基于客户机/服务器的城市地理信息系统平台设计探讨

?基于客户机/服务器的城市地理信息系统平台设计探讨
陈建光① 苏乐平② 曾健春③??
  ①(解放军信息工程大学测绘学院大地系，郑州450052)?
②(中国城市规划设计研究院宇坤信息中心，北京100081)?
③(广东省清远市城建规划局信息中心，清远511515)
［摘要］城市规划、建设的现代化管理是城市化进程中不可回避的课题。系统平台设计的质量直接关系到系统投资规模、运行效益及生命周期。计算机技术的发展，网络技术的成熟，为我们设计系统平台提供了必要的条件和充分的选择余地。?
［关键词］客户机/服务器 地理信息系统 计算机网络 城市规划管理 网络文件系统?
［分类号］P273

前言?
    城市地理信息系统的建立涉及到多方面的因素。对于我们这个资金紧缺而又有许多信息系统亟待建设的国家来说，如何设计出符合我国国情、具有较高应用推广价值的系统平台，是大多数意欲建立信息系统的城市首先面临的迫切问题，我们谨以福建省沿海几个城市规划、建设与管理信息系统(以下简称UPMIS)的开发实践为例，围绕上述议题，发表一些见解与讨论，以资大家参考。

一、客户机/服务器技术与UPMIS?
    为“主机-终端”(Host-Terminal)为特征的计算机运行环境是八十年代以前经常使用的大型计算机系统的主体，经过二十多年的发展，已经相当成熟。八十年代以来，计算机技术日新月异的发展，传统的大型计算机系统受到了微机系统的严峻挑战。但微机及由其所组成的文件服务网络系统处理能力毕竟有限，于是“客户机/服务器”(Client/Server)这种新的体系结构应运而生。这种结构能集中大型主机系统和微机文件服务网络系统的优点，具有更好的开放性和易扩展性。因此，在全球向下优化(downsizing)和规模优化(rightsizing)趋势中，计算机系统的应用模式开始从传统的主机系统和文件服务网络系统转向客户机/服务器模式。  
  
1、客户机/服务器计算方式及其优越性。?

    客户机/服务器是一种协同工作的运行方式，是随着计算机网络技术、数据库技术、通信技术等的不断发展而产生的一种极富生命力的计算模式与体系结构。其主要特点可描述为：以网络环境为基础，将计算机应用有机地分布在网上的多个节点中。其中作为后台的服务器负责数据的存储管理，提供进程、文件和通信服务，作为前台的客户机负责处理用户提出的请求服务，并传送给服务器，由服务器把处理结果传回给客户机。客户机仅将得到的请求由服 务器处理，服务器也只回送处理结果，因而免去了客户机可能对服务器提出的数据传送请求，大大降低了网络系统的信息流量，优化了系统资源分配，整个系统的性能大大提高。?

    客户机/服务器这种结构特别适合于开放式的系统集成环境，它支持企业式计算方式。在这种方式下，一个系统可以由不同厂商生产的多种型号的机器构成，各种机器上运行的操作系统也可以不同，这种开放的平台使用户可随时选择最适合于自己的产品，不为任何一家厂商的落后技术所拖累，避免因此而造成人力、物力的巨大浪费，同时可以不断融合新技术，确保应用开发与市场发展、用户需求同步。?
  
2、客户机/服务器计算方式对城市规划的支持?

    实践证明，城市规划工作是一个大量参考和使用资料的过程。获取的资料越丰富，获取手段越快捷，规划管理或设计的效益就越高，决策也越准确。根据国外的经验，在整个城市规划过程中，用于数据的收集、转换、集成和管理的时间有时高达90%。这部分时间尽量缩短，无论对于规划管理或规划设计，都可以大大提高工作效率，在更短的时间内得到更好的实施方案。?
  
    在城市规划管理局内部，设置一个部门，如信息中心，不断地收集各种规划资料，并把它集 成到计算机系统中去。其他部门的工作人员便能够通过网络，从安放在办公桌上的台式计算机，非常便利地捡索到所需要的资料，也能把新产生的资料通过台式计算机迅速地传回到信息中心去。这样一种信息设施，对于规划工作效率的提高，必定是革命性的。这种系统正好符合客户机/服务器为核心的企业式计算环境的应用模式。在这种情况下，信息中心起到服务器的作用，提供数据和处理等服务资源，其他部门作为客户机，通过网络共享信息中心提供的服务。?
  
    为实现这样的系统，必须形成一个网络布线系统，其数据通讯线从信息中心出发，延伸到每一个业务部门。每个部门只需购置台式微机，就可以通过“信息插座”把微机接到网络上，共享网上的资源。和其它的水电设施一样， 这个网络布线系统可以称为信息基础设施。这个信息基础设施还能与外部信息基础设施即我们通常所说的“信息高速公路”有接口。通过这个接口，系统可以从外部世界获取信息，也可以把自身的信息发布出去。这样，随着全国或全球“信息高速公路”计划的实施，该网络系统就可以融合到市内、省内、国内甚至国际上的广域通讯网上，从而形成社会化的计算环境，跨入一个信息高度丰富的信息社会。?

二、UPMIS软硬件选型?
  
1、软硬件选型的原则?

    作为以地理信息系统技术为支撑的城市规划计算机应用系统，UPMIS需要存储大量的地图数据，其数据量往往以千兆计，在进行地图存取和处理时，又要进行大量图形图像计算和变换，因此对计算机CPU的运算速度、存储容量、图形表现等能力都有很高的要求。一般来说，UPMIS对软硬件支持系统先进性的要求是极高的，它通常应建立在当前所能获得的最先进的软硬件系统平台上。
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    软硬件平台的先进性也是系统先进性的一个重要衡量标志，通过软硬件仔细选型，能够延长系统的生命周期，减少系统更新换代工作量，节省投资。软件系统都具有自己的生命周期以 及升级换代的频率。因此，在选择支持软件时，就应该选择那些软件周期长，系统比较稳定可靠，换代产品之间的延续性较好，更新维护比较有保障的软件系统。计算机硬件平台的发展更是迅速，几乎隔年就换代一次，而且周期不断缩短。因此，硬件选型时不但考虑价格因素，更要注意硬件系统处理能力以及保持领先的能力，以保护投资。?

    结合UPMIS系统中数据容量大，图形图像处理多，要求有高速处理能力等特点以及我国的实际国情，我们认为， 在软硬件选型，应该考虑如下原则：?
  
·能最大限度地满足用户需求?
  
·性能可靠稳定，价格合理，有较高的性能价格比?
  
·汉化水平高，符合中国人的操作习惯?
  
·技术先进，不易过早被淘汰?
  
·产品升级换代有延续性?
  
·技术支持力量强，更新维护有保障?
  
2、硬件选型?
  
    在硬件选型上，应该着重服务器的处理能力。根据不同的城市规模以及数据存储容量，选择不同的硬件平台作为服务器。?
    对于特大城市或大城市，由于城市面积较大，光基础地形图资料的数据量就十分惊人，规划设计成果，用地审批红线、市政设施、道路交通等其他资料的数据量也相应较多。因此一般要采用高性能的计算机图形工作站作为服务器。根据具体的处理规模，还应适当扩展服务器的数量。对某些特大城市，如北京、上海，可以采用多台服务器联网的方式，联合提供服务，以满足系统的巨量处理需求。
  
    对于中小城市，例如建成区面积20平方公里以内的城市，由于数据量和业务量都较少，系统配置过高反而浪费投资，因此可以采用高性能的微机作为服务器。这样可以在满足处理需求的同时，极大地节省投资。以计算机图形工作站作为服务器，一般每台服务器上的软硬件投资在30万元左右，而采用微机作为服务器，每台服务器上的软硬件投资可以降到5万元以内，资金节省是显而易见的。
  
    客户机一般采用高性能的微机，现在市面上许多高性能的微机，例如奔腾PⅢ、PⅡ系列都可供选择。??
  
3、软件选型?
  
    虽然现代软件力求与硬件平台无关，同一种软件可以在不同厂商、不同级别的硬件平台上运行，跨越不同硬件平台时，软件本身无需作任何改动。但是在实际配置时，由于不同厂商、不同级别的硬件平台对软件性能的发挥有较大的区别，因此软件选型实际上仍然受到硬件平台的影响。即软件和硬件选型不能分开考虑，在软件选型时要充分考虑所选用的硬件级别，例如图形工作站与微机对应的软件就有所不同；还要考虑生产厂商，例如DEC或SGI的图形工作站在软件处理能力、汉化水平，以及与专业软件的适配度上也有一定的差别。??
  

三、UPMIS局域网络体系的建立?
  
    计算机局域网络系统作为支持信息运行的基础设施。从硬件上看是一个通过集线器(HUB)和网络线(如无屏蔽双绞线或细同轴电缆)把各个计算机联结起来的布线系统。通过运行不同的网络协议，如TCP/IP，MSLAN(NetBIOSNetBEUI)或SPX/IPX等，可以得到不同的网络应用环境，如NFS、Windows for Workgroups或Novell?
  
1、网络文件系统(NFS)与TCP/IP协议?
  
    如果服务器采用计算机图形工作站，客户机采用微机，那么由于工作站运行的是XWINDOWS为图形用户界面(GUI)的UNIX操作系统，而微机采用Windows为GUI的DOS/Windows操作系统。无论软件还是硬件，都是异种平台互连，因此需采用基于TCP/IP协议的网络文件系统(NFS和PC-NFS)进行数据通讯。?

    NFS((Network File System)是为了实现网络上异种平台间的文件服务而提出的。它提供了异种机、异种操作系统之间的透明在线共享文件的手段。NFS允许使用本地操作系统的I/O调用方式访问远地文件，并且与文件存放的物理位置及使用何种操作系统无关。用户可以运行一独占的程序并对共享文件。(无论是本地的还是远程的)进行I/O操作。这样可以通过NFS将文件存储在某台机器上而由大家共享的方式，使存储的费用明显降低。?
 

        图1 操作系统中NFS工作机制
 
  
    图1说明了NFS怎么嵌入一个操作系统中。当应用程序调用操作系统去“打开”、“存储”或 “检索”文件数据时，文件访问机制接收请求并自动把请求传给本地文件系统或NFS客户软件(取决于文件是在本地盘上还是在远程机器上)。当客户软件接收到一个请求时，就使用NFS协议去联系适当的远程机器上的服务器，并执行所请求的操作。当远程服务器回答时，客户软件把结果返回给应用程序。利用网络文件(NPS)进行远程机器通讯时，采用的是TCP/IP协议中的远程过程调用(Remote Procedure CallRPC)通讯机制和通用外部数据表示(eXtemal Data RepresentationXDR)协议。?
  
    RPC和XDR两者都提供编写分布式程序的机制。程序员可以将程序划分为客户端和服务端，使用RPC作为主要的通信机制。由于不同的机器在硬件一级表示数据时，格式不一定相同，例如高档微机可能采用32位，字节顺序由低到高，而有些图形工作站的数据格式为64位，字节顺序由高到低，因此进行数据通信时，首先要解决数据的表示问题。XDR通过定义独立于机器硬件的数据表示方法，使程序员在异构机器之间不用转换硬件数据就可直接传递数据。这就解决了异种平台之间的数据通讯和数据交换问题。?
  
2、MS-LAN协议与Windows NT/Windows for Workgroup?
  
    如果采用高档微机作为服务器，那么可以采用微软公司(Microsoft)提供的网络环境。?
  
    微软公司的Windows NT Server，Windows NT Workstation、Windows for Workgroups3.X，Windows95/ Windows3.X，MS-DOS等操作平台，构成了一套完备的客户机/服务器体系，它提供点对点的联接方式，并能够与多家厂商提供的系统兼容，因而在个人计算机世界具有最广泛和深远的影响力。?
  
    即使在采用计算机工作站作为服务器的情况下，当客户端的微机脱离UPMIS应用环境时，其自身也可通过微软的网络体系成为独立的工作群。这个台式工作群仍有可能存取工作站上的数据，利用工作站上的大容量硬盘作为文件服务器。
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    通过适当配置，使微机在运行Windows for Workgroups的同时，也可同时运行PC-NFS，以存取UNIX工作站上的数据。这样在台式机间形成微软网络环境，上面运行微软的office套件、Foxpro、Access等软件，并以工作站上的大容量硬盘作为文件服务器，形成既能与工作站通信，功能上又独立于工作站的台式机桌面办公环境。?
  
3、SPX/IPX协议与Novell Netware?

    Netware网络是非常成功的微机网络操作系统，它运行的是SPX/IPX协议。在Netware4.1X版本中加入了PC-NFS的实现，即Netware-NFS。这样就使Novell网络可以如PC-NFS一样透明存取UNIX工作站上的数据。如以高档微机作为服务器，也可以使用Netware网络进行通信。??

四、实例研究——实际性能及扩展途径?
  
     我们在福建省沿海的几个城市，包括福州市、厦门市、泉州市，建设城市规划、建设与管理信息系统时，软硬件选型采用如下方案：?
  
     硬件方面，采用DEC Alpha工作站作为服务器，以奔腾系列微机作为台式客户机。软件方面，服务器端选用工作站版Arc/Info7.x作为GIS支撑软件，进行工作站上海量城市基础数据的存储管理和城市规划管理的辅助决策分析。在客户端，我们选用PC ArcView2.X作为微机GIS工作软件，实现城建资料的查询检索，以及城市规划用地审批流程的办公自动化；以Foxpro为支持，在微机上实现案件管理和动态追踪系统。软件配置如图2所示。?
  
     系统软硬件选定后，还要把软硬件有机地集成起来，使得软硬件相互协调配合，相得益彰，发挥出最大潜能。?
  
     通过对《厦门市城市规划、建设与管理信息系统》进行实测，我们得到了如下实际性能，并提出相应的扩展途径：??

      图2 系统的软件体系结构
 
  
     该系统的服务器采用UNIX操作系统，理论上说，网络同时支持的用户数没有限制。但实际上受到网络带宽的限制。当局域网带宽为10Mbps、网络同时运行的用户数据少于12个时，网络不会呈现明显的紧张。但当网上用户超过16个时，网络存取数据会出现延迟现象。另外，网络存取速度与结点与中心机房的距离有关，距离越短，响应越快。?
  
    为了保证系统具有良好的安全性，在系统的每一个入口都设有口令。使用UNIX的文件[LL]存取权限管理机制，可控制不同级别用户有不同存取权限。
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    该系统性能扩充余地主要在网络的通讯带宽上。如采用异步传送模式(ATM)或光纤数据分布综合网(FDDI)，提高通讯速率，则整个系统的响应速度和总体性能必然获得明显的提高。?
  
     此外，由于该系统核心是一个巨大的数据库，数据库存取频繁，因此大容量硬盘的存取速度也是影响系统响应时间的一个重要原因。?

     为提高系统的稳定性，使之成为一个强健(Robust)的系统，可以采用磁盘镜像容错技术。?

参考文献?
［1］叶皓，客户机/服务器及其推广应用的紧迫性，《计算机世界》，1993年第 10期?
［2］王劲松，网络互联协议TCP/IP详解，科学技术文献出版社，1993年5月?
［3］中国城市规划设计研究院厦门GIS项目组，《〈厦门市城市规划、建设与管理信息系统〉系统平台设计报告》,1995年8月
［4］司光亚等，一种面向对象的客户端程序开发工具，PCWORLD，1996年第3期
［5］David Arbeit,Connecting the Desktop:An Enterprise Approach to Planning Support ArcNews Fall 1993 Page25

正需要，谢谢