面向服務中心的地理信息系統總體架構

曾莉

（華北計算技術研究所北京100083）

面向服務中心的地理信息系統總體架構

曾莉

（華北計算技術研究所北京100083）

為了實現廣域網環境下大量用戶對地理信息的并發訪問，滿足各行各業在網絡環境下基于在線服務應用種類更加豐富的地理信息的迫切需求，以及對高性能、高可靠、高可用、高可擴展的地理信息系統的要求，本文提出了面向服務中心的地理信息系統總體架構，對面向服務中心的地理信息系統的總體架構進行了詳細的分析與設計，并給出了海量地理空間數據存儲與管理、大規模地理信息應用服務器集群、高并發、高可靠的Web服務器集群的實現技術途徑。

地理信息系統；服務中心；架構；技術途徑

隨著大數據時代中計算機與地理信息技術的高速發展，網絡環境下的地理信息服務并發訪問數量越來越大，從TB級到PB級，人們對可靠的網絡化地圖和地理信息服務的需求與日俱增。以往的地理信息系統架構在性能、功能以及二次開發能力都無法滿足用戶對地理信息應用的需求，無法滿足系統網絡化、服務化大規?？焖侔l展的要求。

地理信息系統架構的發展大體經歷了4個階段。首先是傳統的單機架構，接著是C/S架構，然后是B/S架構，再然后就是面向SOA的企業級的架構。傳統的單機架構，運行在一臺機器上，這樣的架構使用簡單，配置成本低，數據全部在一臺機器上，同一時刻只能由一人操作，因此有著強一致性，但是它不能直接與其他計算機進行數據交互，不能進行分布式的處理，性能很低，只適合于輸入量很少的環境下；C/S架構的地理信息系統運行在局域網上，通常是把所有的數據集中在一臺數據服務器上，多個客戶端軟件共享數據C/S架構的地理信息系統只有一層交互，響應比較快，但是該結構下的每臺客戶機都需要安裝相應的客戶端程序，分布功能弱，兼容性差，變更不靈活，維護管理起來比較困難，不能實現快速部署；B/S架構的地理信息系統分布性比C/S架構的強，而且開發起來也比較簡單，但是它對服務器的要求比較高，并且傳輸數據也慢；面向SOA的企業級地理信息系統是基于服務式架構的。服務式架構的地理信息系統通過調用不同服務器上發布的服務來實現。支持各種終端形式，包括瀏覽器、桌面軟件、移動設備等。但是企業級地理信息系統可支持的地理數據量小，數據種類有限，大量用戶訪問的性能低。因此本文提出了一種新的地理信息系統即面向服務中心的地理信息系統來滿足人們的需求，解決現有地理信息系統架構的不足[1-11]。

1 系統總體設計

面向服務中心的地理信息系統包括客戶端、地理信息Web服務器集群軟件、地理信息應用服務器群、服務目錄服務器群、地理信息訪問引擎和存儲層，如圖1所示。

圖1 系統總體架構

客戶端可以是瀏覽器、移動終端和桌面應用等終端組件，用戶通過客戶端的終端組件可以與Web服務層進行交互，訪問地理信息服務。

地理信息Web服務器集群軟件。包括兩組服務器群，一組是由地理信息Web服務接入服務和若干個地理信息Web服務構成的服務器群軟件，主要提供除地圖瓦片服務以外的其它在線服務；另一組是由若干瓦片服務構成的服務器群軟件，提供了高速地圖瓦片服務。

應用服務器集群在服務中心內以高可靠、高可用、可伸縮的服務器集群環境提供各種類型的地理信息在線服務，地理信息應用服務器集群由地理信息服務負載均衡軟件、多個地理信息應用服務和集群管理控制軟件組成。地理信息應用服務為各服務組件等服務組件提供運行時環境，管理服務組件的生命周期，并提供線程池、連接池、緩存管理等公共服務；地理信息服務負載均衡軟件管理多臺地理信息應用服務器形成集群，根據不同服務器的健康狀況，將來訪的服務請求以最高效的方式分配到合適的應用服務器節點上去處理；集群管理控制臺主要提供對集群中各節點狀態監控及集群日志查看等功能。

1）目錄服務器集群包括多個目錄服務。目錄服務在基于服務目錄與負載信息存儲層之上實現，提供各類地理信息服務目錄和服務中心服務目錄注冊功能。目錄服務接入服務，主要對外接入最終用戶的服務請求，并均衡的將各服務請求轉發至各目錄服務，再將目錄服務的結果返回給最終用戶。

2）地理信息訪問引擎模塊主要基于空間數據文件系統和關系數據庫，并基于分布式地理空間數據庫提供了對各類地理數據（矢量、柵格、地名、文獻、實景、瓦片等）的訪問功能，構建統一的元數據庫、統一管理各類地理數據關聯的元數據信息，包括資源庫引擎、柵格數據引擎、導航引擎、實景引擎、搜索引擎、目錄管理、導航算法、地形分析算法以及對關系型數據庫、分布式地理空間數據塊的訪問接口等。

3）存儲層主要針對矢量數據、柵格數據、瓦片數據、多媒體數據、實景數據等各類海量地理空間數據高并發訪問需求，提供了高可靠、可擴展、高性能的分布式存儲環境。它是由關系型數據庫、分布式數據庫、分布式文件系統、緩存服務器群和搜索數據庫組成的專用空間數據庫。

2 系統任務處理流程

面向服務中心的地理信息系統處理用戶請求根據請求的任務類型的不同，大體分為以下3種。

1）當請求訪問地理數據目錄服務時，系統任務處理流程如圖2所示。

圖2 地理數據目錄服務訪問流程

客戶端發送地理信息目錄服務訪問請求，目錄服務接入服務接收到服務后，根據地理信息服務目錄服務器集群各節點的負載狀況將任務分派給合適的地理信息目錄服務器。目錄服務器調用目錄服務相關組件來處理請求，并將目錄信息等存入關系型數據庫。最后由各目錄服務組件將處理結果綜合返回給客戶端。

2）當請求瓦片或者流媒體相關服務時，系統處理請求的流程如圖3所示?？蛻舳藢⒎照埱蟀l給Web服務器接入服務群，Web服務器接入服務根據請求的服務類型和各服務集群中每個服務節點的負載狀況，將請求交予合適的服務器。接收到任務分派的瓦片服務器或流媒體服務器調用相關服務組件執行服務，然后處理結果與數據存儲相互交互，最后通過服務器直接將請求相應返回到客戶端。

圖3 瓦片/流媒體服務訪問流程

3）除了前兩種情況，大多數用戶請求都會經過如圖4所示的任務處理流程。

①客戶端的終端組件接收用戶的請求，并將請求通過網絡發送到Web服務層。

②Web服務接入器獲取到請求后，根據請求的任務類型和Web服務器集群中各節點的負載狀況，將請求交于合適的Web服務器進行處理。

③Web服務器接受到任務分派后，調用相應的Web服務組件對請求進行處理。

④Web服務器調用應用服務層的應用服務組件進行進一步的處理。Web服務層將請求通過TCP/IP協議傳到應用服務層。協調服務器接收到請求后將請求交給負載均衡器。

⑤負載均衡器根據應用服務器集群中各節點的負載狀態以及請求的服務類型，按照指定的負載均衡策略，將請求分派給合適的應用服務器來分析處理請求。

⑥應用服務器接收到任務分派后，調用相應的應用服務組件來對請求進行分析處理。

⑦應用服務器通過數據訪問引擎與數據存儲層進行數據交互。

⑧應用服務器將處理的結果返回給Web服務器做最后的處理。

⑨最后由Web服務器直接將最后的結果返回給客戶端。

圖4 任務處理流程

3 關鍵技術

以往的地理信息系統架構無法再滿足用戶的需求，必須攻破新的技術來構建新的地理信息系統架構，來適應時代的發展與需求。主要體現在以下幾個方面:

1）用戶需要應用的數據種類和數據量非常大，無法通過傳統的集中式存儲進行實現；

2）系統需要支持的并發訪問用戶數也非常大，傳統規模的服務器集群在吞吐量、可靠性和可用性等方面無法滿足；

3）用戶的應用環境是廣域網，帶寬有限，但是系統性能還必須保證是高效的，等等。

所以研究海量地理空間數據存儲技術、大規模地理信息應用服務集群技術以及高并發、高可靠的Web服務器集群技術是關鍵。

3.1 海量地理空間數據存儲技術

地理空間數據大致分為結構化、半結構化、非結構化3種模型。它們數據量巨大，可以達到PB級。特別是占了主體地位的半結構化空間數據，不僅數據量大而且對訪問與存儲效率的要求特別高。如果使用傳統的關系型數據庫，則會成為整個系統的性能瓶頸，會存在訪問效率低、并發用戶少、部署速度慢等問題。針對空間數據的特點，本架構采用了綜合分布式文件系統、分布式海量半結構化數據管理系統、搜索引擎數據庫和關系型數據庫系統等多種存儲管理技術構成專用的復合空間數據庫。它可以為海量數據的高效存儲、快速訪問、快速部署提供高性能、高可靠性的數據庫基礎支撐。

其中，使用關系型數據庫來存儲結構化的數據，比如元數據信息，用戶權限、目錄信息、圖層信息等；使用分布式數據庫集群來管理粒度較小的空間數據塊，比如半結構化的矢量數據塊，柵格數據塊等以及非結構化圖片等數據。其中數據分塊可以減少數據的網絡傳輸的數據量，使得系統可以在有限的內存空間中訪問大量的數據。分布式數據庫管理的這些空間數據塊，最后會聚成較大的數據塊存儲于分布式文件系統上；使用分布式文件系統來存儲對外下載數據文件和一些模型文件；使用搜索引擎數據庫來存儲需要進行查詢分析的數據，比如導航數據，實景的站點信息數據等。使用緩存數據庫來保存入庫處理以及訪問過程中需要臨時記錄的信息數據。為了實現海量數據的高效存儲訪問，還需要將存儲的數據進行統一的組織，下面將以半結構化的矢量數據為例進行詳細說明。

矢量數據瓦片的物理存儲如圖5所示。將系列比例尺矢量數據的圖層信息提取出來，一方面構建圖層數據在分布式存儲中的訪問URL，一方面構建圖層信息對象（包括圖層的基本信息、附屬屬性信息等），然后將他們存入關系型數據庫。同時，系列比例尺的矢量數據經過數據切片、創建空間索引、數據打包等預處理，變成很多矢量數據瓦片，并將這些矢量數據瓦片存入分布式存儲系統（HDFS/HBase）中。矢量瓦片數據的內部組織結構如圖6所示。其中，通過圖層位置索引信息可以快速定位圖層在數據瓦片中的索引位置，通過空間索引能獲取到某個范圍包含的所有數據塊，通過目標位置索引可以快速定位目標在數據塊中的存儲位置，從而提高目標數據的訪問速率。

圖5 矢量數據瓦片物理存儲

3.2 大規模地理信息應用服務器集群

地理信息系統中的應用服務器主要是在局域網環境下為大量并發訪問用戶提供豐富的高性能地理信息服務（如路徑規劃服務，實景服務，地形分析服務等）。單個應用服務器的負載能力有限，不能支撐網絡環境下大規模用戶的并發訪問，因此系統使用大規模應用服務器集群協同服務來解決網絡環境下單個應用服務器計算能力不足的問題；并使用負載均衡器來分派與管理集群，實現集群的容災備份，忙閑監控與任務分派。但是單個負載均衡器管理的應用服務器數量有限，不能支撐大規模的應用服務器集群的部署，因此系統采用多級負載均衡器；同時，系統使用分布式協調服務器來協調與管理整個應用服務器集群。分布式協調服務器可以實時感知集群的當前狀態，比如全局參數，所有節點的信息等，監控集群事件并廣播消息。所以對負載均衡技術、分布式協調服務器、應用服務器集群架構的研究很重要。

3.2.1 負載均衡技術

負載均衡器主要有負載信息管理、任務分派、任務轉移、故障處理等功能。負載均衡器通過系統待處理任務隊列長度、CPU利用率、I/O利用率、內存利用率等指標來衡量服務器節點的負載狀況。各應用服務器節點收集自身的負載信息并定期的上報給負載均衡器的負載信息管理模塊，負載信息管理模塊將負載信息在內存中進行高效的存儲，對任務分派模塊和轉移模塊提供信息。任務分派模塊負責將請求根據當前的負載均衡算法分配到合適的服務節點上。不用的應用場景下需要的負載均衡算法可能不同，因此，系統采用“插件式”的負載均衡策略，在部署系統時，可以靈活的通過配置選擇合適的策略[12-13]。系統運行過程中，任務轉移模塊會定期的對集群各節點的負載信息進行統計并判斷當前是否是負載均衡狀態，如果不均衡，則將負載最重的節點上的任務轉移一部分到負載最輕的節點上。故障處理模塊會通過服務節點定期發來的心跳消息自動識別發生故障的服務節點，將這個節點刪除，并將刪除節點未完成的任務轉移到正常的節點上去處理。

同時，為了保證負載均衡器的正常運行，系統采用一主多從集群模式使多個負載均衡器同時工作。提高了系統的穩定性和可靠性。

3.2.2 分布式協調服務器

分布式協調服務器，為整個集群各節點（包括負載均衡器，應用服務器等）提供了可靠的與分布式應用相關的基礎服務，包括選舉服務、命名服務、組服務、全局參數服務以及分布式鎖服務等全局服務[14]。通過該服務，實現了集群節點的動態加入與退出、實時感知集群當前的狀態、廣播消息和監控集群時間等功能。

3.2.3 應用服務器集群架構

為了部署大規模的應用服務器集群，系統采用分布式多層級模式。如圖7所示。

集群采用了兩級負載均衡，在一個大的集群中包含了若干個小的集群，每個小的集群都包含一個負載均衡器和多個應用服務器。通過兩級負載均衡技術，使得集群的規模從之前支持N個節點擴大到支持N×N個服務節點，實現了大規模的應用服務器集群的部署。同時，各個應用服務器子群可以根據不同的需求部署專用的地理信息服務，從而提高地理信息服務的性能。往往用戶傳來的請求往往比較小，而返回的結果相比請求大很多。因此，當從應用服務器返回的結果不再經過負載均衡以及Web服務層服務接口服務器。

圖7 應用服務器集群架構

3.3 高并發、高可靠的Web服務器集群

地理信息系統中，web服務器提供了瓦片服務、目錄服務、矢量數據服務、柵格數據服務、搜索服務、緩存服務等重要的服務功能。過去的地理信息系統實現的是由單個web服務器以REST的方式為用戶提供基本的地理信息服務，只支持少量數據的用戶并發訪問。面對高并發的用戶訪問以及海量地理空間數據的請求，一臺web服務器的處理能力和儲存能力遠遠不夠，因此系統使用web服務器集群來改善負載壓力，通過增加web服務器的方式不斷改善系統性能同樣實現了系統的伸縮性，解決了大量用戶的高并發訪問問題。架構使用接入服務器群作為web服務器層的負載均衡器，接入服務器獲取應用請求，然后根據請求的類型和各web服務器的負載狀況分配請求給合適的web服務器節點，并監控web服務器節點的健康狀態，及時進行故障轉移，使系統不會因為單個服務器的宕機而影響應用，為系統提供了高可靠的訪問能力。為了保證系統高可用，同樣采用了集群的形式來部署接入服務器集群[15-17]。

同時，系統優化了緩存機制。之前以服務地圖為單位的緩存機制替換為粒度更細的以瓦片圖層為單位的緩存機制。相比之前以服務地圖為單位的緩存，新的以瓦片圖層為單位的緩存更加的靈活，緩存重用度也更高。

4 結論

計算機網絡的迅速發展，使得人們獲取地理信息越來越方便快捷，但是隨之而來的是越來越龐大的用戶群體，越來越多的在線服務功能需求，高并發的訪問。我們需要不斷地完善與更新現有的地理信息體系架構，應用新的技術新的思想，給人們提供更多更好的地理信息服務。

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Geography information system architecture in service center

ZENG Li
（North China Institute of Computing Technology，Beijing100083，China）

In order to meet the demand of more abundant online service under the network environment in various areas and high effective，high reliability，high availability and high performance geography Information System in service center，a new GIS architecture is proposed.This paper analyzes and designs the GIS architecture in detail，then gives the technical approach of storage and management of mass geography spatial data，large-scale application server cluster，high concurrency and high reliability web server cluster.

geography information system；service center；architecture；technical approach

TN99

A

1674-6236（2017）23-0163-06

2017-04-24稿件編號：201704177

曾莉（1992—），女，四川達州人，碩士。研究方向：地理信息與圖形圖像。