处理的问题，最有效地使用他们的系统，满足客户要求并降低他们计算机资源的拥有和管理总成本1。2 基于网格的地理信息服务系统开放服务网格服务体系结构（OGSA）是以网格计算和Web服务(Web Service)的概念和技术为基础建立的，它在异构平台上构筑了一层通用的、与平台无关的信息和服务交换设施，来确保异构系统间的互操作性，利用网格计算对Web服务进行了扩展，实现了服务功能向原始平台的映
4、射与应用，从而使服务与资源无缝地集成2,3。网格地理信息服务系统(Grid GIS)是在有OGSA的基础上构建的，是网络互联的基础上通过网格结点的普遍资源共享，包括计算资源、存储资源、信息资源、知识资源等。右图1显示了Grid GIS的核心原型结构。从物理逻辑上，将网格GIS分为五层(每层均为分布式的网格结构)：基础层、分布式数据库层、控制层、网格操作系统与中间件层以及应用层，每层分别与相关的标准、协议和规范相联系。如上图2所示，从功能结构上，将网格GIS分为四重空间网格结构，每重结构分别与网络、网格、GIS的相关关键技术相联系。这里“四重”中的“四”指地理空间网格的种类数量。“重”则有三层含
5、义：一是逻辑层与功能网格之间，并不是整齐的对应关系，而是相互嵌套的；二是功能网格之间不是层叠关系而是从下向上的包含关系；三是每重网格都是功能实体，都可以独立地面向用户提供各自级别的服务。3 基于网格的地理空间数据传输策略在网格地理信息服务环境中，利用Web services 构造数据传输服务，来实现异构的计算机软件和硬件之间的连接。Web services是封装成一个单一实体并通过网络发布给其他程序使用的一系列功能集。它是自包含、自描述、模块化的应用，可以发布、定位、通过Web调用。Web services可以执行从简单的请求到复杂商务处理的任何功能。一旦部署以后，其他Web services
6、应用程序可以发现并调用它部署的服务。因此Web services是构造开发的分布式系统的基础模块，它具有互操作性、普遍性、易实现性、广泛支持性等特点。可以和其他的Web服务进行联合使用形成一个Web服务链。形成如图4的传输服务结构。其中 UDDI (Universal Description，Discovery Integration)用于Web服务注册和查找。WSDL(Web Service Description Language)用来描述 Web 服务的接口和功能，SOAP (Simple Object Access Protoco1)用来构建 Web 服务和服务请求之间的数据传输。图4
7、显示了网格GIS的数据传输的流程。基于地理空间数据传输功能要求的考虑，在具体实现时，采用了Globus系统的GridFTP协议。利用该协议可以实现网络环境下的高速、可靠的数据传输和实现对应用程序基本透明的远程文件I0访问。也满足了网格GIS数据传输功能上的要求。GridFTP协议基于规范的FTP协议，并对其进行了扩展，GridFTP包含一系列的函数库，利用这些函数库可以方便进行数据的高效、快速传输。另外，对于数据量较小的数据传输，在WebGIS环境中多利用HTTP 协议进行信息传输，在网格GIS中对于一些数据量较小的数据传输任务还可以利用传统的HTTP协议进行传输。在进行数据传输过程中，对于T
8、CP/IP网络利用零拷贝(Zerocopy)和Sendfile()方法进行优化数据传输等。同时由于HTTP协议应用的广泛性和成熟性，在网格GIS的数据传输设计中，应同时利用该种协议在数据传输中的优势。我们在进行网格GIS的实现过程中，利用了以上两种协议进行联合使用，以保证传输的高效、快速和避免网络资源的浪费。4地理空间数据传输的安全模型网格GIS数据传输的安全服务包括以下几个方面的内容：1）访问控制服务；2）数据传输过程中的安全服务；3）支持跨虚拟组织的安全；在网络的传输层和应用层上，当前流行的安全技术主要有：1）安全认证；2）安全身份相互鉴别；3）通信加密；4）私钥保护；4.1 基于OGSA
9、的安全策略OGSA将一切抽象为服务，对于安全也不例外，OGSA将加密、访问控制、审计等各种安全技术都视为服务。图5描述了请求者(Requestor)、服务提供者(Service)和各种安全服务之间的关系。请求者和服务提供者在各自的域中都有独立的合法的身份和相应的安全权限。在请求者和服务提供者构成的虚拟组织中，两者通过桥接服务联系身份和权限信息。每一种安全性都由特定的安全服务保障。用分层的思想来分析上述的网格中的安全服务，可以建立一个OGSA安全组件层次模型，如图6所示。在这个层次模型中，安全会话、信任状和身份转移、强制访问控制、审计和抗抵赖等组件依赖于一组安全相关的策略组件4。这些策略组件包括
10、授权、保密、身份映射以及服务/端点等策略。为了能够应用和使用这些策略，OGSA需要一种描述策略和交换的语言，它可以用于解决从各种绑定部件到各种传输协议中安全通信的问题。在层次模型中的右侧，信任模型用于定义安全信任链的源头。安全日志是任何策略决策时审计所需要的组件。在模型的左边，将管理整个安全框架所需的组件分成了入侵检测、防病毒管理、策略管理、用户管理和密钥管理5组，这些组件也服从于策略的执行5。4.2 基于Web Service的安全服务在网格GIS项目实施过程中我们采用基于Web services的安全服务利用代理机制来实现数据在传输过程中的安全性 代理对象是Web服务调用的一个基本概念。有
11、了代理对象，就可以在各种平台上通过代理对象传输数据。在网格GIS数据传输中，所有的用户都通过代理对象和网格GIS环境以及其他用户进行数据的传输，避免把网格环境上的敏感的业务逻辑暴露给非法使用者或恶意的黑客，从而起到了一定的保护作用，同时代理对象的引入简化了认证过程的复杂性，使数据传输操作简单。图7显示网格GIS的数据传输代理结构。5地理空间数据传输速度的解决方案对于网格地理信息服务环境，由于是在网格的架构上进行的，而网格将分布在不同地理位置的计算资源通过高速的互联网组成充分共享的资源集成，从而提供一种高性能计算、管理及服务的资源能力。现有的空间数据管理体系结构、方法和技术已经不能满足人们对高性
12、能、大容量分布存储和分布处理能力的要求。因此，人们在计算网格的基础上人们提出了数据网格（Data Grid）的构想。提供一组核心数据传输服务和通用数据管理库。为了保证网格空间数据传输的高效和可靠性能，对于Web services构造数据传输服务技术需要比较深刻的理解6。5.1 基于GridFTP协议的地理空间数据传输GridFTP是一个文件传输协议，它在标准的FTP协议上进行扩展，扩展后的FTP协议也即GridFTP，将提供网格环境中安全、高效、快速、可靠的数据移动。相比于普通FTP协议，GridFTP协议有以下7种特性：1）支持安全基础设施(GSI)和Kerberos认证)；2）支持数据的第
13、三方传输(建立在GSI的安全机制上)；3）支持并行(paralle1)数据传输；4）支持条状(stripped)数据传输；5）支持部分文件传输；6）支持TCP buffer大小的控制(自动调节尚未实现)；7）支持数据的重传以确保数据的可靠传输。实现了GridFTP协议的数据传输工具在数据传输时，具有安全、可靠和高性能的特点，而这些特点正是由GridFTP协议的特性带来的。例如支持安全基础设施(GSI)和Kerberos认证的特性，使数据传输有了安全保障；支持数据的重传使得数据传输稳定可靠；而支持并行数据传输、条状数据传输、允许改变TCP buffer的大小等特性，则使数据传输具有快速、高效的特
14、点7。表1 下载时间评估5.2 基于网络的地理空间数据传输方案带宽平均图片大小10 KB30 KB50 KB75 KB100 KB19 Kbps Modem7.923.739.659.278.928 Kbps Modem5.416.126.840.253.656 Kbps Modem2.78.013.420.126.81.54 Mbps T10.10.3待添加的隐藏文字内容30.50.71.06.16 Mbps T2 0.10.10.10.20.245 Mbps T3 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1155 Mbps ATM 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1网络带宽是限制数据传输的
15、“先天”因素。表1是对硬件网络的评估参数。如果空间数据量太大时，可以采用多个数据库服务器分别存储不同的数据，此时对不同数据的访问请求有各自对应的服务器来承担。采用多台数据库服务器存储相同数据的副本，可以并行地为不同用户的相同数据请求提供服务，减少排队等候的时间。无论以上何种方法，都涉及到服务器动态负载平衡问题，即控制访问量，如上图8所示，使每个数据库服务器被访问的次数尽可能平均，这样做从整体上提高了服务的效率8,9。此外，也可以考虑采用一定的空间压缩算法可以减少数据量，起到提高传输速度的效果。Research and Design of the Geography Data Transmitt
16、ing ModelZHANG Li-chao1，Pan Zhen1，WANG Fu-qiang1，Zhao Peng1，ZHANG Shi-quan1Abstract: The geography spatial data is the key elements to create Grid GIS. This paper describes the transmission model from the facts of Grid GIS creating, data transmitting agreement, security principle and transmitting sp
17、eed. This paper puts forward the transmitting strategy based on Grid. Finally this paper puts forward the project to use Grid FTD and HTTP synchronously through network evaluation and load balance.Key words: Grid GIS Service; Security principle; Grid FTP; Network evaluation; Load Balance参考文献：1 都志辉,陈
18、渝,刘鹏. 网格计算M. 北京：清华大学出版社，2002.2 骆剑承,周成虎,蔡少华. 基于中间件技术的网格GIS体系结构J. 地球信息科学,2002, 3: 17-25. 3 王金鑫,边馥苓. 网格GIS的四重地理空间网格模型J. 武汉大学学报信息科学版 2005, 30(1):73-76.4 蔡少华,骆剑承,陈秋晓等. 网格GIS中的GML语言技术与设计框架J. 地球信息科学, 2003, 3:47-50.5 郑江. 网络地理信息系统中数据传输安全的探讨J. 地球信息科学,2002,4(2):23-27.6 王逸泉,樊爱华,李宗伯. 开放网格服务架构(OGSA)中的安全规范初探J. 计算机
19、与数字工程, 2005, 33(6):23-27.7 陈张健,廖锋峰,虞妍. 网格GIS数据信息发布关键技术分析J. 浙江工业大学学报，2005，33(2):195-1988 孙庆辉,骆剑承,赵军喜. 网格GIS传输机制与策略J. 地球信息科学, 2005, 7(1):65-70.9 朱朝艳,郑耀,魏贵义. 网格环境中高性能数据传输客户端的实现J. 江南大学学报(自然科学版). 2004, 4(2):154-157.作者简介：张立朝(1981.11-)，男(汉)，河南新乡人，在读博士生，主要研究方向为军事地理信息系统。通讯地址：郑州解放军信息工程大学测绘学院研究生学院系六系一队四区队 4500
20、52更多测绘论文请登录测绘网论文频道查询：http:/ Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a sho
21、rtwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with
22、what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to
23、 me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.Its like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free
24、 fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line
25、up in a vertical straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Bau
26、mgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no
27、 thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his he
28、ad low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation
29、or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising al
30、titude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix wil
31、l unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance,
32、it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow
33、 as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot
34、 (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as pl
35、anned, it wont. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.
