汪晶晶，季凱帆，王 鋒，2，鄧 輝

(1.昆明理工大學(xué)云南省計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650051;2.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)/云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011)

近十年來(lái)，世界科技界將其在未來(lái)研究領(lǐng)域中的重大突破寄希望于以“下一代互聯(lián)網(wǎng)”為基礎(chǔ)的全球信息化科研環(huán)境的建立和科研項(xiàng)目的協(xié)同合作上。伴隨這種趨勢(shì)，天文學(xué)界興起了虛擬天文臺(tái)這一新概念［1］。2001年9月，英國(guó)科學(xué)家為構(gòu)建一個(gè)完整的虛擬天文臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)提出了耗資一千萬(wàn)英鎊的項(xiàng)目AstroGrid。該架構(gòu)充分利用已定義的公共接口，結(jié)合分析和可視化工具推進(jìn)不同天文數(shù)據(jù)中心間的相互作用，同時(shí)也有助于不同天文數(shù)據(jù)中心向數(shù)據(jù)網(wǎng)格基礎(chǔ)架構(gòu)發(fā)布服務(wù)和數(shù)據(jù)［2］?？梢哉f(shuō)AstroGrid是進(jìn)入虛擬天文臺(tái)的門戶平臺(tái)［3］。

作為AstroGrid的核心CEA是為適應(yīng)將應(yīng)用程序封裝為Web服務(wù)的需求而興起的新概念。CEA的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是:工作于Web服務(wù)框架;具有參數(shù)傳遞機(jī)制和Web接口;應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)描述語(yǔ)言(Web Services Description Language，WSDL)片段描述應(yīng)用程序以及運(yùn)用注冊(cè)表區(qū)別應(yīng)用程序［4］。

一方面，天文觀測(cè)數(shù)據(jù)近幾年來(lái)雪崩式的產(chǎn)生推動(dòng)自動(dòng)化工具在天文研究中的運(yùn)用。跨平臺(tái)、開放、松耦合的Web服務(wù)很好地符合了天文數(shù)據(jù)發(fā)布的需求。將各種天文工具及資源發(fā)布成Web服務(wù)，更有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)密集型的網(wǎng)絡(luò)化天文研究環(huán)境。依據(jù)與AstroGrid整合的應(yīng)用程序類型的不同，AstroGrid CEA支持對(duì)3種類型應(yīng)用程序的封裝，即:命令行應(yīng)用程序，基于超文本傳送協(xié)議(Hypertext Transport Protocol，HTTP)的Web應(yīng)用程序以及Java編寫的應(yīng)用程序［5］，從而以服務(wù)的方式向用戶提供科學(xué)級(jí)的應(yīng)用。另一方面，國(guó)內(nèi)外目前主流的天文數(shù)據(jù)發(fā)布方式有Web頁(yè)面、客戶端和Web服務(wù)，而在Web服務(wù)中大多數(shù)是表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移(Representational State Transfer，REST)風(fēng)格的Web服務(wù)［6］。但是REST風(fēng)格的Web服務(wù)相比簡(jiǎn)單對(duì)象訪問協(xié)議(Simple Object Access Protocol，SOAP)風(fēng)格的Web服務(wù)缺少了傳輸協(xié)議和服務(wù)的定義，因此不利于在自動(dòng)化工具中實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)識(shí)別并調(diào)用。AstroGrid CEA提供雙接口遠(yuǎn)程調(diào)用已定義應(yīng)用程序，即SOAP接口(又稱公共執(zhí)行接口Common Execution Connector，CEA)和Universal Worker Service(UWS)REST接口。而UWS REST接口比SOAP更容易驅(qū)動(dòng)和使用。因此，AstroGrid CEA同時(shí)支持兩種風(fēng)格Web服務(wù)的搭建，可使Web服務(wù)既符合國(guó)際虛擬天文臺(tái)聯(lián)盟IVOA的規(guī)范又可獲得在SOAP客戶端調(diào)用的便利。

因此，對(duì)AstroGrid CEA進(jìn)行深入的分析和理解，對(duì)推動(dòng)未來(lái)天文應(yīng)用軟件開發(fā)中標(biāo)準(zhǔn)的遵循或兼容以及對(duì)天文數(shù)據(jù)和應(yīng)用的集成與無(wú)縫連接將具有明顯的價(jià)值。

1 AstroGrid和CEA構(gòu)架

1.1 AstroGrid整體結(jié)構(gòu)

圖1顯示了AstroGrid的整體結(jié)構(gòu)。從層次結(jié)構(gòu)來(lái)看，AstroGrid實(shí)現(xiàn)的功能不僅包括提供桌面應(yīng)用軟件的部分，還包括為了方便開發(fā)而封裝的底層結(jié)構(gòu)，以及用于實(shí)現(xiàn)各種交互效果的頁(yè)面組件。

圖1 AstroGrid組件Fig.1 The components of the AstroGrid

Portal是AstroGrid的門戶，基于Web用戶界面與底層AstroGrid基礎(chǔ)架構(gòu)提供的服務(wù)相互作用，實(shí)現(xiàn)透明服務(wù)及應(yīng)用。

Community定義了各種用戶的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)。它的管理功能包括創(chuàng)建賬戶和組，添加賬戶到組，刪除賬戶等。

Registry存儲(chǔ)大量的元數(shù)據(jù)資源。例如數(shù)據(jù)集、Web服務(wù)、服務(wù)和其他數(shù)據(jù)庫(kù)的注冊(cè)信息。

VOSpace定義了遠(yuǎn)程存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，并為科學(xué)家提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。存儲(chǔ)信息包括文件、數(shù)據(jù)庫(kù)表和賬戶等。用戶無(wú)需指定物理地址即可進(jìn)行訪問操作。

Workflow通過AstroGrid Python腳本提供簡(jiǎn)單的自動(dòng)化任務(wù)流程，而AstroGrid服務(wù)器端組件工作執(zhí)行服務(wù)(Job Execution Services，JES)作為工作流引擎，處理復(fù)雜的工作流。用戶可通過Workflow提供的工作執(zhí)行系統(tǒng)(Job Execution System，JES)接口提交、安排和監(jiān)測(cè)任務(wù)，例如異步查詢目錄、運(yùn)行應(yīng)用程序或搜索注冊(cè)表等。

DSA組件屬于虛擬天文臺(tái)協(xié)議與各種數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)庫(kù)之間的轉(zhuǎn)換插件。

作為AstroGrid核心技術(shù)架構(gòu)的CEA力圖構(gòu)建一套合理的接口和架構(gòu)，對(duì)虛擬天文臺(tái)天文應(yīng)用執(zhí)行過程進(jìn)行建模［7］。CEA提供標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序及其參數(shù)的接口和模型，擴(kuò)展虛擬天文臺(tái)資源模式，規(guī)范化WSDL并提供更高級(jí)別的描述語(yǔ)言，并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的異步操作［8］。CEA保管描述系統(tǒng)中每個(gè)服務(wù)的特殊功能，并保留共同部分，從而Portal和JES系統(tǒng)中的工作流系統(tǒng)不需要針對(duì)不同的服務(wù)編寫特殊代碼就能驅(qū)動(dòng)各種數(shù)據(jù)篩選服務(wù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換服務(wù)［9］。CEA與AstroGrid工作流組件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了虛擬天文臺(tái)的分布式處理技術(shù)。

1.2 CEA 框架

CEA希望實(shí)現(xiàn)的功能不僅包括提供應(yīng)用程序異步操作的部分，還包括為了方便開發(fā)而封裝的底層結(jié)構(gòu)，包括:

CEA Client是為客戶提供CEA服務(wù)的客戶端，從而簡(jiǎn)化與SOAP服務(wù)的溝通。

CEA server library組件提供了AstroGrid CEA公共庫(kù)，該公共庫(kù)包括大量CEA代碼，但是并沒提供代碼運(yùn)行環(huán)境。

CEA common library包括服務(wù)器和客戶端常見的CEA類，該組件可與其他組件綁定創(chuàng)建服務(wù)。用戶可以基于CEA common library創(chuàng)建屬于自己且符合IVOA規(guī)范的Web服務(wù)。

CEA CEC(Common Execution Connector)Web服務(wù)器屬于需要實(shí)際部署的服務(wù)器組件。它提供了Java類應(yīng)用程序的公共執(zhí)行連接器Web服務(wù)，使天文應(yīng)用程序適合于虛擬天文臺(tái)環(huán)境，從而用戶能通過AstroGrid門戶、桌面應(yīng)用程序和工作流系統(tǒng)調(diào)用應(yīng)用程序［10］。

CEA服務(wù)器和客戶端軟件把Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)隱藏于AstroGrid底層框架之下，例如Workflow［11］。CEA的重要特性是運(yùn)用單個(gè)Web服務(wù)定義和應(yīng)用模型描述多類型的應(yīng)用程序。因此對(duì)公共執(zhí)行架構(gòu)的描述分為兩部分:

(1)應(yīng)用程序及其參數(shù)的數(shù)據(jù)模型的描述。該模型包含對(duì)虛擬天文臺(tái)注冊(cè)表內(nèi)應(yīng)用程序資源和調(diào)用應(yīng)用程序及其參數(shù)的描述［12］;

(2)支持遠(yuǎn)程調(diào)用符合CEA規(guī)范應(yīng)用程序的特定的Web接口描述。采用XML文檔描述應(yīng)用程序調(diào)用過程，運(yùn)行應(yīng)用程序，并以異步、安全的方式返回結(jié)果［13］。

2 JC-CEC組件

CEA Java-class-application server組件是在Tomcat中運(yùn)行的CEC Web服務(wù)器組件的一部分，針對(duì)Java類應(yīng)用程序提供CEC Web服務(wù)，簡(jiǎn)稱JC-CEC。JC-CEC作為服務(wù)器組件，可在Servlet容器中或以獨(dú)立服務(wù)器的方式運(yùn)行，此處采用生產(chǎn)環(huán)境中更常用的Servlet容器模式Tomcat。其中JC-CEC WAR文件的WEB-INF/lib目錄下包含可執(zhí)行的jar文件，有助于方便發(fā)布和執(zhí)行Java應(yīng)用程序，比如Axis.jar作為Web服務(wù)引擎及客戶端引擎。而jar文件提供了SOAPWrapper類和ExecutionManager類。SOAPWrapper類使得任何接受對(duì)象的操作可以用來(lái)操作基本類型，ExecutionManager類則用于執(zhí)行生成的公共入口點(diǎn)。如果虛擬天文臺(tái)用戶想運(yùn)行選擇的Java應(yīng)用程序，應(yīng)該先安裝JC-CEC組件，并對(duì)JC-CEC進(jìn)行相應(yīng)的配置，主要包括編輯Registry-template.xml和App-description.xml文件。接著獲取并安裝應(yīng)用程序，最后通過門戶、桌面應(yīng)用程序和工作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。相關(guān)組件如圖2。

圖2 JC-CEC組件Fig.2 Components of the CEA Java Class Application

3 利用CEA發(fā)布中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)光譜處理數(shù)據(jù)

2002年以來(lái)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天體物理中心一直利用SDSS光譜數(shù)據(jù)研究星系和活動(dòng)星系核，并在此過程中發(fā)展了一套完善的光譜數(shù)據(jù)處理與分析方法和程序，它能自動(dòng)分析海量的星系和活動(dòng)星系核光譜。主要功能包括兩方面:一是將寄主星系恒星光譜貢獻(xiàn)與活動(dòng)星系核貢獻(xiàn)從光譜數(shù)據(jù)中分離(星核光譜分離);二是對(duì)各成份的譜線和連續(xù)譜做精確的分解和測(cè)量，目前計(jì)算結(jié)構(gòu)以FITS格式保存。經(jīng)過鄧玉坤等的努力，基于PHP網(wǎng)站采用將FITS圖像部分參數(shù)插入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)在需要時(shí)對(duì)FITS文件實(shí)時(shí)處理作為數(shù)據(jù)源的方式實(shí)現(xiàn)了FITS格式的光譜數(shù)據(jù)發(fā)布及檢索［14］。天文學(xué)家可以通過定義圓形天區(qū)中心坐標(biāo)和搜索半徑確定天區(qū)范圍，創(chuàng)建并搜索給定天區(qū)中的天體目標(biāo)。李曉科等則采用面向Web服務(wù)的天文數(shù)據(jù)發(fā)布技術(shù)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)支持SOAP風(fēng)格和REST風(fēng)格的錐型檢索服務(wù)［15］。在此基礎(chǔ)上利用AstroGrid CEA框架實(shí)現(xiàn)錐型檢索數(shù)據(jù)的發(fā)布，進(jìn)而將數(shù)據(jù)融合到AstroGrid虛擬天文臺(tái)門戶中，供全世界天文學(xué)家使用。

整個(gè)搭建及調(diào)用過程包含以下步驟:(1)將JC-CEC部署到Tomcat容器中;(2)在Eclipse中編寫服務(wù)代碼及服務(wù)配置文件;(3)將應(yīng)用程序打包并部署到JC-CEC中;(4)在瀏覽器或客戶端調(diào)用服務(wù)。以下詳細(xì)介紹各步驟。

(1)安裝JC-CEC

安裝JC-CEC包括3個(gè)步驟:下載Tomcat安裝包及CEA Java-class-application server WAR文件;重命名WAR文件，保持與Web應(yīng)用程序上下文的名字相匹配，例如，astrogrid-cea-javaclass.war;將WAR文件放入Tomcat的webapps目錄下，即可自動(dòng)解壓并啟動(dòng)Web應(yīng)用程序。這樣就可以通過瀏覽器訪問JC-CEC的Web頁(yè)面。

(2)編寫服務(wù)代碼及服務(wù)配置文件

首先要根據(jù)光譜數(shù)據(jù)錐型檢索功能的流程編寫服務(wù)代碼。其流程包括服務(wù)端接收到OMElement類型參數(shù)后，分析XML文檔對(duì)象獲得傳入的赤經(jīng)/赤緯/半徑3個(gè)參數(shù);判斷參數(shù)是否有效。如果參數(shù)無(wú)效則按照IVOA規(guī)范返回包含錯(cuò)誤消息的VOTable，如果有效則查詢數(shù)據(jù)庫(kù)并生成包含檢索結(jié)果的VOTable，最后將VOTable轉(zhuǎn)換為OMElement并返回。

完成服務(wù)代碼的編寫后，需要編寫服務(wù)的配置文件。服務(wù)配置文件可以描述服務(wù)的名稱、開放接口、接口使用的傳輸方式等。針對(duì)錐型檢索接口需把消息接收器配置為RawXMLINOutMessageReceiver，以便返回自定義格式的XML。

(3)打包并部署應(yīng)用程序

為了讓W(xué)eb應(yīng)用程序與JC-CEC協(xié)同工作，還需對(duì)JC-CEC進(jìn)行相應(yīng)的配置。包括:

編輯JC-CEC環(huán)境，即應(yīng)用程序服務(wù)器的“環(huán)境項(xiàng)”，告知JC-CEC查找路徑。對(duì)于Tomcat 5.0容器而言，這就意味著需要編輯${CATALINA_HOME/conf/Catalina/localhost/astrogrid-cea-javaclass.xml文件。

編輯“registration-template”XML文檔。該文件中CeaApplicationType和CeaServiceType兩個(gè)資源文件提供CEC服務(wù)及其應(yīng)用程序的注冊(cè)信息。CEC讀取這個(gè)文件，并與本地配置信息結(jié)合產(chǎn)生注冊(cè)文件?！皉egistration-template”XML文檔包含＜ApplicationDefinition＞元數(shù)據(jù)和＜VOResource＞元數(shù)據(jù)，例如＜ApplicationDefinition＞描述機(jī)器如何運(yùn)行應(yīng)用程序，JC-CEC會(huì)根據(jù)本地配置文件向＜ApplicationDefinition＞添加相應(yīng)的信息，然后運(yùn)用＜VOResource＞封裝應(yīng)用程序，發(fā)布＜VOResource＞。

重啟JC-CEC Web服務(wù)獲得修改的配置。也可重啟Tomcat，或使用Tomcat Manager Application重啟整個(gè)Web應(yīng)用程序。

通過Eclipse中菜單File-Export-JAR file將設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的錐型檢索服務(wù)進(jìn)行打包，然后選擇輸出到JC-CEC的WEB-INFlib目錄下即可由JC-CEC引擎自動(dòng)完成部署服務(wù)。

為了讓載入的Java應(yīng)用程序適應(yīng)虛擬天文臺(tái)環(huán)境，還需要對(duì)JC-CEC配置文件WEB-INFweb.xml進(jìn)行相應(yīng)修改，具體編輯內(nèi)容如下:

(4)調(diào)用服務(wù)

當(dāng)用戶執(zhí)行應(yīng)用程序調(diào)用操作，JC-CEC首先查找資源注冊(cè)表，通過分析＜VOResource＞元數(shù)據(jù)獲得＜ApplicaitionDefinition＞，依據(jù)＜ApplicaitionDefinition＞從用戶界面添加參數(shù)，激活門戶 Portal的workflow executor，啟動(dòng)SOAP引擎執(zhí)行調(diào)用操作，服務(wù)成功接收參數(shù)并查詢返回符合IVOA規(guī)范的錐型檢索規(guī)范的結(jié)果。JC-CEC服務(wù)器支持Universal Worker Service REST接口，即CEC頁(yè)面的側(cè)菜單項(xiàng)Test run of application［16］。該接口通過Web運(yùn)行載入的應(yīng)用程序。所以在瀏覽器中直接輸入網(wǎng)址即可調(diào)用剛才搭建的錐型檢索服務(wù)。通過以上步驟即實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用CEA發(fā)布中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)光譜處理數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)AstroGrid CEA的實(shí)現(xiàn)原理、基本架構(gòu)、接口分析和應(yīng)用模型進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)研，對(duì)如何運(yùn)用CEA進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上，通過CEA實(shí)現(xiàn)了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)光譜處理數(shù)據(jù)的發(fā)布，完成了基于FITS格式的錐型檢索服務(wù)，為未來(lái)天文應(yīng)用軟件開發(fā)中標(biāo)準(zhǔn)的遵循或兼容以及對(duì)天文數(shù)據(jù)和應(yīng)用的集成與無(wú)縫連接打下了基礎(chǔ)。AstroGrid CEA架構(gòu)提供完整的Web服務(wù)異步環(huán)境中定義和執(zhí)行應(yīng)用程序方法，實(shí)現(xiàn)了AstroGrid工作流系統(tǒng)，就這點(diǎn)而論，CEA擁有完善的框架及功能。然而，隨著AstroGrid演變，以及更科學(xué)的應(yīng)用移植到虛擬天文臺(tái)，需要對(duì)CEA組件進(jìn)行評(píng)估、升級(jí)，對(duì)整體模型進(jìn)行擴(kuò)展，支持新的應(yīng)用程序直接使用CEA Web接口，從而滿足用戶需求，也為國(guó)內(nèi)天文應(yīng)用向AstroGrid的移植和應(yīng)用提供更為有力的支持。

［1］崔辰州，趙永恒.作為網(wǎng)絡(luò)時(shí)代天文研究的基礎(chǔ)平臺(tái)—虛擬天文臺(tái)方興未艾 ［EB/OL］.(2003-10-31) ［2011-06-24］.http://www.bast.net.cn/kjxx/gjxx/2003/10/31/11548.shtml.

［2］Lawrence Andy.AstroGrid:powering the virtual observatory ［C］//Szalay，Alexander S.Virtual Observatories.Proceedings of the SPIE，2002，4846:6－12.

［3］Welcome to AstroGrid ［EB/OL］.［2011-06-24］.http://www.astrogrid.org/.

［4］Harrison P N，Winstanley J Taylor.The AstroGrid common execution architecture(CEA) ［J］.Astronomical Data Analysis Software and Systems XIV ASP Conference Series，2005，347:291－295.

［5］CEA CEC web server 2009.1 ［EB/OL］.［2011-06-24］.http://software.astrogrid.org/doc//p/cea/2009.1/cec/.

［6］SkyServer:application programmer’s interface ［EB/OL］.［2011-06-24］.http://cas.sdss.org/dr7/en/help/docs/api.asp.

［7］The AstroGrid engine room ［EB/OL］.［2011-06-24］.http://www.astrogrid.org/wiki/Home/AGEngineRoom.

［8］Common execution architecture(CEA) ［EB/OL］.［2011-06-24］.http://astrogrid.ast.cam.ac.uk/architecture-itn6/document/cea.html.

［9］AstroGrid for deployers 2009 ［EB/OL］.［2011-06-24］.http://deployer.astrogrid.org/RELEASE/architecture.html.

［10］Common execution architecture(CEA) ［EB/OL］.［2011-06-24］.http://software.astrogrid.org/doc/p/cea/2009.1/.

［11］Common execution architecture design ［EB/OL］.［2011-06-24］.http://www.astrogrid.org/maven/docs/HEAD/applications/design/CEADesign.html.

［12］Harrison P.A proposal for a common execution architecture version 1.2 ［EB/OL］.［2011-06-24］.http://www.ivoa.net/Documents/Notes/CEA/CEADesignIVOANote-20050513.html.

［13］Paul Harrison.E.a.t.I.G.a.W.S.W.G.CEA application model:a model of an application in the common application architecture version 1.02007 ［EB/OL］.［2011-06-24］.http://www.jb.man.ac.uk/～ pah/ivoa/CEAApplicationDM.html.

［14］鄧玉坤，王鋒，鄧輝，等.天文輕量級(jí)科學(xué)工作流系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) ［J］.天文研究與技術(shù)——國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)刊，2010，7(4):338－343.Deng Yukun，Wang Feng，Deng Hui，et al.A lightweight scientific workflow system for astronomical data processing ［J］.Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2010，7(4):338－343.

［15］李曉科，季凱帆，鄧輝，等.面向Web服務(wù)的天文數(shù)據(jù)發(fā)布技術(shù) ［J］.天文研究與技術(shù)——國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)刊，2011，9(1):70－78.Li Xiaoke，Ji Kaifan，Deng Hui，et al.Astronomical data publishing techniques oriented toward the WEB SERVICE ［J］.Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2011，9(1):70－78.

［16］CEA CEC web server［EB/OL］.［2011-06-24］.http://software.astrogrid.org/doc/p/cea/2009.1/cec/Application Configuration.html.