XX超级计算长沙中心SuperMap GIS云平台建设方案V15.docx
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XX超级计算长沙中心SuperMapGIS云平台建设方案V15
国家超级计算长沙中心
SuperMap地理信息云（GIS云）平台建设方案
北京超图软件股份有限公司
2012年5月
1湖南省GIS云建设目标与内容
1.1建设背景
2010年11月28日，以“天河一号”为计算设备的国家超级计算长沙中心在湖南大学正式奠基。
“国家超级计算长沙中心”是经科技部批准的信息化建设重大项目。
超级计算机代表了当代信息技术的最高水平，是一个国家科技实力的重要标志，也是服务于大系统、大工程、大科学的一个必不可少的工具，广泛应用于科学研究、工业创新、商业金融、社会公共服务和国家安全等方面。
为了让地理信息资源成果更好的为各政府部门使用和服务，进一步促进地理信息成果的资源共享、降低各部门应用地理信息成果的门槛和成本，本项目借助超算中心先进的计算设备，搭建服务于全湖南省的基于云计算的云GIS地理信息公共服务平台。
基于超算中心基础设施环境建设的云GIS平台，可以提供强大的地理信息海量存储、资源共享、分布式计算分析、资源重用、系统扩展性等云计算能力，使地理信息资源能够更加方便灵活为各部门所用，进一步促进“数字湖南”信息化建设。
1.2建设意义
在传统模式下，政府部门建立一套IT系统不仅仅需要购买硬件等基础设施，还需要购买各种软件及其许可证，同时需要专门的人员安装及维护，整个流程从设备招标、采购、安装、调试等诸多环节麻烦耗时。
当业务及组织规模扩大时，软件系统和硬件需要升级换代时，已有的软件和硬件往往重复利用率不高，即使有些资源可重复利用，随之而来的与新硬件、新系统的兼容、维护也会成为一大负担。
传统模式下，我们要面对的是不同类型、不同应用的硬件服务器，在管理这些硬件服务器市，需要给它们装不同的操作系统，装不同的软件，打不同的补丁，出现问题的时候还要做不同的处理方案。
图11传统模式下的机房里会有各种不同类型的服务器
GIS云的模式提供了相对更有效地方案，在GIS云解决方案中，计算服务器不再是具体的硬件PC服务器或小型机，而是抽象为虚拟的计算节点，它一般体现为实体服务器中的一个虚拟机，我们关注的对象也不再是具体的服务器硬件，而是运行在服务器中的虚拟机节点，这种模式有如下优势：
●安装与部署：
传统模式下，安装系统及软件需要大量的精力及时间投入，以GIS服务器为例，要将环境、软件、数据库、中间件都装好需要半天时间，要完成系统整体优化又需要半天时间。
而虚拟机模式提供的是已经安装好并已完成调优的虚拟机镜像文件，拿过来直接挂载到宿主机上启动，作一些简单的网络等相关参数配置即可，一般只需要不到十分钟的时间，大大减少了系统安装及配置的时间及资源投入，且避免了安装配置过程中可能遇到的种种问题。
●一致性：
虚拟计算节点具有良好的一致性，不仅可以很方便地搭建集群分布式计算环境，而且便于集中在统一界面管理。
●普适性：
虚拟机适应于不同的宿主操作系统，也适应于不同的硬件服务器环境，它可以很方便地部署在不同的服务器上，也可以很方便地从一台服务器迁移到另一台服务器。
这种模式可以更方便地实现已有硬件资源的充分利用，也可以更方便地实现平滑的系统升级。
●扩展性：
私有云模式可以很方便地实现系统扩展，随着测绘所业务与应用的发展，当现有的六台服务器不能满足业务需求时，可以很方便地增加一台或多台服务器节点，然后将虚拟机挂载到新增加的服务器上即可，这个过程简单快捷，且对新增加的服务器没有明显的限制和约束条件，只要能运行虚拟机对应的宿主软件即可。
1.3建设的必要性
随着GIS在各部门的广泛应用，传统GIS应用系统建设模式已不能满足当前各部门日益增长的GIS应用需求，云GIS应用的主要表现为以下几个方面：
1.3.1更高的信息处理效率，更低的总体拥有成本
目前可能通过简单的计算就能发现云计算其实成本并不低，为什么呢？
首先，通过使用云计算资源，可以综合使用各种服务，而我们往往会忽略掉自建系统的一些隐性成本，这是一个计算上的问题；其次，现有的软件系统无法更好地充分利用系统资源，比如旧有的服务器系统无法按需激活，在没有处理任务时仍然消耗大量的内存和CPU，无法释放出来供其它应用使用；第三，云计算必须有规模才有效益，随着规模上升成本是递减的，现阶段规模较小自然成本相对较高，这也说明云计算服务规模越大，竞争力越强。
1.3.2更快的系统构建时间，更好的系统规模伸缩
由于系统集中构建和统一维护、管理，在基础设施健全的情况下，新系统上线时间得以大幅度缩短，也可以根据业务需要快速分配资源，满足特定情况下的需求。
当然，这需要前期较大的投入才能实现。
1.3.3更少的系统停机时间，更强的业务保障能力
集中的服务管理能够提供很高的容错能力。
但也应看到，云计算集中的优势，同时也会带来网络开销的增大，以及增加网络失效、安全威胁的风险，需要通过优化的方案设计来加以避免。
1.3.4更佳的业务部署模式，更久的业务持续能力
云计算模式能够更好地满足快速变化的需求，移动终端的使用能够满足现代快节奏的生活方式，尤其是降低成长型企业的前期成本，这都能够提升组织的业务服务能力，提高客户满意度，并最终产生更好的社会和经济效益。
1.4项目现状与需求分析
1.4.1基础设施现状
国家超级计算长沙中心一期工程规划建筑面积30000平方米，已于2011年底建成竣工，超算中心大概计算设备包括6000多个CPU，98TB内存以及1.35PB总存储空间，一期运算能力达每秒300万亿次，未来五年，将扩充到千万亿次以上，届时国家超算长沙中心将达到世界领先水平，中心演算一天则相当于一台当前主流微机160年的运算量。
1.4.2数据现状
湖南省基础地理信息中心经过多年的地理空间信息资源积累，数据资源丰富，在2011年通过地理信息公共服务平台项目建设，基于基础地理信息数据，提取生产了湖南省地理空间框架数据，具体现有的数据资源现状如下：
基础地理信息数据：
包括1：
1万、1：
5万、1：
25万等不同比例尺的DLG数据；1:
1万比例尺DOM数据；1:
5万、1:
25万DEM数据；湖南全省地名地址数据。
地理空间框架数据：
包括1：
1万、1：
5万、1：
25万电子地图数据和瓦片数据。
1.4.3地理信息应用现状
自湖南省公共服务平台自开通以来，平台数据成果先后已在湖南省电力公司电网GIS系统、湖南省国家安全厅综合地理信息系统、大面积输电线路灾害预警系统中得到了广泛有效的应用，为各行业部门提供了准确、详细、权威、及时的地理信息支持。
基于平台的服务，湖南省第三测绘院（湖南省基础地理信息中心）对Flex富客户端技术、移动GIS技术进行了研究和技术创新工作。
利用省级公共服务平台的建设经验、数据成果和技术积累，湖南省第三测绘院（湖南省基础地理信息中心）开展了数字城市的建设工作，先后在“数字益阳“、“数字岳阳“等项目建设中应用了省级公共服务平台的有关成果。
1.5建设目标
基于国家超级计算长沙中心现有计算资源以及湖南省测绘部门积累的地理信息资源成果，根据云计算的特征及超图在GIS云上的建设经验，为湖南省建设基于云计算技术的服务于政府和社会公众的GIS公共服务平台，以云GIS的模式实现对全省多级、多源、异构的空间数据库进行一体化组织，以云服务形式，向政府部门、公众、企业等提供全方位的、个性化的地理信息服务。
同时，积极探索适合超算中心高性能的基础设施软硬件环境下基础地理信息服务新模式，，打造高可靠性、高可扩展性、按需服务的大规模云GIS公共服务平台，并且在保障政府各部门信息资源权益的基础上，实现信息资源的整合与共享，实现可持续性的维护与联动更新。
借助超算集约化、虚拟化的建设模式彻底消灭地理空间信息“信息孤岛”，在云环境下实现互联互通及基础地理空间数据更新维护的可持续发展，全面实现地理空间数据及其相关各项信息的充分共享与应用，为电子政务信息化建设提供支撑，为各级领导部门的宏观决策提供依据。
1.6建设内容
ØGeoIaaS建设内容：
基于超算中心提供的裸机设备，利用虚拟化技术构建适应于公共服务云的虚拟化环境，包括基于中标麒麟，采用KVM与RHEV建设虚拟化环境，并实现对计算资源的虚拟、分配、监控。
ØGeoDaaS建设内容：
通过RHEV虚拟出两个计算节点（可理解为两个服务器），作用数据库服务器，并将oracle部署在这两个计算节点上做RAC集群，基础地理空间框架数据、行业专题数据、POI及其它空间数据以此为基础进行扩充，根据需要可以虚拟更多计算节点实现特定数据存储比如某个城区的数据可以存放在一个独立的虚拟节点上，某个专题数据道路也可以存放在一个独立的虚拟节点上，体现GIS云的按需求使用的特性，现实DaaS层面上的弹性伸缩。
ØGeoPaaS建设内容：
基于RHEV开放的接口，SuperMapiServerJava6R虚拟GIS服务的功能，建设云环境下GIS服务管理中心，实现GIS服务的动态增减，弹性伸缩；湖南省公共服务平台（HNSGS）在云环境下的迁移部署，通过HNSGS平台提供GIS服务。
ØGeoSaaS建设内容：
在上述GeoIaaS、GeoDaaS、GeoPaaS的基础上，实现软件级在线构建及服务，虚拟软、硬软件环境，聚合云GIS提供的服务，建设业务应用系统，并托管在虚拟化的计算节点上提供在线服务，即可现实使用终端仅需显示设备与网络环境就能开展业务应用。
2GIS云的关键技术与案例
2.1GIS云平台关键技术
云计算GIS的关键技术包括以下几个方向：
（1）虚拟化技术
在服务器虚拟化中，虚拟化软件需要实现对硬件的抽象，资源的分配、调度和管理，实现宿主操作系统及多个虚拟机间的逻辑隔离等功能，也就是说可以创建出多个GIS系统，并且多个GIS系统运行互不干扰。
（2）数据存储技术
GIS云计算系统需要同时满足用户对大量数据存储的需求，来满足用户对不同年代、不同获取方式得到的海量数据管理的要求。
GIS云计算的数据存储技术具有分布式、高吞吐率、高传输率和超强的可扩展性（根据需要动态增加虚拟节点）的特点。
（3）服务管理技术
GIS云计算需要统一管理维护不同种类的GIS服务实例如地图显示的GIS服务、数据查询的GIS服务、统计分析的GIS服务等，同时还要满足按照用户的需求动态定制和增减GIS服务实例，并将服务实现交由后台集中管理。
（4）分布式计算
可以解决用户在需处理地图时遇到大量信息如并行切片的时候可以把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后把这些部分，分配给到云系统中的多个虚拟单元进行处理，最后把这些计算结果综合管理统一交付使用。
（5）虚拟资源的管理与调度
云计算区别于单机虚拟化技术的重要特征是通过整合物理资源形（也就是我们现有的硬件资源包括服务器与GIS数据库服务器）成资源池，并通过资源管理层（管理中间件）实现对资源池中虚拟资源（也就是我们在服务器中虚拟的GIS系统）的调度。
云计算的资源管理是资源管理、任务管理、用户管理和安全管理等工作，实现节点故障的屏蔽，资源状况监视，用户任务调度，用户身份管理等多重功能。
（6）64位计算技术
为了充分利用通过虚拟化手段获得的巨额资源如cpu、内存等，软硬件都需要向64位过渡，提高单次处理性能，提升运行效率。
2.2SuperMapGIS针对云GIS的关键技术
SuperMap云GIS服务器软件有支持虚拟化、真正的跨平台、支持64位、集群技术、服务聚合技术、二三维一体化技术等技术特性，SuperMapiServer6R（2012）是云GIS服务器软件的典型代表。
2.2.1SuperMapGIS云服务器软件关键技术
2.2.1.1支持虚拟化
搭建GIS云首先需要GIS软件支持虚拟化，将GIS功能融入云，意味着提供GIS功能的软件直接面对的不是传统的物理硬件，而是虚拟化的硬件。
虚拟化可以在一台共享计算机上聚集多个操作系统和应用程序，以更好地利用服务器。
SuperMapGIS服务器软件已验证支持如下虚拟化技术：
ØPowerVM：
IBM基于POWER处理器硬件上的虚拟化技术
ØXen/KVM：
开源的虚拟化技术
ØHyper-V：
微软的虚拟化技术
ØVMware：
威睿公司的虚拟软件
ØVirtualBox：
Oracle的虚拟技术
GIS服务器软件对虚拟化的支持为GIS服务器部署带来一系列改变，例如统一管理、资源共享、动态调度、拷贝迁移、绿色部署、快速启动、系统隔离等。
2.2.1.2跨平台
跨平台是指软件的运行不依赖操作系统、硬件环境。
SuperMap云GIS服务器软件通过标准C++实现核心功能，自行解决跨平台问题（非模拟Windows环境方案、Java方案），从而在非Windows平台实现GIS运行性能的最大限度提高。
SuperMap云GIS服务器软件不仅支持常见的Intel、AMDx86/x64CPU，还支持IBMPower系列CPU，在图形显示方面，使用统一的内存显示引擎，与显卡无关，并真正实现跨平台。
SuperMap还具有自己的跨平台文件型数据格式UDB，并在真空间服务方面也能实现跨平台，做到各个平台缓存一致、服务一体。
对国内外多种软/硬件环境的支持使SuperMap云GIS服务器软件构建的GIS系统更加安全稳定，并有助于提供多种符合行业需求的GIS私有云解决方案，最大可能的延伸已有IT基础设施投资的价值。
2.2.1.364位计算支持
传统的GIS软件都是32位的，32位计算能够管理的内存不超过4GB，造成了对计算机资源的极大浪费。
64位计算可管理的内存上限达到180亿GB，可以从内存上有效利用计算机资源。
此外，对GIS而言，64位更大的寻址空间可以提高大数据量空间计算效率，将海量数据一次性调入内存，避免分片计算、缝合的时间耗费，减少磁盘访问。
云使能的GIS软件特点之一是GIS服务器端需要具备64位计算能力。
SuperMap提供了全球首套真64位企业级GIS服务器——SuperMapiServer6R（2012），支持更大数据、更大规模的并发访问，充分发挥云计算的高性能计算和海量内存优势。
2.2.1.4集群技术
SuperMap云GIS服务器技术中的集群是一个高度透明的可伸缩的GIS服务器群，对外作为一个整体为客户端提供GIS服务，而在集群系统的内部则是通过集群技术将GIS应用提供的GIS服务进行负载均衡。
它能够整合跨区域、跨平台、跨部门的GIS服务器，实现多资源的应用整合。
SuperMap的集群技术还有冗余设计、异构支持等特点。
冗余设计避免了集群服务的单点失效，从而保证集群化的应用系统能够不间断地提供GIS服务，保障了GIS云服务的高可用性。
异构支持使集群节点可以突破所在的软硬件平台限制，无论集群服务和GIS应用部署在Windows、Linux或其他任何操作平台，或部署在任何类型的硬件服务器上，都可以将他们根据系统需要进行集群系统的组织。
这对原有系统的升级改造，以及不同部门间的系统集成都具有重要意义。
图21集群服务
SuperMapiServer6R（2012）的集群提高了GIS服务能力的高性能、高稳定性、高可伸缩性和高可用性，能够更加有效地利用云服务器资源。
2.2.1.5服务聚合技术
SuperMapiServer6R的服务聚合（ServiceAggregation）能够将不同类型、不同来源的服务通过标准化流程整合到SuperMapiServer6R体系中，再通过它以统一的方式发布，最终以无差别的方式提供给客户端。
服务聚合带来的这种灵活多变的服务提供方式，与云计算的资源按需分配、按使用付费理念不谋而合，使GIS云计算的实现水到渠成。
不同云平台上的第三方服务可以通过SuperMapiServer6R（2012）的服务聚合机制整合为同一个服务，供用户使用。
云平台可以基于IBM、RedHat或者Microsoft的不同方案，而可用的服务可以是GIS标准服务，如WMS、WFS，也可以是其他第三方服务，如BingMaps、GoogleMaps等。
对于一些非标准或不宜公开的专有服务，用户可以通过领域服务扩展的方式轻松构建该类服务的服务提供者。
通过服务聚合，分散在各个云平台以及网络各处的GIS资源可以得到更有效的利用，使云平台的资源优势得到更进一步的发挥。
2.2.1.6二三维一体化技术
三维的应用由来已久，尤其是GoogleEarth推出以后，全球范围掀起了一股三维可视化热潮，很多系统都用三维来建设的。
这样的系统很漂亮、很好看、很直观，当领导、同行来参观展示时，效果很震撼。
但是他们走了后，在业务中真正使用的还是以二维GIS为主。
不少单位开始感觉三维是个花架子，是个面子工程，除了查一查、看一看外，其他用途很少。
三维可视化软件缺少如二维GIS软件所具备的高端分析等强大功能，是造成这种困境的原因。
现在很多单位同时使用三维可视化软件和二维GIS平台混搭解决实用和美观的问题，但这只是一种权宜之计。
如何彻底解决这个问题呢？
使用二维和三维一体化的GIS平台来搭建云，才是“实力派和偶像派相结合”的云，二三维一体化的GIS技术会让云会更加精彩。
SuperMap的二三维一体化技术有什么特点呢？
首先，二维和三维在数据模型和数据结构上一体化，海量的二维数据无需转换直接就可以在三维场景里高性能的可视化；其次，基于空间数据库来管理三维数据；第三，逐步完善的高端三维分析功能。
2.2.2SuperMap端GIS软件关键技术
云使能的GIS软件是云和端的组合，端即指端GIS软件工具。
服务器端丰富的GIS能力和服务，在应用终端得以应用才能体现出其优势和效果。
SuperMap提供了一系列的端GIS软件工具，包括桌面软件SuperMapDeskpro.NET6R（2012）、Web客户端开发包SuperMapiClient6R（2012），后者包括AJAX、Silverlight、Flex三种客户端技术，以及Realspace三维客户端开发工具包。
图22SuperMapiServer服务器
图23SuperMapDeskpro.NET6R二三维一体化
图24基于SuperMapiClient构建的北京实时路况信息在iPad展示效果图
此外，结合移动客户端技术、JavaScript语言和HTML5等新一代Web开发技术，SuperMap还构建了一套全新的解决方案：
提供了支持触摸功能的客户端产品——SuperMapiClientforJavaScript（HTML5），实现了手持触摸设备上的GIS应用程序的开发和部署。
上图即是基于SuperMapiClient产品构建的北京实时路况信息在iPad设备上的展示效果。
FlexBev是基于SuperMapiClientforFlex产品开发的一套支持用户自定义扩展功能的集成显示框架，该框架致力于实现良好的可定制、可装卸、配置方便、界面美观等一系列特性，主要面向二次开发用户以及快速制作原型系统的人员。
图25FlexBev
SuperMapiClient6R（2012）不仅提供了二维地理信息系统的开发包，还提供了一套基于SuperMapUGC（UniversalGISCore）类库OpenGL三维图形处理库的三维开发包——SuperMapiClient6R（2012）forRealspace。
它可与二维产品SDK无缝聚合，打造二三维一体化的富客户端应用。
SuperMap的端GIS软件还包括胖客户端桌面软件SuperMapDeskpro.NET6R（2012），它也具有访问云服务的能力。
2.3超图公司GIS云计算优势
2.3.1服务结构的多层次性
GIS云服务具有多层结构。
在软件层面，给GIS平台软件提供云计算支持能力，形成云GIS软件；在平台层面，将云GIS平台软件、门户服务、管理系统结合起来，形成云GIS平台；在服务层面，将云GISPaaS、数据服务能力和公用数据结合起来，形成GIS云服务平台；在应用平台层面，将GISDaaS和业务数据以及业务逻辑结合起来，形成GIS云应用平台；再结合业务数据，为GIS云应用提供服务。
图26GIS云服务结构概念图
如上所述，GIS云服务的多结构性为不同用户提供有针对性的服务。
应用消费者可以通过门户服务，使用GIS云应用；应用开发商可以在GIS云服务平台上选择地理信息数据和业务数据，结合业务模型来开发GIS云应用；数据提供商可以将数据资源发布到GIS云服务平台，供第三方使用，并获得分成收益；云计算运营中心可以提供云计算基础设施及技术，以支撑云GIS平台，并获得租用费用。
2.3.2GIS平台到GIS云服务的快速迁移
一方面，GIS平台既是GIS云服务的基础组成之一，又是服务终端的一部分；另一方面，GIS云服务与GIS平台存在很大差异。
在技术上，GIS云服务提供在线服务，而GIS平台提供软件；在商业上，GIS云服务通常以租用形式收费，使用门槛低，并通过持续丰富数据和内容吸引更多的用户使用，而GIS平台基于软件许可收费。
面对大量的GIS平台用户基础，超图GIS云服务提供零成本快速迁移，因此对于用户来说，从平台到云服务的迁移过程基本不会影响到正常使用，这就为GIS平台用户向GIS云服务平台的迁移提供了便利条件。
迁移的内容既包括用户原有应用又包括用户的数据，同时，可以通过租用的方式动态扩展数据、软件以及服务内容。
用户将应用和服务集中在云上进行托管，从而减少了运营成本，保证服务的托管专业安全。
2.3.3高可用分布式GIS云服务系统
超图GIS云服务平台提供高可用分布式的GIS服务，通过多层结构实现。
在平台层，基于虚拟机实现资源的动态调配和容灾；在数据层，支持分布式文件系统和数据库集群，提供高效的数据读取；在服务层，支持服务自伸缩集群、镜像服务、反向代理服务、缓存，提供高效稳定的服务；在终端层，支持客户端服务聚合，能调用和集成异地服务；在应用层，支持网关服务，通过分级节点和代理来分担服务请求。
图27高可用分布式GIS云服务系统
GIS云服务的功能主要包含云管理、云地图、云数据、云GIS主机以及云GIS应用五部分。
图28超图地理信息云门户
2.3.4随需所用的地理信息在线服务
云地图服务内容丰富、使用便捷。
它首先提供了一个可供所有用户使用的在线地图，通过该地图，不仅可以进行搜索、地图浏览等常用操作，同时也支持驾车导航等复杂分析功能。
图29在线地图页面
云地图服务支持常见的Web浏览器，还支持移动Web终端、手机/平板电脑、三维客户端、Deskpro/Objects等客户端。
支持的接口协议包括REST、SOAP、WMS等。
同时，云地图服务还提供了三种富客户端的API接口，包括Ajax、Flex、Silverlight。
通过申请开发key，用户可以选择任何一种方式进行云地图应用的开发，结合云平台提供的地图服务和云GIS主机服务，用户就可以投入最少的资源，在不需要自己发布地图数据和购买服务器资源的情况下，完成同等业务功能。
2.3.5可操控的地理信息虚拟空间
云GIS主机不仅提供可操控的GIS虚拟机，为用户提供安全、稳定、高效的虚拟服务器主机及SuperMap平台租用服务；而且支持用户开发在线SaaS应用；同时用户可以定购存储空间，在云上存储自己的数据；在多种数据叠加上支持用户数据与云地图数据的叠加。
云GIS主机是指虚拟主机加上iServer6R的正式使用许可，用户可以自行管理主机，并部署其开发的GIS应用。
用户通过用户管理中心申请云GIS主机，审批并付费后，可以使用云平台提供的IP、用户名等信息登录该主机，可以上传业务数据以及应用服务程序，并部署发布。
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