基于虛擬云計算架構(gòu)的GIS服務(wù)資源彈性調(diào)度應(yīng)用研究

朱 劍

(廣西壯族自治區(qū)國土資源信息中心，廣西南寧530028)

一、引 言

隨著政府和社會對地理空間信息資源的大力開發(fā)和地理信息系統(tǒng)平臺的廣泛利用，基于服務(wù)形式提供的空間數(shù)據(jù)資源的訪問量不斷增大，傳統(tǒng)的以單機或物理實體服務(wù)器上普通集群技術(shù)構(gòu)建起來的GIS服務(wù)平臺已經(jīng)不能適應(yīng)對業(yè)務(wù)類型和數(shù)據(jù)類型請求快速變化的需要。當(dāng)前主要遇到如下問題：

1)用戶數(shù)量或用戶訪問頻率突然增加，使得超負(fù)荷的服務(wù)請求推向后端單機服務(wù)器/服務(wù)器群，從而導(dǎo)致服務(wù)器端計算資源不足，進(jìn)而停止響應(yīng)或響應(yīng)變慢，用戶應(yīng)用體驗受阻或影響工作。

2)因設(shè)計之初沒有預(yù)料到的資源需求環(huán)境而盲目擴大或減小以服務(wù)器和存儲為主的計算資源的投入，導(dǎo)致預(yù)算失真，進(jìn)而影響項目的實際效能發(fā)揮和造成巨大的資金浪費或缺口。

上述兩種情況都將導(dǎo)致技術(shù)人員必須停止GIS服務(wù)，重新搭建滿足需求的環(huán)境，如添加新的服務(wù)器或更換性能更好的服務(wù)器，以及伴隨而來的重新配置系統(tǒng)環(huán)境、遷移數(shù)據(jù)、重新發(fā)布地圖服務(wù)等操作。這樣就使得GIS服務(wù)不得不停止，直至新的環(huán)境搭建完成，嚴(yán)重影響了服務(wù)的連續(xù)性。

本文探討的是將虛擬云計算技術(shù)和GIS服務(wù)資源彈性調(diào)度技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于GIS服務(wù)部署工作中，以解決上述不足。系統(tǒng)部署的實例環(huán)境以某省國土資源廳“國土資源遙感監(jiān)測‘一張圖’數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)”的實際需求進(jìn)行探討。

二、相關(guān)技術(shù)簡述

1.虛擬云計算架構(gòu)

虛擬云計算架構(gòu)在本文中指采用虛擬化軟件技術(shù)將物理服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)備整合為無差別、可按需調(diào)用的虛擬化計算、存儲和通信資源，提供基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(infrastructure as a service，IaaS)的云計算應(yīng)用類型。整個虛擬資源的調(diào)用，可以通過資源管理中心和調(diào)用管理中心API接口，人工或自動化分配，如生成虛擬服務(wù)器和生成虛擬存儲磁盤等。其特點在于使得云計算的規(guī)?？梢愿鶕?jù)用戶的使用規(guī)模變化，動態(tài)伸縮，具有高度的擴展性，可以在同一個云計算環(huán)境下支撐不同的應(yīng)用運行。用戶部署服務(wù)時，無需關(guān)心每一個應(yīng)用的物理環(huán)境平臺。

本文的研究對象采用VMware vSphere 5虛擬化平臺產(chǎn)品。

2.GIS服務(wù)資源彈性調(diào)度

在Esri的 ArcGISfor Server 10.1中提出了GIS服務(wù)資源彈性調(diào)度的概念和相應(yīng)的部署技術(shù)。該技術(shù)將所有的GIS Server以P2P技術(shù)進(jìn)行集群互聯(lián)，以Server Site群集的形式統(tǒng)一對外提供GIS服務(wù)。Server Site群組中不再以SOC和SOM服務(wù)器來劃分管理服務(wù)器和集群節(jié)點服務(wù)器，而是無差別地提供管理服務(wù)。當(dāng)GIS的請求資源增加或減少，或是出現(xiàn)服務(wù)器單點故障時，ArcGIS Server中的Site Manage服務(wù)器就通過Cloud Builder on VMware組件訪問VMware vSphere的VCenter API，通過預(yù)置好的GISServer模板，啟動或關(guān)閉虛擬服務(wù)器，并將其作為一個GISServer節(jié)點加入或退出提供GIS服務(wù)的Server Site群集。這樣即使某一個GISServer節(jié)點意外宕掉，也不會導(dǎo)致整個地圖服務(wù)的停止運行。同樣，當(dāng)需要增加一個GISServer節(jié)點時，以plug-in方式插入一個節(jié)點，為服務(wù)提高負(fù)載能力。這種松散的、熱插拔的架構(gòu)是構(gòu)建云GIS應(yīng)用的基石。在邏輯上，這n個GISServers節(jié)點組織為一個Site站點。整個邏輯關(guān)系可簡單概括為：以Site為架構(gòu)單位;Cluster為GIS服務(wù)的邏輯單位;GISServer為實際處理單位;GISInstance實例為每個GIS功能的處理容器。體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 GIS資源彈性調(diào)度環(huán)境體系架構(gòu)示意圖

三、技術(shù)應(yīng)用實例

1.系統(tǒng)架構(gòu)

某省國土資源廳“國土資源遙感監(jiān)測‘一張圖’數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)”的整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1)基礎(chǔ)設(shè)施層?；A(chǔ)設(shè)施層由物理服務(wù)器、集中存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件設(shè)備構(gòu)成。通過虛擬化技術(shù)封裝成可提供資源池化，可形成邏輯存儲磁盤、邏輯虛擬化服務(wù)器，并可根據(jù)需求調(diào)用的云計算架構(gòu)，供上層使用。

2)資源池化層。使用虛擬服務(wù)器安裝部署GIS服務(wù)的實例，并加入具體的Site-GISServer服務(wù)集群(Cluster)，使用Esri Cloud Builder on VMware管理用于GIS服務(wù)實例的ArcGIS服務(wù)實例鏡像，用于彈性調(diào)度時自動生成和關(guān)閉，同時對資源的使用情況進(jìn)行監(jiān)控。

3)數(shù)據(jù)資源池。使用資源池化層提供的服務(wù)器資源和存儲資源承載的各類影像、矢量、屬性、業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)，如土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)、土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)、礦業(yè)權(quán)數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)和隱患點數(shù)據(jù)等。

4)服務(wù)平臺層。ArcGIS Server通過Site集群發(fā)布的各類型GIS數(shù)據(jù)服務(wù)。

5)系統(tǒng)應(yīng)用層。通過發(fā)布的GIS服務(wù)搭建的各類上層系統(tǒng)應(yīng)用。

2.主要配置過程簡介

(1)創(chuàng)建Site站點架構(gòu)

在VMware的虛擬服務(wù)器上安裝完成ArcGIS for Server 10.1，并選擇New Site操作創(chuàng)建一個新的Site站點，用于一個新的ArcGISServer環(huán)境，在創(chuàng)建新的站點過程中配置 Directories和 Configuration Store路徑及Site用戶信息。然后在其他的服務(wù)器上安裝Server，并添加到Site站點中，使之成為Siteful的GISServer節(jié)點，否則就為孤立的節(jié)點，不屬于架構(gòu)之內(nèi)。每個可用(runnable)的GIS Server所需的一系列數(shù)據(jù)都被保存到Site相關(guān)屬性里，如所屬的集群信息、服務(wù)信息、服務(wù)所依賴的數(shù)據(jù)信息、目錄信息，以及日志信息等，GIS Server也是基于這些信息才能提供具體服務(wù)的。一個具體的應(yīng)用GIS環(huán)境只有一個 Site站點。最后，安裝好 ArcGIS for Server 10.1，并將編輯好Site屬性的虛擬服務(wù)器保存成一個VM的虛擬服務(wù)器鏡像文件，用于資源的彈性調(diào)度管理。

(2)搭建服務(wù)集群(Cluster)

安裝好Site后，默認(rèn)會生成一個“default”的集群，單個Site里面的多個可用的GIS Server可以創(chuàng)建多個集群。集群是具體服務(wù)的承載容器，某一個地圖服務(wù)必須用其中一個集群來發(fā)布，但一個集群可以發(fā)布多個服務(wù)。

(3)利用ArcGISServer管理服務(wù)對池化的資源彈性調(diào)度管理

當(dāng)GIS資源出現(xiàn)緊缺時，則開始利用ArcGIS Server管理服務(wù)對池化的資源進(jìn)行彈性調(diào)度管理，下面以向服務(wù)中的Site增加GIS Server為例進(jìn)行說明。首先通過VMware的vCenter工具啟動一個虛擬服務(wù)器鏡像;然后在其中打開ArcGISServer Manager。

ArcGISServer 10.1提供了一個Admin API和Web Adaptor工具，用于通過Web方式管理Site和其他服務(wù)資源。站點的管理地址是http：∥＜server name＞ ：6080/arcgis/manager，點擊加入一個現(xiàn)存的站點，站點的加入也是通過服務(wù)形式發(fā)布的，地址是 http：∥ ＜ server name＞ ：6080/，如果有密碼則輸入站點密碼;接下來選擇需要加入的服務(wù)集群;最后關(guān)閉頁面即可完成資源的增加。

3.實例試驗效果

整個虛擬化云計算環(huán)境下的GIS資源彈性調(diào)度的部署目的，就是當(dāng)并發(fā)量增加時，平臺首先判斷GISServers機器的物理處理能力是否飽和。如果不飽和，增加現(xiàn)有GISServer機器中的實例進(jìn)程數(shù)，使其達(dá)到飽和狀態(tài);隨著GIS Sever性能達(dá)到飽和狀態(tài)，平臺將自動啟動新的GIS Server，并將新的機器運算資源加入到GIS服務(wù)邏輯單位中;如再飽和，則繼續(xù)擴展，直至搭建完成滿足用戶需求的環(huán)境，如圖3所示。

圖3 GISServer系統(tǒng)地圖服務(wù)狀態(tài)

如圖4 所示，此時僅有一臺 GISServer(10.2.1.184)正在啟用，其ArcSOC.exe*32進(jìn)程數(shù)已經(jīng)達(dá)到較高值133。從圖3的GISServer系統(tǒng)地圖服務(wù)狀態(tài)中可以了解到，此時DLTB的地圖服務(wù)的運行實例已經(jīng)達(dá)到29個，說明此時用戶并發(fā)訪問量較大。

圖4 GISServer的進(jìn)程狀態(tài)

此時“一張圖”的云計算架構(gòu)就會啟動第二臺GISServer用來保障運算資源的充足，如圖5所示。

圖5 云計算平臺啟動新的GISServer情況

由圖5可知，此時已有10.2.1.184、10.2.1.185兩臺機器啟動，用來提供運算資源，同時在任務(wù)管理器中可以查看到兩臺服務(wù)器的ArcSOC.exe*32由原來的單臺133的進(jìn)程數(shù)分配成兩臺分別為96和94個進(jìn)程的GIS Sever服務(wù)器，從而獲得更優(yōu)的運算性能。反之，如并發(fā)量減少，現(xiàn)有的資源已經(jīng)滿足需求，平臺將自動移除GISServer機器，通過這些動態(tài)的調(diào)整，以實現(xiàn)最合理的資源利用，而這些資源的調(diào)整都不會停止服務(wù)端的服務(wù)。

四、結(jié)束語

采用基于虛擬云計算架構(gòu)的GIS服務(wù)資源彈性調(diào)度技術(shù)來部署地理空間信息服務(wù)應(yīng)用，能夠在不大規(guī)模改動計算資源的基礎(chǔ)上，交替平滑地調(diào)整面向用戶的GIS應(yīng)用，來對應(yīng)不同的實際生產(chǎn)應(yīng)用情況。且對于用戶來說，完全是感受不到的，無論用戶使用多復(fù)雜，都能獲得流程的體驗。該技術(shù)對于政府、企業(yè)等大型不間斷GIS服務(wù)的提供機構(gòu)具有重要的意義，因而具有良好的應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步推廣和研究。

［1］Esri公司.Deploying an ArcGIS Server Site on VMware［EB/OL］.［2013-03-11］.http：∥resources.arcgis.com/en/help/main/10.1/index.html#∥0154000005z8000000.

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