基于Zookeeper的國土資源檔案分布式查詢框架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顧乾斌+潘善亮

【摘 要】基于業(yè)務(wù)發(fā)展需求，市國土資源局需要集成下屬縣（市）區(qū)國土資源局的檔案數(shù)據(jù)，并提供全大市統(tǒng)一檔案查詢視圖，故設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于Zookeeper服務(wù)注冊中心機(jī)制，采用REST服務(wù)風(fēng)格的分布式檔案數(shù)據(jù)查詢框架，通過RESTful WebService解決了異地分布數(shù)據(jù)查詢的問題，同時(shí)結(jié)合Lucene搜索引擎提供的全文索引功能，提高了數(shù)據(jù)查詢速度和查準(zhǔn)率，實(shí)際系統(tǒng)投入使用效果良好。

【關(guān)鍵詞】Zookeeper REST 國土檔案 WebService

[Abstract] In view of the business development demand， the city bureau of land resources needs to integrate the archive data of the subordinate counties （city）s bureau and provide the unified view file query to the market. A distributed archives data query framework in which the Zookeeper service registration mechanism and the REST service style are used. By means of RESTful Web Service， the remote distributed data query was resolved. Combined with the full-text index function provided by Lucene search engine， the data query speed and accuracy are enhanced with good application effect in real systems.

[Key words]Zookeeper REST land archives WebService

1 引言

國土資源檔案管理是專業(yè)性較強(qiáng)的一項(xiàng)工作，因?yàn)槠渲袑I(yè)檔案較多，特別是地籍資料，具有很高的查找利用價(jià)值。近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快和新農(nóng)村建設(shè)的推進(jìn)，拆遷安置中引發(fā)的土地糾紛也隨之增加。國土檔案工作可以為調(diào)處土地權(quán)屬糾紛、土地違法案件、信訪案件提供大量證據(jù)資料，切實(shí)維護(hù)土地所有者、使用者的權(quán)益，進(jìn)一步促進(jìn)社會的和諧穩(wěn)定；在解決鄰里糾紛、民事訴訟、房屋拆遷補(bǔ)償、辦理土地使用權(quán)證等方面發(fā)揮重要作用。

隨著信息化發(fā)展的加快，國土檔案管理對象從紙質(zhì)文檔發(fā)展到了電子影像文檔。檔案數(shù)據(jù)的來源從過去純粹的單一系統(tǒng)錄入，轉(zhuǎn)變到來自不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)。因此迫切地需要集成化的國土檔案資源管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

當(dāng)前的檔案管理系統(tǒng)在歸檔時(shí)需要二次掃描，重復(fù)性工作量大。其次，全市國土檔案數(shù)據(jù)在物理上分布于各個(gè)縣區(qū)，各縣市區(qū)的檔案系統(tǒng)無法提供一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)入口以供對全市范圍的檔案數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，原檔案查詢過程繁瑣。針對這些問題，需要對不同系統(tǒng)的未歸檔數(shù)據(jù)和物理上獨(dú)立分布的已歸檔數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，并提供統(tǒng)一的檔案查詢接口，使檔案查詢歸檔更加快捷方便，提高檔案的利用率。

目前基于WebService的面向服務(wù)的架構(gòu)SOA成為人們解決問題的主要途徑[1]。近年來，表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移（REST，Representational State Transfer）作為架構(gòu)被提出，其高可擴(kuò)展性和簡單的部署方式更適合于輕量級的Web服務(wù)，尤其適合面向資源的應(yīng)用[2]?；赗EST風(fēng)格構(gòu)建的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用具有方便集成、提高服務(wù)器的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)?；赯ookeeper設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)服務(wù)的注冊發(fā)現(xiàn)中心，提高了注冊中心的一致性和高性能。基于Node.js實(shí)現(xiàn)的Service Gateway（服務(wù)網(wǎng)關(guān)）可解耦服務(wù)消費(fèi)者和服務(wù)提供者，對外提供統(tǒng)一的服務(wù)調(diào)用方式。本文主要研究如何利用REST、注冊中心和服務(wù)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性好、穩(wěn)定性高的分布式查詢框架，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)松耦合、易查詢的國土資源檔案信息系統(tǒng)的建立，解決不同系統(tǒng)之間的資源集成問題，并采用Lucene對部分關(guān)鍵表的重要字段以及部分文檔實(shí)時(shí)建立全文索引，以提高檔案資源的利用率[4]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 面向服務(wù)的架構(gòu)SOA

SOA的基本概念：面向服務(wù)的體系架構(gòu)是一個(gè)組件模型，其架構(gòu)思想主張系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)相分離，使系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)不再受制于技術(shù)實(shí)現(xiàn)因素。面向服務(wù)的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)擺脫技術(shù)的束縛，為解決異構(gòu)系統(tǒng)通信與互操作問題提供了一種行之有效的解決方案[5]。在SOA架構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用所提供的面向服務(wù)的特性，對原有國土資源局及縣市區(qū)的應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析，將必要的資源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒蚕淼臉?biāo)準(zhǔn)服務(wù)，然后通過對服務(wù)的調(diào)用來完成各個(gè)應(yīng)用和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互與業(yè)務(wù)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)、分布式應(yīng)用系統(tǒng)之間的敏捷、快速、松耦合、高可靠的應(yīng)用集成的體系架構(gòu)[6]。

2.2 REST

REST是2000年Roy Thomas Fielding博士在他的論文中提出的一個(gè)術(shù)語。其核心思想是將Web應(yīng)用中所有信息均抽象為“資源”，而所有操作也都是基于資源完成的[7]。在REST中，認(rèn)為Web是由一系列抽象資源組成的。

REST并不是一種架構(gòu)，而是一種約束或者說是設(shè)計(jì)原則，任何符合該約束的服務(wù)或架構(gòu)都可以稱為是RESTful的服務(wù)或架構(gòu)。在RESTful架構(gòu)中，當(dāng)客戶請求時(shí)，返回資源的一種特定表現(xiàn)形式，例如Json、PDF、XML等。這種基于資源的設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)的基于動(dòng)作的設(shè)計(jì)思想。RESTful Web服務(wù)是基于HTTP協(xié)議的，Web應(yīng)用程序通過一致的接口（URI）來暴露資源，客戶端通過HTTP的四個(gè)動(dòng)作謂詞來訪問資源[8]。因此可以顯式地使用CRUD方法，即創(chuàng)建、讀取、更新和刪除（CRUD，Create、Read、Update、Delete），從而與HTTP服務(wù)建立四種映射。

綜上，通過RESTful風(fēng)格設(shè)計(jì)國土資源檔案管理系統(tǒng)能夠賦予其高伸縮性、擴(kuò)展性和靈活性，通過標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)來訪問檔案資源，使整個(gè)架構(gòu)更加簡潔。因此對于國土檔案資源在物理上多點(diǎn)分布和系統(tǒng)異構(gòu)并存的資源環(huán)境，使用RESTful Web服務(wù)是合適的。

2.3 Zookeeper分布式服務(wù)注冊中心

Zookeeper是一個(gè)分布式的框架，應(yīng)用于解決分布式集群系統(tǒng)的一致性問題。Zookeeper提供了基于類似文件系統(tǒng)的目錄節(jié)點(diǎn)樹方式的數(shù)據(jù)存儲，其不僅是存儲這些數(shù)據(jù)，還可以維護(hù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的狀態(tài)變化，并將這些數(shù)據(jù)的最新狀態(tài)通知給數(shù)據(jù)服務(wù)的使用者[9]。

Zookeeper作為分布式服務(wù)的注冊發(fā)現(xiàn)配置中心，可以對服務(wù)提供者和服務(wù)消費(fèi)者進(jìn)行解耦，服務(wù)提供者在應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)向服務(wù)中心注冊，服務(wù)消費(fèi)者在應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)向服務(wù)注冊中心拉取當(dāng)前的提供者基本數(shù)據(jù)[10]。Zookeeper分布式服務(wù)注冊中心示意圖如圖1所示。

如圖1所示，用socket長連接來保持服務(wù)提供者、服務(wù)消費(fèi)者（可以是服務(wù)網(wǎng)關(guān)）和服務(wù)注冊中心之間的連通性，并通過心跳包來感知服務(wù)提供者，服務(wù)消費(fèi)者可及時(shí)獲取到最新的可用服務(wù)列表，確保注冊中心服務(wù)的可用性以及架構(gòu)的健壯性和伸縮性。

（1）健壯性

1）注冊中心宕機(jī)后，服務(wù)消費(fèi)者仍能通過本地緩存的服務(wù)目錄調(diào)用服務(wù)提供者；

2）服務(wù)提供者無狀態(tài)，一臺宕機(jī)后，服務(wù)消費(fèi)者根據(jù)拉取到的服務(wù)信息仍可調(diào)用其他服務(wù)。

（2）伸縮性：服務(wù)提供者無狀態(tài)，可動(dòng)態(tài)增加機(jī)器部署實(shí)例，注冊中心將推送新的服務(wù)提供者信息給服務(wù)消費(fèi)者。

3 需求分析

3.1 數(shù)據(jù)和系統(tǒng)現(xiàn)狀

市國土資源局的各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)建立在信息化進(jìn)程中的不同時(shí)期，所采用的技術(shù)和架構(gòu)存在較大差異，早期系統(tǒng)沒有解決各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成問題，全市檔案數(shù)據(jù)分布于各縣市區(qū)和市局的檔案系統(tǒng)中，由于這些系統(tǒng)采用的技術(shù)架構(gòu)不同，無法很好地集成數(shù)據(jù)，形成了信息孤島，從而導(dǎo)致了在檔案數(shù)據(jù)歸檔時(shí)出現(xiàn)重復(fù)性工作。加之不動(dòng)產(chǎn)登記對國土檔案數(shù)據(jù)有著大范圍的查檔需求，故建立集成化的檔案管理系統(tǒng)迫在眉睫。

對上述現(xiàn)狀可歸納為已歸檔的檔案數(shù)據(jù)在物理上多點(diǎn)分布，需歸檔的數(shù)據(jù)存在于異構(gòu)的系統(tǒng)中，要在數(shù)據(jù)層面上以服務(wù)的形式進(jìn)行集成[6]。集成后可以提高檔案查詢的效率，只需打開一個(gè)瀏覽器終端頁面就可以對全市檔案進(jìn)行查詢，如圖2所示：

3.2 功能需求

在采用RESTful Web服務(wù)解決數(shù)據(jù)集成問題的基礎(chǔ)上，對需求進(jìn)行分析后得出檔案管理系統(tǒng)的功能模塊，如表1所示：

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于RESTful的市國土資源檔案管理系統(tǒng)的架構(gòu)模型如圖3所示，大致可以分為6層和一個(gè)服務(wù)注冊中心。

（1）數(shù)據(jù)源層

數(shù)據(jù)源層主要包括數(shù)據(jù)資源和相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)來源主要有OA數(shù)據(jù)庫，江北、海曙、江東和高新區(qū)的數(shù)據(jù)庫以及ftp服務(wù)器上的檔案文件。業(yè)務(wù)系統(tǒng)包括部署在市局的檔案、OA系統(tǒng)，地籍系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)正是市檔案系統(tǒng)所要集成的。

（2）索引層

Lucene是一個(gè)高性能的全文搜索引擎工具，在倒排索引的基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)分塊索引，提升了索引的速度[8]。系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，對主要的查詢字段形成一個(gè)全文檢索的庫，在檢索條件模糊的情況下從索引庫檢索，從而提高檔案查詢時(shí)的查準(zhǔn)率。并且每天定時(shí)從數(shù)據(jù)庫中拉取增量數(shù)據(jù)建立全文索引。

（3）原子服務(wù)層

原子服務(wù)層的服務(wù)是標(biāo)準(zhǔn)的、獨(dú)立的、細(xì)粒度的，原則上原子服務(wù)是不依賴于其它任何服務(wù)的，運(yùn)行效率和可復(fù)用性高。例如將各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表中的檔案數(shù)據(jù)分別建立查詢的服務(wù)，作為最基本的原子服務(wù)，向服務(wù)注冊中心注冊，為上層的組合服務(wù)提供基礎(chǔ)。

（4）組合服務(wù)層

組合服務(wù)根據(jù)檔案系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯將原子服務(wù)組裝成符合業(yè)務(wù)需求的服務(wù)，提供粒度更粗的服務(wù)功能，同時(shí)能簡化客戶端的調(diào)用邏輯。比如，需要在全市范圍內(nèi)查詢一個(gè)檔案，需要逐個(gè)調(diào)用5到6個(gè)服務(wù)，通過服務(wù)的組合可以減少業(yè)務(wù)層在調(diào)用服務(wù)時(shí)的成本。

（5）服務(wù)網(wǎng)關(guān)

Service Gateway封裝應(yīng)用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，簡化客戶端的調(diào)用過程，相比起直接調(diào)用指定的服務(wù)，通過Service Gateway實(shí)現(xiàn)服務(wù)調(diào)用更加簡便。同時(shí)客戶端能提供統(tǒng)一的調(diào)用接口，減少客戶端維護(hù)保存服務(wù)調(diào)用接口地址的成本。

（6）服務(wù)注冊中心

服務(wù)注冊中心作為整個(gè)架構(gòu)中一個(gè)重要的中間件，是整個(gè)系統(tǒng)維護(hù)各類服務(wù)接口的基本數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，基于Zookeeper的注冊中心會監(jiān)聽已注冊服務(wù)的服務(wù)器，當(dāng)監(jiān)聽服務(wù)器不可達(dá)時(shí)，將該服務(wù)從注冊服務(wù)的節(jié)點(diǎn)上刪除，以保證在注冊中心的服務(wù)是可用的。

（7）業(yè)務(wù)層

在原子服務(wù)和組合服務(wù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)通過調(diào)用這些服務(wù)來實(shí)現(xiàn)檔案系統(tǒng)的部分重要功能，例如全市范圍內(nèi)檔案的搜索和文檔影像文件的查看功能，以及文書檔案、業(yè)務(wù)檔案和多媒體的歸檔、整理、借閱管理和利用率統(tǒng)計(jì)等功能。

4.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）注冊中心數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Zookeeper內(nèi)部提供了一個(gè)基于ZNode節(jié)點(diǎn)的樹狀模型，可以在根節(jié)點(diǎn)下方擴(kuò)展任意的子節(jié)點(diǎn)，其子節(jié)點(diǎn)分為四種創(chuàng)建模式，包括持久節(jié)點(diǎn)、持久順序節(jié)點(diǎn)、臨時(shí)節(jié)點(diǎn)、臨時(shí)順序節(jié)點(diǎn)[3]。

根節(jié)點(diǎn)是持久節(jié)點(diǎn)，可以在根節(jié)點(diǎn)下添加其他節(jié)點(diǎn)，使用服務(wù)名稱作為子節(jié)點(diǎn)的名稱，將該類節(jié)點(diǎn)稱為服務(wù)節(jié)點(diǎn)，其同樣是持久節(jié)點(diǎn)。為了確保服務(wù)的高可用性，可以發(fā)布多個(gè)相同功能的服務(wù)到同一個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)下。根據(jù)業(yè)務(wù)和架構(gòu)設(shè)計(jì)，將節(jié)點(diǎn)分為原子服務(wù)和組合服務(wù)兩大類，注冊中心存儲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（2）基于注冊中心和服務(wù)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)服務(wù)的高可用屬性

每個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)下都有多個(gè)節(jié)點(diǎn)提供同類的服務(wù)，當(dāng)消費(fèi)者發(fā)起調(diào)用時(shí)，服務(wù)網(wǎng)關(guān)根據(jù)從注冊中心拉取到的服務(wù)列表逐個(gè)調(diào)用該類服務(wù)直到調(diào)用成功，這種錯(cuò)誤從試的調(diào)用策略提高了服務(wù)的可用性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。根據(jù)調(diào)用策略亦可實(shí)現(xiàn)軟負(fù)載均衡的功能?？捎眯栽O(shè)計(jì)如圖5所示：

4.3 基于Node.js的服務(wù)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

Node.js是一個(gè)基于Chrome V8引擎的JavaScript運(yùn)行時(shí)環(huán)境，它使用了一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)且“異步非阻塞I/O”的模型，使其非常輕量高效，因此可基于Node.js來設(shè)計(jì)和開發(fā)服務(wù)網(wǎng)關(guān)。

服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Service Gateway）是服務(wù)架構(gòu)中的核心組件，它是服務(wù)請求的門戶，是調(diào)用具體服務(wù)端的橋梁，服務(wù)網(wǎng)關(guān)類似經(jīng)典設(shè)計(jì)模式中的門面模式，它將底層的復(fù)雜細(xì)節(jié)進(jìn)行屏蔽，解耦服務(wù)調(diào)用者和服務(wù)提供者之間的關(guān)系，對外提供簡單且統(tǒng)一的調(diào)用方式，如HTTP方式。

服務(wù)調(diào)用者將服務(wù)名放到請求頭中，服務(wù)網(wǎng)關(guān)解析該請求，從注冊中心獲取該服務(wù)的提供者，并根據(jù)一定的規(guī)則，例如隨機(jī)、錯(cuò)誤從試和隨機(jī)調(diào)用等規(guī)則來調(diào)用服務(wù)提供者，調(diào)用過程如圖6所示：

5 系統(tǒng)架構(gòu)具體實(shí)現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)服務(wù)化的實(shí)現(xiàn)

（1）資源的分類標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)是檔案系統(tǒng)查詢、管理、歸檔和集成不同數(shù)據(jù)源的規(guī)范基礎(chǔ)，根據(jù)REST的設(shè)計(jì)原則，可以將資源的CRUD操作對應(yīng)于HTTP的POST、GET、PUT、DELETE四個(gè)類型的請求。根據(jù)《寧波市國土資源局歸檔范圍、分類方案及保管期限表》，確定檔案資源的分類和命名規(guī)則，將綜合類、會計(jì)類、土地類、地籍類、土地規(guī)劃類、建設(shè)用地類、故土資源監(jiān)察類、科技類、電子聲像類和地質(zhì)礦產(chǎn)類，依次以A到I命名。

（2）發(fā)布接口的定義

依據(jù)REST的設(shè)計(jì)原則以及檔案的分類，部分服務(wù)接口的模板定義如表2所示：

（3）接口的實(shí)現(xiàn)

JAX-RS即Java API for RESTful Web Services，是java實(shí)現(xiàn)RESTfulWEB服務(wù)的規(guī)范，而Apach CXF是對JAX-RS的一種很好的實(shí)現(xiàn)，借助于Spring能夠較好地將Apach CXF框架集成到項(xiàng)目中。

5.2 組合服務(wù)實(shí)現(xiàn)

組合服務(wù)層是根據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行組合過的原子服務(wù)，可滿足復(fù)合業(yè)務(wù)需求。在檔案管理系統(tǒng)的查詢服務(wù)中，由于檔案數(shù)據(jù)所在地不同，需要訪問4～5個(gè)不同的原子服務(wù)接口才能查詢?nèi)繖n案，這增加了客戶端調(diào)用的成本，故將原子服務(wù)組合成一個(gè)方便調(diào)用的服務(wù)接口。例如，客戶端請求C類檔案的查詢服務(wù)：

（1）首先客戶端向服務(wù)網(wǎng)關(guān)請求C類檔案的服務(wù)，服務(wù)名為“queryC”；

（2）服務(wù)網(wǎng)關(guān)解析客戶端的請求，獲得服務(wù)名為“queryC”的服務(wù)節(jié)點(diǎn)的信息；

（3）服務(wù)網(wǎng)關(guān)執(zhí)行反向代理；

（4）組合服務(wù)從注冊中心的“/atomService/”路徑下獲取所有服務(wù)名是“queryC”下面的服務(wù)提供者節(jié)點(diǎn)；

（5）根據(jù)獲取到的服務(wù)提供者節(jié)點(diǎn)，分別調(diào)用該服務(wù)；

（6）將原子服務(wù)返回的結(jié)果合并，并返回給調(diào)用者。

5.3 服務(wù)注冊實(shí)現(xiàn)

服務(wù)注冊在應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)將要發(fā)布的服務(wù)注冊到服務(wù)中心。首先將獲取到哪些服務(wù)需要注冊，借助java的反射掃描指定的包下的Class獲取到哪些有“@Path、@GET”等注解的類和方法，這些加了該注解的方法就是需要發(fā)布的服務(wù)，并獲取注解中的服務(wù)路徑、參數(shù)等屬性。

6 結(jié)束語

針對國土檔案資源物理上多點(diǎn)分布、歸檔數(shù)據(jù)存在于異構(gòu)系統(tǒng)中的現(xiàn)狀。本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于Zookeeper的檔案資源分布式查詢框架，并對應(yīng)實(shí)現(xiàn)了的Zookeeper服務(wù)注冊中心和基于NodeJs的服務(wù)網(wǎng)關(guān)，使得系統(tǒng)具有了接口統(tǒng)一，以及調(diào)用方便、易擴(kuò)展、松耦合等特性，在此基礎(chǔ)上完成了資源的定義、數(shù)據(jù)的集成，REST服務(wù)的發(fā)布及其他業(yè)務(wù)功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。基于上述框架的檔案資源管理系統(tǒng)解決了當(dāng)前遇到的數(shù)據(jù)集成問題，在實(shí)際運(yùn)行中效果良好。未來還需要增強(qiáng)服務(wù)網(wǎng)關(guān)的可靠性，增加服務(wù)網(wǎng)關(guān)對服務(wù)的監(jiān)控功能，包括服務(wù)的調(diào)用次數(shù)和調(diào)用耗時(shí)等，使能對系統(tǒng)服務(wù)運(yùn)行情況有基本的了解。

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