【文章內(nèi)容簡介】 理信息的開放的分布式計算。 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)提供了廣闊的社會需求，人們可以坐在自己的計算機前，通過因特網(wǎng)來獲得與空間位置相關(guān)的各種信息，如查找一個地區(qū)的旅游景點，得到一個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空間 信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。正是互聯(lián)網(wǎng)對地理信息的需求推動了 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。 計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展 ,分布式計算的優(yōu)勢正在逐漸顯現(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)就是利用最先進的分布式計算技術(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)上不同平臺上的空間服務(wù)，構(gòu)建一個物理上分布，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 行環(huán)境而劃分的，而是按照系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分布特征和針對其中數(shù)據(jù)處理的計算特征而分類的 【 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 【 錢進， 1999】 。 Inter 以其全球性、開放性， Web 應(yīng)用以其標(biāo)準(zhǔn)化、簡便性和普遍性為地理信息的分布式計算和迅速普及提供了良好的機遇。 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)的進步，客戶端可能 會采用新的應(yīng)用協(xié)議，因此也被認為是 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 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)器擴展方式，沒有真正引入對象 web 概念。這種計算模式?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，認為它將成為 GIS 發(fā)展的新一輪的熱點。 美國 UCGIS協(xié)會將分布式 GIS列為今后 GIS發(fā)展的十個主要方向之一。 UCGIS認為基于 Inter的 GIS 是近期分布式 GIS發(fā)展的主要目標(biāo)。 美國 NCGIA 協(xié)會的地理概念的計算實現(xiàn)小組的年度報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)會長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，遵照這個框架用戶可以在一個開放的信息技術(shù)環(huán)境中通過一致的計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)以及如何請求這些服務(wù)，或者從服務(wù)提供者的角度來看，得知一個請求是數(shù)據(jù)請求還是服務(wù)請求。遵循這個規(guī)范的軟件之間可以進行互操作 【 Open GIS Consortium,1998】 。 Open GIS 協(xié)會已經(jīng)公布了基于這兩種分布式對象標(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象的 GIS 人才，為新一代的 Inter GIS 開發(fā)作準(zhǔn)備。 分布式計算 計算模式的發(fā)展 在計算技術(shù)領(lǐng)域，隨著微處理器技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，計算模式經(jīng)過了幾次變遷： 1）集中式計算 從 1945 年現(xiàn)代計算機時代開始到1985 年前后，計算機是龐大而又昂貴的。即使是小型機，每臺也價值數(shù)萬美圓。因此，大多數(shù)機構(gòu)也只有有限的幾臺計算機。為了節(jié)省成本，在一個系統(tǒng)中往往以一臺主機 (Mainframe)為主，連接著若干個終端設(shè)備。 所有圖 1 集中式計算方式 MainFrame 11 的數(shù)據(jù)存貯和計算都在主機上進行，終端設(shè)備只負責(zé)為用戶發(fā)出計算請求和顯示計算結(jié)果。我們稱這種方式為集中式計算方式。 2）桌面計算 隨著集成電路技術(shù)的不斷進步， 20 世紀 80 年代中期開始出現(xiàn)了微型計算機。按照摩爾定律每隔 18個月 CPU 的速度提高一倍，而價格卻下降一半。從 8位的機型，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機和工作站具備了以前大型計算機的能力，可以存貯大量的數(shù)據(jù)且能進行相對復(fù)雜的計算，而價格卻非常便宜，可以被一個機構(gòu)大量采用。計算機也由此脫下了高貴的外衣，走入了尋 常百姓家。因此計算模式的主流從主機轉(zhuǎn)移到用戶桌面。我們稱這個階段為桌面計算階段。 3）分布式計算 進入 20 世紀 90年代，計算機技術(shù)最顯著的進步之一就是高速計算機網(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)十甚至上百臺計算機連接起來，使大量的信息能夠以 108~109比特 /秒的速度在計算機間傳送。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)百萬臺計算機連接起來得以進行信息交換，改變了人們傳統(tǒng)的獲取、處理信息的方式。隨著計算資源的網(wǎng)絡(luò)化，擁有個人計算機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 ,用以廉價獲得超出局部計算機能力的高品質(zhì)服務(wù) ,并逐步實現(xiàn)計算機支持的協(xié)同工作。因此在多個資源上進行分布式處理就變得越來越迫切。從簡單的數(shù)據(jù)共享到多個服務(wù)的先進系統(tǒng)，大量的計算轉(zhuǎn)移到了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的各種資源和個人桌面。分布式計算時代初露端倪，分布計算成為影響當(dāng)今計算機技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)力量。 分布式計算的特征 對于分布式計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。 認為一個分布式系統(tǒng)可以看作是一些獨立的計算機集合，但是對這個系統(tǒng)的 用戶來說，系統(tǒng)就象一臺計算機一樣。這個定義有兩個方面的含義：第一，從硬件角度來講，每臺計算機都是自主的；第二，從軟件角度來講，用戶將整個系統(tǒng)看作是一臺計算機 【 Tanenbaum， 1995】 。 Carl 則將分布式計算定義為通過多個獨立的計算機處理來完成一個特定的任務(wù)，每個處理可以在相同或不同的計算機平臺上以并行或串行的方式進行，通過通信協(xié)議相互協(xié)作完成任務(wù)，從而實現(xiàn)了把計算負擔(dān)分散到多個能通信的計算機上。 【 Hall,1995】 。對于分布式應(yīng)用系統(tǒng)， 作了如下描述：圖 2 分布式計算模式 12 包含許多物理資源 和邏輯資源；通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)信息交換；有一個高層的操作系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)進行管理；系統(tǒng)對用戶透明；系統(tǒng)中各部分資源既相互獨立又相互配合。 從上面的定義不難看出，系統(tǒng)中計算機的互聯(lián)和各部分在網(wǎng)絡(luò)中的分布僅僅是分布式計算的必要條件，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 【 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器集合的協(xié)同工作看作是工作是在一臺機器上完成的。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 , 外界不需要知道系統(tǒng)為使資源均衡而改變對象的位置；復(fù)制透明，即系統(tǒng)可以隨意地為文件和其他資源進行附加拷貝而無須用戶知道；并發(fā)透明，即多個用戶可以自動共享資源；并行透明，即系統(tǒng)活動可以在用戶沒有感覺的情況下并行發(fā)生。存取透明 :隱藏數(shù)據(jù)表示和調(diào)用機制的異同 ,使用同樣的方式；失敗透明，即將出錯和恢復(fù)事件隱藏在對象內(nèi)部 ,以達到容錯的目的；持久性透明，即對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荷分配到可用的機器上，最大限度地合理利用資源。 3）可靠性： 系統(tǒng)可以屏蔽錯誤。通過把工作負載分散到眾多的機器上，單個芯片的故障最多只會使一臺機器停機，而其他機器不會受任何影響。理想條件下，某一時刻如果有 5%的計算機出現(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)可在需求增長的時候，通過增加資源，對系統(tǒng)能力進行靈活地擴充。 由此不難總結(jié)出分布計算是指在獨立的計算機的集合系統(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)。相對于集中式計算模式，分布式計算在性能價格比、計算能力、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；而對于桌面計算，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。當(dāng)然，事物總是一分為二的，分布式計算也面臨著一些急需解決的問題，如沒有 一個權(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)負載飽和引起的問題、數(shù)據(jù)安全等問題。 分布式計算模型 進入 90 年代，分布式計算的實現(xiàn)主要依賴于經(jīng)典的客戶機 /服務(wù)器計算模型。它將分布式應(yīng)用分解為客戶和服務(wù)器兩大部分，客戶機首先發(fā)出請求，服務(wù)器在接到客戶的請求后提供服務(wù)。這種方式不同于主機的計算模型在于：充分利用了客戶端微機或工作站的計算能力，每一個客戶機都是一個獨立的計算單元 ,有自己的處理和存儲器 ,負責(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。通過平衡客戶機和服務(wù)器 13 的負載以實現(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 /服務(wù)器結(jié)構(gòu)。 圖 3 WWW 應(yīng)用計算模型 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)簡明易用，一旦用戶學(xué)會了使用瀏覽器，也就打開了運用系統(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)成是一臺巨大的 虛擬主機 ，各個應(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,負責(zé)管理對數(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。 上述計算模型是在共享分布資源的應(yīng)用背景下形成的，只是實現(xiàn)完全的分布式計算的一個中間步驟。隨著對象模型、構(gòu)件技術(shù)、 Web 技術(shù)的不斷進步，在新的應(yīng)用需求的沖擊下，分布式計算開始向 分散對等的協(xié)同計算方向發(fā)展，分布式對象技術(shù)正成為分布式計算的主流。 對象模型、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，對象被用來表示分布的、可移動的、可通信的實體；構(gòu)件化的軟件開發(fā)方法使對象被加在網(wǎng)絡(luò)上、集成在中間件上，達到跨平臺的互操作和高的可伸縮性； WEB技術(shù)使應(yīng)用對象可以在 Inter 這個開放的計算平臺上移動 【 Wallnau,1997】 。這是一個全新的計算模式，核心是可互操作的對象，即軟件對象間可透明地進行相互通信，彼此地位是對等的可使用對方的服務(wù)，而不管這些對象是處于 同一編址空間 ,還是不同的編址空間，或是根本不同的機器上。該模式主要具有如下特點和優(yōu)勢： 在分布式對象市場中有三種主要的競爭技術(shù)：包含 760 多個成員的對象管理組織（ OMG）的公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)（ CORBA）； SUN 公司的 Java 遠程方法調(diào)用（ RMI）和 Micerosoft 公司的分布式構(gòu)件對象模型（ 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 以其平臺獨立性，其影響已大大超過了微軟的