張桂芬

(上海市測(cè)繪院，上海 200063)

1 引言

云計(jì)算是IT的一個(gè)概念，狹義云計(jì)算是指IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的資源(硬件、平臺(tái)、軟件)。廣義云計(jì)算是指服務(wù)的交付和使用模式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的服務(wù)，這種服務(wù)可以是IT和軟件、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的，也可以是任意其他的服務(wù)。提供資源(或服務(wù))的網(wǎng)絡(luò)被稱(chēng)為云，云中的資源在使用者看來(lái)是可以無(wú)限擴(kuò)展的，并且可以隨時(shí)獲取，按需使用，隨時(shí)擴(kuò)展，按使用付費(fèi)。隨著科技的進(jìn)步，云計(jì)算技術(shù)已悄然成為熱門(mén)，國(guó)內(nèi)企業(yè)不甘落后，三大通信運(yùn)營(yíng)商推出了自己的云計(jì)算計(jì)劃，政府也紛紛推出了自己的云計(jì)算計(jì)劃，像北京、上海等城市都推出了自己的云計(jì)算計(jì)劃，云計(jì)算即將給信息產(chǎn)業(yè)帶來(lái)翻天覆地的變化。而被認(rèn)為與人類(lèi)百分之八十的日?；顒?dòng)有關(guān)的地理信息，怎樣通過(guò)云計(jì)算技術(shù)以更高效、更便捷、更準(zhǔn)確的方式提供給社會(huì)公眾，是從事地理信息產(chǎn)業(yè)的所有人員正在研究的課題，也將是影響地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向的一個(gè)關(guān)鍵所在。下面就結(jié)合城市公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)的項(xiàng)目，淺談云計(jì)算技術(shù)在地理信息公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)中的應(yīng)用。

2 傳統(tǒng)的地理信息公共服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)

2.1 地理信息服務(wù)平臺(tái)總體架構(gòu)

地理信息的發(fā)展經(jīng)歷了桌面型 GIS、WebGIS、Server GIS幾個(gè)主要階段。目前，天地圖的建設(shè)吹響了中國(guó)測(cè)繪地理信息公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)的號(hào)角，各城市都在建設(shè)本地的地理信息公共服務(wù)平臺(tái)以滿足社會(huì)各界對(duì)地理信息的需求。以X市的建設(shè)為例，平臺(tái)建設(shè)的總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 X市地理信息服務(wù)平臺(tái)總體架構(gòu)圖

主要包含數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、運(yùn)行維護(hù)層三部分。數(shù)據(jù)層管理多源異構(gòu)的各類(lèi)地理信息資源，有矢量數(shù)據(jù)、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)、柵格數(shù)據(jù)等。服務(wù)層主要是發(fā)布并管理各類(lèi)地理信息服務(wù)，如符合OGC標(biāo)準(zhǔn)的WMTS(Web Map Tiled Services)、WFS(Web Feature Services)、WPS(Web Processing Services)等，供用戶在不同平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)調(diào)用的API(Application Programming Interface)和為最終用戶直接提供信息的應(yīng)用程序，服務(wù)層是平臺(tái)的核心內(nèi)容，對(duì)服務(wù)效率與服務(wù)質(zhì)量要求均比較高。運(yùn)行維護(hù)層主要是各種運(yùn)行維護(hù)機(jī)制的管理。

原有的地理信息公共服務(wù)平臺(tái)在架構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了傳統(tǒng)的Web GIS網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)路線，依據(jù)層次和功能劃分資源，主要包含數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器、Web Service服務(wù)器、地理信息發(fā)布服務(wù)器、服務(wù)管理服務(wù)器、安全防御設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器由于存儲(chǔ)及管理的數(shù)據(jù)量大而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要多臺(tái)服務(wù)器做支撐。地理信息發(fā)布服務(wù)器需要發(fā)布多種地圖服務(wù)，亦由多臺(tái)物理機(jī)支撐，其他功能服務(wù)器均需要進(jìn)行單獨(dú)配置以滿足需求。由于設(shè)備有限，僅有一臺(tái)機(jī)器做備用機(jī)，各應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)均只做物理備份，恢復(fù)及拓展均比較困難。

2.2 利弊分析

利:該方案根據(jù)層次及功能劃分服務(wù)器(資源)，層次分明，平臺(tái)響應(yīng)及運(yùn)算效率比較高，而且便于維護(hù)。

弊:數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器、Web Service服務(wù)器、地理信息發(fā)布服務(wù)器、服務(wù)管理服務(wù)器均為物理服務(wù)器。為滿足不同層次用戶的需求提供多種服務(wù)接口需要不同的軟件環(huán)境，確保平臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定需要備份服務(wù)器，保證數(shù)據(jù)的安全性(因意外事故能及時(shí)恢復(fù)數(shù)據(jù))也需要服務(wù)器資源，使得系統(tǒng)架構(gòu)起來(lái)不僅需要大量的硬件設(shè)備，而且根據(jù)平臺(tái)運(yùn)行情況增減設(shè)備及軟件時(shí)均需投入大量的人力物力，各應(yīng)用程序遷移比較困難。

服務(wù)器硬件配置一般都是比較好的，單獨(dú)按功能來(lái)劃分服務(wù)器會(huì)導(dǎo)致有些資源的浪費(fèi)，如果不按功能(或者合并某些功能)來(lái)劃分服務(wù)器又會(huì)使得服務(wù)器安裝的軟件系統(tǒng)比較臃腫，某些軟件間的沖突又會(huì)影響服務(wù)器的性能和處理效率。

2.3 優(yōu)化方案探究

云計(jì)算以三種基本形式為我們提供在信息技術(shù)建設(shè)中需要的IT資源，包括基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(把CPU的處理能力和海量的內(nèi)存、存儲(chǔ)空間當(dāng)作服務(wù))、平臺(tái)即服務(wù)(開(kāi)發(fā)平臺(tái)也是服務(wù))、軟件即服務(wù)(應(yīng)用軟件即是服務(wù))。作為地理信息公共服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)者，考慮到平臺(tái)要用有限的資源高效提供多種地理信息服務(wù)，我們可以通過(guò)建設(shè)私有云來(lái)實(shí)現(xiàn)，下面筆者將結(jié)合自己在基于云計(jì)算的城市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)中進(jìn)行的嘗試及研究展開(kāi)介紹。

3 基于私有云的地理信息平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 私有云建設(shè)

私有云是一種構(gòu)建在高效、自動(dòng)化和虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施上的共享環(huán)境，由于是為一個(gè)客戶單獨(dú)使用而構(gòu)建的，因而提供對(duì)數(shù)據(jù)、安全性和服務(wù)質(zhì)量的最有效控制。本文所說(shuō)的GIS私有云建設(shè)是將當(dāng)前平臺(tái)運(yùn)行中心的服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等資源整合起來(lái)，成為一個(gè)虛化的資源池(硬件資源池和軟件資源)，然后梳理資源池的各項(xiàng)資源(CPU、內(nèi)存、硬盤(pán)等)，進(jìn)而使運(yùn)行中心發(fā)展出自動(dòng)性、靈活性、可擴(kuò)展性的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn) QoS(Quality of Service)、SLA(Service Level Agreement)的保證。

3.2 基于私有云的地理信息平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

將機(jī)房不同機(jī)型的服務(wù)器資源(內(nèi)存、CPU、存儲(chǔ)空間)整合成一個(gè)資源池，根據(jù)功能需要在資源池劃分一定的資源進(jìn)行虛擬化，安裝及配置虛擬機(jī)。比如數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器需要8核CPU、16G內(nèi)存、100G存儲(chǔ)空間，根據(jù)需要?jiǎng)澐殖鲋付ㄙY源安裝操作系統(tǒng)配置軟件環(huán)境，然后用壓力測(cè)試軟件對(duì)服務(wù)器性能進(jìn)行測(cè)試，如果由于CPU或內(nèi)存等資源不足影響系統(tǒng)響應(yīng)效率，那么可以動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的資源，將服務(wù)器的內(nèi)存或CPU數(shù)量增加或減少，使服務(wù)器既能高效運(yùn)轉(zhuǎn)，又不浪費(fèi)資源。根據(jù)功能層次劃分服務(wù)器(或服務(wù)器集群)，每臺(tái)虛擬化的服務(wù)器均經(jīng)過(guò)仔細(xì)評(píng)估確定其所需資源，實(shí)現(xiàn)真正意義上的按需分配，有些管理用的虛擬機(jī)可以在需要使用時(shí)才開(kāi)啟，不用時(shí)將其關(guān)閉，將其CPU或內(nèi)存資源讓給其他服務(wù)使用。平臺(tái)虛擬機(jī)映射關(guān)系如圖2所示。

如圖2所示，原來(lái)只有7臺(tái)物理服務(wù)器，現(xiàn)在安裝配置了19臺(tái)虛擬機(jī)，將數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、不同方式發(fā)布地理信息服務(wù)的服務(wù)器、運(yùn)維管理的服務(wù)器獨(dú)立開(kāi)來(lái)，安裝不同的操作系統(tǒng)配置不同的軟件環(huán)境，同時(shí)根據(jù)需求將部分服務(wù)器構(gòu)建集群以提高效率，使平臺(tái)能夠滿足不同終端用戶使用地理信息服務(wù)的要求，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的多種GIS Services的功能。此外，由于合理利用了服務(wù)器資源，在架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還為各種應(yīng)用安裝部署了備用虛擬機(jī)，以便出現(xiàn)異常時(shí)可以及時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)環(huán)境保證平臺(tái)的正常運(yùn)行，確保平臺(tái)的穩(wěn)定性。

圖2 平臺(tái)虛擬機(jī)映射關(guān)系圖

3.3 涉及的關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化是云計(jì)算的基礎(chǔ)，虛擬化可以在一臺(tái)物理服務(wù)器上聚集多個(gè)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，以更好地利用服務(wù)器的計(jì)算資源。虛擬化通常由虛擬平臺(tái)軟件提供，如Hyper－V、VMware、PowerVM、Xen等。虛擬化平臺(tái)軟件幫助客戶搭建公有或私有的虛擬平臺(tái)，供客戶部署應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器資源的靈活伸縮，降低維護(hù)/升級(jí)成本。

X市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)基于VMware進(jìn)行架構(gòu)，涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:虛擬機(jī)的部署、虛擬機(jī)的安裝、虛擬機(jī)的管理、虛擬機(jī)與外界的文件傳輸。部署:根據(jù)規(guī)劃的功能設(shè)計(jì)虛擬機(jī)所需的資源、規(guī)劃物理服務(wù)器安裝哪些虛擬機(jī)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定。安裝:根據(jù)設(shè)計(jì)安裝虛擬機(jī)操作系統(tǒng)及各種軟件環(huán)境，部署應(yīng)用程序，同時(shí)將虛擬機(jī)保存為模板，以便出現(xiàn)意外時(shí)可以及時(shí)恢復(fù)。管理:通過(guò)Vcenter來(lái)管理Clusters(集群)、Resource Pool(資源池)、ESXI hosts(主機(jī))、Virtual Machine(虛擬機(jī))。傳輸:虛擬機(jī)可以實(shí)現(xiàn)與主機(jī)或客戶端機(jī)器共享光驅(qū)，有些資源(比如說(shuō)一些文件)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上傳或下載(如FTP)或借助第三方軟件實(shí)現(xiàn)。

3.3.2 負(fù)載/壓力測(cè)試技術(shù)

不同虛擬機(jī)安裝的軟件不同，實(shí)現(xiàn)的功能也不同，怎樣才能正確評(píng)估虛擬機(jī)分配的資源(CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、硬盤(pán)空間)等是否滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，需要我們對(duì)不同類(lèi)型的服務(wù)器進(jìn)行負(fù)載/壓力測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整虛擬機(jī)的各項(xiàng)配備資源，最終達(dá)到一個(gè)既保證系統(tǒng)高效運(yùn)行又充分利用資源的效果。

X市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)采用LoadRunner軟件進(jìn)行壓力測(cè)試，進(jìn)行負(fù)載/壓力測(cè)試主要分4個(gè)步驟:

(1)Vitrual User Generator創(chuàng)建腳本

①創(chuàng)建腳本，選擇協(xié)議

②錄制腳本

③編輯腳本

④檢查修改腳本是否有誤

(2)中央控制器(Controller)調(diào)度虛擬用戶

①創(chuàng)建Scenario，選擇腳本

②設(shè)置機(jī)器虛擬用戶數(shù)

③設(shè)置Schedule

④如果模擬多機(jī)測(cè)試，設(shè)置Ip Spoofer

(3)運(yùn)行腳本

分析scenario

(4)分析測(cè)試結(jié)果

測(cè)試完成后每個(gè)場(chǎng)景均會(huì)生成如圖3所示的測(cè)試報(bào)告(也可以根據(jù)需要生成詳細(xì)的分析報(bào)告)。

圖3 壓力測(cè)試報(bào)告

根據(jù)并發(fā)用戶數(shù)、平均每秒點(diǎn)擊數(shù)、吞吐量、事務(wù)摘要、平均事務(wù)響應(yīng)時(shí)間、每秒http響應(yīng)時(shí)間等分析圖結(jié)合分析報(bào)告查看當(dāng)前設(shè)置是否已復(fù)合設(shè)計(jì)要求，如果沒(méi)有，則增加有關(guān)資源的配置，再次測(cè)試，逐步達(dá)到完美的效果。

3.3.3 Service GIS技術(shù)

GIS軟件經(jīng)歷了傳統(tǒng)的一體化、面向組件、面向服務(wù)三個(gè)階段。面向組件實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)一體化軟件的改革:首先使GIS功能可靈活組裝，簡(jiǎn)化了GIS系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程，使GIS與業(yè)務(wù)功能更加緊密;其次解決了對(duì)具體開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的依賴(lài)。Service GIS則進(jìn)一步簡(jiǎn)化了GIS系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程，并使GIS系統(tǒng)適用于更多客戶端。Service GIS將GIS功能的實(shí)現(xiàn)由客戶端轉(zhuǎn)移到了服務(wù)器端，以Web接口的形式提供GIS功能，使基于各個(gè)云平臺(tái)發(fā)布出來(lái)的GIS功能提供形式無(wú)差別，便于客戶端開(kāi)發(fā)使用。

地理信息公共服務(wù)平臺(tái)需要提供給用戶的GIS功能應(yīng)該是以Web服務(wù)方式提供的，X市基礎(chǔ)地理信息公共服務(wù)平臺(tái)提供的各種地圖顯示、查詢(xún)接口(WMS、WMTS、WFS、CSW等)均是符合OGC標(biāo)準(zhǔn)且基于 http協(xié)議方式提供的。不同層次的用戶均不用考慮數(shù)據(jù)的格式及運(yùn)算方式，通過(guò)規(guī)范的接口實(shí)現(xiàn)云端的GIS功能(如與自己專(zhuān)題數(shù)據(jù)的融合分析等功能)，達(dá)到自己的研究或應(yīng)用的目的。這樣，地理信息公共服務(wù)平臺(tái)即實(shí)現(xiàn)了向不同層次的終端用戶提供GIS服務(wù)的功能。

3.4 實(shí)現(xiàn)效果分析

基于私有云構(gòu)建的城市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了發(fā)布管理各種服務(wù)的功能，實(shí)現(xiàn)效果如圖4所示。

圖4 X市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)效果圖

基于云計(jì)算技術(shù)而設(shè)計(jì)并搭建的城市級(jí)基礎(chǔ)地理信息公共服務(wù)平臺(tái)，有效解決了基于傳統(tǒng)Web GIS架構(gòu)引發(fā)的一系列問(wèn)題(如服務(wù)器資源不夠、拓展遷移困難、系統(tǒng)穩(wěn)定性無(wú)法保證)。通過(guò)虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序在同一臺(tái)物理服務(wù)器上運(yùn)行的可能，進(jìn)而使得服務(wù)器在架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將各服務(wù)器的分工更明確、架構(gòu)層次更合理，而且充分利用了服務(wù)器的資源，可根據(jù)具體運(yùn)行情況及時(shí)對(duì)服務(wù)器分配的資源進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到最優(yōu)整合的效果，同時(shí)，虛擬機(jī)可以保存成模板，方便在緊急情況下快速恢復(fù)系統(tǒng)保證平臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定。

基于私有云進(jìn)行服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)合理、層次明確，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)各種云端的GIS服務(wù)，服務(wù)內(nèi)容豐富、形式多樣、服務(wù)性能穩(wěn)定高效，使為公眾提供最便捷、最高效的GIS服務(wù)成為現(xiàn)實(shí)。

4 總結(jié)

本文結(jié)合城市公共服務(wù)平臺(tái)項(xiàng)目的建設(shè)，對(duì)基于云計(jì)算的城市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和探究，云計(jì)算給地理信息產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的影響遠(yuǎn)不止本文提到的這么多。它不僅降低了地理信息服務(wù)提供者的成本(如降低了本地服務(wù)器數(shù)量和機(jī)房配置復(fù)雜度，并使遠(yuǎn)程服務(wù)器也隨實(shí)際需求動(dòng)態(tài)開(kāi)啟和關(guān)閉，減少了服務(wù)器的電力耗費(fèi)，噪音污染，促進(jìn)綠色環(huán)保)，也為地理信息服務(wù)的二次開(kāi)發(fā)商帶來(lái)了福音(例如他們可以動(dòng)態(tài)的增加、減少私有云中物理服務(wù)器的數(shù)量，甚至由一臺(tái)物理服務(wù)器平滑遷移到另外一臺(tái)物理服務(wù)器，提升最終用戶滿意度。)，還為最終用戶帶來(lái)了價(jià)值、拓寬了地理信息的應(yīng)用面(主要是能為最終用戶節(jié)約GIS系統(tǒng)構(gòu)建成本，極大降低開(kāi)發(fā)難度)，將進(jìn)一步促進(jìn)中國(guó)的地理信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

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