【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 理信息的開放的分布式計(jì)算。 GIS 向分布式應(yīng)用方向發(fā)展是不僅地理信息科學(xué)發(fā)展的必然要求，也是其自身日趨走向成熟的標(biāo)志 【 閻君 ,1998】 。 2 萬維網(wǎng) 地理信息系統(tǒng) 萬維網(wǎng)的出現(xiàn)和發(fā)展，為地學(xué)空間數(shù)據(jù)提供了廣闊的社會(huì)需求，人們可以坐在自己的計(jì)算機(jī)前，通過因特網(wǎng)來獲得與空間位置相關(guān)的各種信息，如查找一個(gè)地區(qū)的旅游景點(diǎn)，得到一個(gè)城市的交通狀況等等。這樣的萬維網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)被人們稱為 WebGIS 系統(tǒng)，它的基本思想就是在萬維網(wǎng)上提供空間信息，讓用戶通過瀏覽器獲得和瀏覽一個(gè)空間 信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。正是互聯(lián)網(wǎng)對(duì)地理信息的需求推動(dòng)了 WebGIS 系統(tǒng)迅速地出現(xiàn)和發(fā)展。到 1999 年９月為止，在美國出現(xiàn)的這樣的系統(tǒng)就有 20 種之多。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展 ,分布式計(jì)算的優(yōu)勢(shì)正在逐漸顯現(xiàn)。作為處理具有天然分布特征的地理信息的地理信息系統(tǒng)與分布式技術(shù)結(jié)合也就成為必然。 分布式地理信息系統(tǒng)就是利用最先進(jìn)的分布式計(jì)算技術(shù)來處理分布在網(wǎng)絡(luò)上的異構(gòu)多源的地理信息，集成網(wǎng)絡(luò)上不同平臺(tái)上的空間服務(wù)，構(gòu)建一個(gè)物理上分布，邏輯上統(tǒng)一的地理信息系統(tǒng)。它與傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)最大的區(qū)別在于它不是按照系統(tǒng)的應(yīng)用類別、運(yùn) 行環(huán)境而劃分的，而是按照系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分布特征和針對(duì)其中數(shù)據(jù)處理的計(jì)算特征而分類的 【 李國建 1998】 。 由于種種原因，地理信息系統(tǒng)在一開始的發(fā)展中并沒有跟上分布式計(jì)算的步伐，只是在 Inter發(fā)展之后，才似乎突然醒悟到它的優(yōu)勢(shì) 【 錢進(jìn)， 1999】 。 Inter 以其全球性、開放性， Web 應(yīng)用以其標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)便性和普遍性為地理信息的分布式計(jì)算和迅速普及提供了良好的機(jī)遇。 目前基于 Inter 的地理信息系統(tǒng)，我們常稱為 WebGIS，這主要是由于大多數(shù)的客戶端應(yīng)用采用了 WWW協(xié)議。隨著技術(shù)的進(jìn)步，客戶端可能 會(huì)采用新的應(yīng)用協(xié)議，因此也被認(rèn)為是 Inter GIS。 作為分布式地理信息系統(tǒng)的一種重要表現(xiàn)形式， Web GIS 無論是在理論研究，還是在應(yīng)用方面都還處于發(fā)展階段。目前較有典型示范作用的的應(yīng)用有澳大利亞資源信息網(wǎng)絡(luò)（ ERIN， ）、 美 國 加 州 大 學(xué) 伯 克 利 分 校 數(shù) 字 圖 書 館 計(jì) 劃（ MapQuest 公司提供的網(wǎng)上地圖服務(wù)（ GIS廠商都推出了自己的 Inter GIS 解決方 10 案，為用戶構(gòu)建自己的 Inter GIS 應(yīng)用提供方便，如 Esri 公司的 Inter Map Sever、 MapInfo公司的 MapProServer、 Intergraph 公司的 GeoMedia Web Map、 Autodesk 公司的 MapGuide 等。但上述所提到的在設(shè)計(jì)上采用的都是第一代客戶 /服務(wù)器模式，基于傳統(tǒng)的 CGI 或服務(wù)器擴(kuò)展方式，沒有真正引入對(duì)象 web 概念。這種計(jì)算模式?jīng)]有解決異構(gòu)環(huán)境下的應(yīng)用互操作、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)安全等問題。 當(dāng)前國際、國內(nèi)都十分注重分布式 Inter GIS 的發(fā)展，認(rèn)為它將成為 GIS 發(fā)展的新一輪的熱點(diǎn)。 美國 UCGIS協(xié)會(huì)將分布式 GIS列為今后 GIS發(fā)展的十個(gè)主要方向之一。 UCGIS認(rèn)為基于 Inter的 GIS 是近期分布式 GIS發(fā)展的主要目標(biāo)。 美國 NCGIA 協(xié)會(huì)的地理概念的計(jì)算實(shí)現(xiàn)小組的年度報(bào)告中將定義和研究開放的、可以分布式存貯地理信息的新一代的 GIS 體系結(jié)構(gòu)列為主攻方向之一。 美國 Open GIS 協(xié)會(huì)長(zhǎng)期以來一直致力于數(shù)據(jù)和地理操作的分布與共享的研究與標(biāo)準(zhǔn)的指定。其制定的開放地理數(shù)據(jù)互操作規(guī)范給出了一個(gè)分布式訪問地理數(shù)據(jù)和獲得地理數(shù)據(jù)處理能力的軟件框架，遵照這個(gè)框架用戶可以在一個(gè)開放的信息技術(shù)環(huán)境中通過一致的計(jì)算接口訪問和處理不同來源的地理數(shù)據(jù)。在規(guī)范中規(guī)定了應(yīng)用程序之間所要互操作的地理數(shù)據(jù)所包含的各種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型和在這 些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型上所實(shí)施的操作，以及如何將這些標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)類型組織成應(yīng)用程序間交互的地理數(shù)據(jù)，另外還規(guī)定了共享地理操作的協(xié)議，應(yīng)用程序通過該協(xié)議得知提供地理操作的服務(wù)以及如何請(qǐng)求這些服務(wù)，或者從服務(wù)提供者的角度來看，得知一個(gè)請(qǐng)求是數(shù)據(jù)請(qǐng)求還是服務(wù)請(qǐng)求。遵循這個(gè)規(guī)范的軟件之間可以進(jìn)行互操作 【 Open GIS Consortium,1998】 。 Open GIS 協(xié)會(huì)已經(jīng)公布了基于這兩種分布式對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)的 OPEN GIS 的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的征求意見稿。但是一切都只是剛剛開始，尚未有成熟的理論和技術(shù)以及應(yīng)用系統(tǒng)的出現(xiàn)。 許多公司也 正在抓緊這方面的研究，如 Esri 公司正在大力招聘懂得分布式對(duì)象的 GIS 人才，為新一代的 Inter GIS 開發(fā)作準(zhǔn)備。 分布式計(jì)算 計(jì)算模式的發(fā)展 在計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域，隨著微處理器技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算模式經(jīng)過了幾次變遷： 1）集中式計(jì)算 從 1945 年現(xiàn)代計(jì)算機(jī)時(shí)代開始到1985 年前后，計(jì)算機(jī)是龐大而又昂貴的。即使是小型機(jī)，每臺(tái)也價(jià)值數(shù)萬美圓。因此，大多數(shù)機(jī)構(gòu)也只有有限的幾臺(tái)計(jì)算機(jī)。為了節(jié)省成本，在一個(gè)系統(tǒng)中往往以一臺(tái)主機(jī) (Mainframe)為主，連接著若干個(gè)終端設(shè)備。 所有圖 1 集中式計(jì)算方式 MainFrame 11 的數(shù)據(jù)存貯和計(jì)算都在主機(jī)上進(jìn)行，終端設(shè)備只負(fù)責(zé)為用戶發(fā)出計(jì)算請(qǐng)求和顯示計(jì)算結(jié)果。我們稱這種方式為集中式計(jì)算方式。 2）桌面計(jì)算 隨著集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步， 20 世紀(jì) 80 年代中期開始出現(xiàn)了微型計(jì)算機(jī)。按照摩爾定律每隔 18個(gè)月 CPU 的速度提高一倍，而價(jià)格卻下降一半。從 8位的機(jī)型，到隨后不久的 16 位， 32位，到今天 64位的 CPU，發(fā)展非常迅速。許多 PC機(jī)和工作站具備了以前大型計(jì)算機(jī)的能力，可以存貯大量的數(shù)據(jù)且能進(jìn)行相對(duì)復(fù)雜的計(jì)算，而價(jià)格卻非常便宜，可以被一個(gè)機(jī)構(gòu)大量采用。計(jì)算機(jī)也由此脫下了高貴的外衣，走入了尋 常百姓家。因此計(jì)算模式的主流從主機(jī)轉(zhuǎn)移到用戶桌面。我們稱這個(gè)階段為桌面計(jì)算階段。 3）分布式計(jì)算 進(jìn)入 20 世紀(jì) 90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)最顯著的進(jìn)步之一就是高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展。局域網(wǎng) LAN使得同一建筑內(nèi)的數(shù)十甚至上百臺(tái)計(jì)算機(jī)連接起來，使大量的信息能夠以 108~109比特 /秒的速度在計(jì)算機(jī)間傳送。廣域網(wǎng) WAN，尤其是 Internt 的迅速普及使得全球范圍內(nèi)的數(shù)百萬臺(tái)計(jì)算機(jī)連接起來得以進(jìn)行信息交換，改變了人們傳統(tǒng)的獲取、處理信息的方式。隨著計(jì)算資源的網(wǎng)絡(luò)化，擁有個(gè)人計(jì)算機(jī)或工作站的廣大用戶 ,迫切需要共享或集 成分布于網(wǎng)絡(luò)上的豐富信息資源 ,用以廉價(jià)獲得超出局部計(jì)算機(jī)能力的高品質(zhì)服務(wù) ,并逐步實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作。因此在多個(gè)資源上進(jìn)行分布式處理就變得越來越迫切。從簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)共享到多個(gè)服務(wù)的先進(jìn)系統(tǒng)，大量的計(jì)算轉(zhuǎn)移到了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的各種資源和個(gè)人桌面。分布式計(jì)算時(shí)代初露端倪，分布計(jì)算成為影響當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)力量。 分布式計(jì)算的特征 對(duì)于分布式計(jì)算或者稱分布式系統(tǒng)、分布式應(yīng)用，不同的學(xué)者有著不同的定義。 認(rèn)為一個(gè)分布式系統(tǒng)可以看作是一些獨(dú)立的計(jì)算機(jī)集合，但是對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的 用戶來說，系統(tǒng)就象一臺(tái)計(jì)算機(jī)一樣。這個(gè)定義有兩個(gè)方面的含義：第一，從硬件角度來講，每臺(tái)計(jì)算機(jī)都是自主的；第二，從軟件角度來講，用戶將整個(gè)系統(tǒng)看作是一臺(tái)計(jì)算機(jī) 【 Tanenbaum， 1995】 。 Carl 則將分布式計(jì)算定義為通過多個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)處理來完成一個(gè)特定的任務(wù)，每個(gè)處理可以在相同或不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上以并行或串行的方式進(jìn)行，通過通信協(xié)議相互協(xié)作完成任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)了把計(jì)算負(fù)擔(dān)分散到多個(gè)能通信的計(jì)算機(jī)上。 【 Hall,1995】 。對(duì)于分布式應(yīng)用系統(tǒng)， 作了如下描述：圖 2 分布式計(jì)算模式 12 包含許多物理資源 和邏輯資源；通過網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)信息交換；有一個(gè)高層的操作系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理；系統(tǒng)對(duì)用戶透明；系統(tǒng)中各部分資源既相互獨(dú)立又相互配合。 從上面的定義不難看出，系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)的互聯(lián)和各部分在網(wǎng)絡(luò)中的分布僅僅是分布式計(jì)算的必要條件，分布式系統(tǒng)的統(tǒng)一的邏輯特性才是其充分條件 【 鄒珊剛 ,1987】 ，其主要特征主要有以下幾點(diǎn) 【 Tanenbaum,1995】【 李寧 ,1997】 ： 1）透明性： 主要指單系統(tǒng)映像。通俗的說，就是讓用戶將一些機(jī)器集合的協(xié)同工作看作是工作是在一臺(tái)機(jī)器上完成的。其主要包括：位置透明，即用戶不需知道軟 、硬件資源如 CPU、文件和數(shù)據(jù)庫的位置，資源的名字不應(yīng)含有資源的位置信息；遷移透明，即資源無須更名就可自由地在系統(tǒng)中流動(dòng) , 外界不需要知道系統(tǒng)為使資源均衡而改變對(duì)象的位置；復(fù)制透明，即系統(tǒng)可以隨意地為文件和其他資源進(jìn)行附加拷貝而無須用戶知道；并發(fā)透明，即多個(gè)用戶可以自動(dòng)共享資源；并行透明，即系統(tǒng)活動(dòng)可以在用戶沒有感覺的情況下并行發(fā)生。存取透明 :隱藏?cái)?shù)據(jù)表示和調(diào)用機(jī)制的異同 ,使用同樣的方式；失敗透明，即將出錯(cuò)和恢復(fù)事件隱藏在對(duì)象內(nèi)部 ,以達(dá)到容錯(cuò)的目的；持久性透明，即對(duì)象里隱藏著所用資源的變化 ,如處理器資源、存 貯資源的凍結(jié)與解凍；重定位透明，即改變一個(gè)接口的位置不影響與之編聯(lián)的其它接口；提交透明，即一組對(duì)象發(fā)生作用的次序不影響結(jié)果的一致性。 2）靈活性： 可以根據(jù)不同的情況，用最有效的方式將工作負(fù)荷分配到可用的機(jī)器上，最大限度地合理利用資源。 3）可靠性： 系統(tǒng)可以屏蔽錯(cuò)誤。通過把工作負(fù)載分散到眾多的機(jī)器上，單個(gè)芯片的故障最多只會(huì)使一臺(tái)機(jī)器停機(jī)，而其他機(jī)器不會(huì)受任何影響。理想條件下，某一時(shí)刻如果有 5%的計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將仍能繼續(xù)工作，只不過損失 5%的性能。對(duì)于某些關(guān)鍵性應(yīng)用，如證券交易或核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)，采用分布 式系統(tǒng)可以保證其高可靠性。 4）可伸縮性： 系統(tǒng)可在需求增長(zhǎng)的時(shí)候，通過增加資源，對(duì)系統(tǒng)能力進(jìn)行靈活地?cái)U(kuò)充。 由此不難總結(jié)出分布計(jì)算是指在獨(dú)立的計(jì)算機(jī)的集合系統(tǒng)中通過網(wǎng)絡(luò)通信來開發(fā)、部署、管理和維護(hù)以資源共享和協(xié)同工作為主要應(yīng)用目標(biāo)的分布式應(yīng)用系統(tǒng)。相對(duì)于集中式計(jì)算模式，分布式計(jì)算在性能價(jià)格比、計(jì)算能力、可靠性、伸縮性和解決問題固有的分布性上占有明顯的優(yōu)勢(shì)；而對(duì)于桌面計(jì)算，其則在數(shù)據(jù)共享、設(shè)備共享、通信、靈活性等方面顯示出了無可比擬的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，事物總是一分為二的，分布式計(jì)算也面臨著一些急需解決的問題，如沒有 一個(gè)權(quán)威統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、缺乏開發(fā)分布式系統(tǒng)的軟件、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載飽和引起的問題、數(shù)據(jù)安全等問題。 分布式計(jì)算模型 進(jìn)入 90 年代，分布式計(jì)算的實(shí)現(xiàn)主要依賴于經(jīng)典的客戶機(jī) /服務(wù)器計(jì)算模型。它將分布式應(yīng)用分解為客戶和服務(wù)器兩大部分，客戶機(jī)首先發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器在接到客戶的請(qǐng)求后提供服務(wù)。這種方式不同于主機(jī)的計(jì)算模型在于：充分利用了客戶端微機(jī)或工作站的計(jì)算能力，每一個(gè)客戶機(jī)都是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算單元 ,有自己的處理和存儲(chǔ)器 ,負(fù)責(zé)處理應(yīng)用系統(tǒng)的顯示邏輯，如圖形用戶界面、信息預(yù)處理等，而把復(fù)雜的計(jì)算，如業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)處理，交 給了服務(wù)器。通過平衡客戶機(jī)和服務(wù)器 13 的負(fù)載以實(shí)現(xiàn)分布式資源和信息的共享。目前 Inter 上最流行的 WWW 應(yīng)用就是一種分布式的客戶機(jī) /服務(wù)器結(jié)構(gòu)。 圖 3 WWW 應(yīng)用計(jì)算模型 WWW 應(yīng)用是一種多層結(jié)構(gòu)，分為客戶端、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器?？蛻舳丝梢酝ㄟ^瀏覽器 (Browser)以標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議訪問分布在網(wǎng)絡(luò)上的各種多媒體信息， 如文本、圖像、聲音、視頻。瀏覽器的技術(shù)簡(jiǎn)明易用，一旦用戶學(xué)會(huì)了使用瀏覽器，也就打開了運(yùn)用系統(tǒng)上各種信息資源的大門；應(yīng)用服務(wù)器端通過 Web Server 提供各 種應(yīng)用服務(wù)，包括各種業(yè)務(wù)處理邏輯；客戶機(jī)不必關(guān)心服務(wù)器的具體位置，它可以把分布在網(wǎng)絡(luò)上的許多服務(wù)器當(dāng)成是一臺(tái)巨大的 虛擬主機(jī) ，各個(gè)應(yīng)用服務(wù)可以是并行的也可以是串行的，通過中間件用以消除通信協(xié)議、數(shù)據(jù)庫查詢語言、應(yīng)用邏輯與操作系統(tǒng)之間潛在的不兼容問題；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器就是 DBMS,負(fù)責(zé)管理對(duì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的讀寫，迅速執(zhí)行大量數(shù)據(jù)的更新和檢索。 上述計(jì)算模型是在共享分布資源的應(yīng)用背景下形成的，只是實(shí)現(xiàn)完全的分布式計(jì)算的一個(gè)中間步驟。隨著對(duì)象模型、構(gòu)件技術(shù)、 Web 技術(shù)的不斷進(jìn)步，在新的應(yīng)用需求的沖擊下，分布式計(jì)算開始向 分散對(duì)等的協(xié)同計(jì)算方向發(fā)展，分布式對(duì)象技術(shù)正成為分布式計(jì)算的主流。 對(duì)象模型、構(gòu)件技術(shù)、 Web 技術(shù)的融合徹底改變了系統(tǒng)的構(gòu)造方法。在分布式系統(tǒng)中，對(duì)象被用來表示分布的、可移動(dòng)的、可通信的實(shí)體；構(gòu)件化的軟件開發(fā)方法使對(duì)象被加在網(wǎng)絡(luò)上、集成在中間件上，達(dá)到跨平臺(tái)的互操作和高的可伸縮性； WEB技術(shù)使應(yīng)用對(duì)象可以在 Inter 這個(gè)開放的計(jì)算平臺(tái)上移動(dòng) 【 Wallnau,1997】 。這是一個(gè)全新的計(jì)算模式，核心是可互操作的對(duì)象，即軟件對(duì)象間可透明地進(jìn)行相互通信，彼此地位是對(duì)等的可使用對(duì)方的服務(wù)，而不管這些對(duì)象是處于 同一編址空間 ,還是不同的編址空間，或是根本不同的機(jī)器上。該模式主要具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 在分布式對(duì)象市場(chǎng)中有三種主要的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)：包含 760 多個(gè)成員的對(duì)象管理組織（ OMG）的公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu)（ CORBA）； SUN 公司的 Java 遠(yuǎn)程方法調(diào)用（ RMI）和 Micerosoft 公司的分布式構(gòu)件對(duì)象模型（ DCOM）。 In t er n etDatabaseW eb Serv er amp。A p p licat io n Serv erDatabaseDatabase 14 當(dāng)前， CORBA 和 JAVA 以其平臺(tái)獨(dú)立性，其影響已大大超過了微軟的