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1、面向网格的空间科学虚拟观测台体系结构研究与原型实现 报告人： Outline1.研究背景2.相关理论发展与研究现状3.研究内容与方法4.研究计划与流程5.参考文献1.研究背景空间科学数据应用环境发展的驱动力空间科学应用环境研究的发展路线当前研究热点VO空间科学数据应用环境发展的驱动力国际日地空间物理大观测台、国际SuperDARN地球两极电离层雷达观测计划、日不落联合观测计划 . 空间科学数据资源丰富度成倍增长日地系统研究，需要利用空间科学数据资源，了解源于太阳而最终影响地球的空间三维全球结构和灾害性事件过程的时序因果关系。仿真、模式运行与大规模计算成为分析、发现和预测空间科学问题的主要手段，
2、需要空间科学数据应用环境进行支撑服务。空间科学数据应用环境发展路线图国际空间科学数据应用环境发展热点虚拟观测台Our Definition (Physics Perspective) 虚拟观测台是“依赖于人类掌握的最新空间科学知识 ，面向天、地基观测产生的海量空间科学数据资源，采用先进的信息技术，以解决海量空间科学数据协同处理、分布式集成与互操作、智能化科学应用、日地空间系统可视化虚拟表达等核心问题为目标的空间科学数据应用环境。 NASAs VO Definition (Software Perspective) “A Virtual Observatory (VO) is a suite o
3、f software applications on a set of computers that allows users to uniformly find, access, and use resources (data, software, document, and image products and services using these) from a collection of distributed product repositories and service providers. A VO is a service that unites services and
4、/or multiple repositories.” 世界各国的虚拟观测台虚拟观测台项目国家或地区支持单位Live With SunNational Virtual Observatory美国美国NASARussian Virtual Observatory俄罗斯俄罗斯科学院European Virtual Observatory 欧盟欧洲南方天文台、欧洲太空总局、法国Louis Pasteur大学、法国巴黎天体物理研究所、英国曼彻斯特大学 UK Virtual Observatory英国英国粒子物理和天文委员会Indian Virtual Observatory印度印度天体物理研究所Kor
5、ean Virtual Observatory韩国韩国天文与空间科学研究所Japanese Virtual Observatory日本日本国家天文台German Astrophysical Virtual Observatory德国德国联邦教育与研究部Virtual Observatory France法国法国太空科学研究所Canadian Virtual Observatory加拿大加拿大航天局Spanish Virtual Observatory西班牙西班牙教育与科学部Australian Virtual Observatory澳大利亚澳大利亚射电望远镜组织Italian Virtual
6、Observatory意大利意大利基础研究基金空间科学虚拟观测台的提出与发展概念概念提出提出2003年：由16国组成的国际虚拟天文台联盟(IOVA) 提出建立国际虚拟天文观测台国际大地测量学与地球物理学联合会，发展地学空间科学的虚拟观测台成为核心任务。国际国际发展发展2001年，NASA发起“Live With Sun”项目。2004年确定空间与太阳物理虚拟观测台框架。2007年，NASA将基于虚拟观测的数据应用环境列为日地空间物理长远发展纲要之一。数据数据现状现状“神舟系列”、“风云系列”、“嫦娥系列”、“双星计划”、“天宫系列”等重大工程，推动空间科学数据的海量增长概念概念引入引入国内国内
7、发展发展在e-Science驱动下，“十五”、“十一五”开展的 “空间环境基础数据库”、“空间环境数据共享平台”、“空间物理交互数据资源” 等项目在推动空间科学发展上成效显著。空间科学虚拟观测台发展的领头羊NASANASA在“与日共存计划” 按照先学科后集成的路线，率先启动空间科学各分支学科的VO项目（Sun-Earth Connections VxOs）虚拟太阳观测台虚拟空间物理观测台虚拟日地观测台虚拟电离层热层中性层观测台虚拟辐射带观测台虚拟磁层观测台空间科学虚拟观测台空间科学公共数据模型DataProviderDataGridDataSet核心描述属性标准描述属性(SPASE/PDS)物
8、理数据实体(只到文件粒度)2.相关理论发展和研究现状l典型体系结构l典型服务模型体系结构Data Grid以组件化为核心思想的积木块结构以五层沙漏为代表的抽象层次模型概念空间结构以开放网格服务结构为典型的混合模式结构近年来，虚拟观测台成为国内外学科数据环境建设的主流，其核心是分布式的面向服务的数据网格技术。当前其体系结构主要分为4类：VO典型体系结构VO数据中心：数据中心是一个数据中心联盟。数据中心的功能是，发布数据资源，提供数据资源的物理存储；VO设施中心： 设施中心是一个为VO提供集中式的资源注册、数据模型和标准、认证机制和VO技术的社区支持；VO技术中心： 技术中心是一个分布式的组织，它
9、可以协调学科工具、VO系统的工作流，使之服务于研究；服务模型传统的传统的网格服务网格服务模型模型数据管理服务存储管理服务用户管理服务运维管理服务组织机构管理服务3. 研究内容和思路l体系结构研究l现存问题l解决思路l原型实现设计l数据库设计l核心服务设计3.1现存问题数据资源的互操作天基和地基的探测数据的指数级增长分布式资源和节点的融合、共享和访问数据资源全局的同步和发现定位数据资源与学科应用无缝链接网格的透明性问题网格的安全访问和监控问题网格的健壮性问题虚拟观测台使人们意识到一个一个设计合理设计合理的体系结的体系结构构对于虚拟观测台的重要意义3.2解决思路层次划分服务模型拓扑结构3.2.1层
10、次划分应用层应用层服务层服务层资源层资源层123虚拟观测和学科应用面向服务的中间件集合分布式数据资源的汇聚面向数据互操作与资源共享的资源层l采用三层式的公共数据模型：物理数据实体+标准描述属性+核心描述属性:l物理数据实体底层物理数据访问和应用l标准描述属性支持国际数据资源的互操作的统一协议l核心描述属性快速的数据资源发现资源的互操作问题l剥离资源注册发布和资源存储访问，可以异地注册，异地发布、异地访问、异地存储；l支持整合在线资源和离线资源；l支持整合访问协议异构的分布式在线资源；资源的共享与融合问题资源存储与访问服务三层式的公共数据模型面向资源同步发现与系统健壮性的服务层l节点和服务剥离，
11、1个节点可以有1个，也可以有多个服务；服务可以部署在任何地方；节点之间地位平等；l新节点作为一个整体加入，能够快速通过节点审核和认证，成为分布式拓扑中的一个成员节点；l单节点上新资源的加入，能够通过收割同步机制，把属性信息快速报告到其他节点；l在任何一个节点上，都能够发现全局的所需的数据资源；资源的全局同步与发现问题l对数据和服务做冗余和副本备份；l当某节点的服务崩溃时，系统透明切换该服务的访问负载到另外一个节点的同类服务副本上。系统健壮性问题冗余和透明切换服务资源注册和发布服务资源审核服务资源发现服务同步收割服务面向虚拟观测的应用层通过科学数据的管道（Pipeline）技术和学科应用服务AP
12、I接口的标准化，粘合分布在各节点的服务数据资源和学科应用的无缝链接科学数据的可视化表达基于数据的知识发现科学算法、模式的集成应用科学数据的解析、阅读和转换虚拟观测与学科应用学科应用服务层次划分总结学科应用服务资源注册发布服务资源审核服务资源发现服务同步收割服务冗余和透明切换服务资源存储和访问服务三层式公共数据模型123应用层服务层资源层3.2.2核心服务 我的思路我的思路我的思路我的思路基于空基于空基于空基于空间间科学公共数据模型的特点，在网格科学公共数据模型的特点，在网格科学公共数据模型的特点，在网格科学公共数据模型的特点，在网格经经典服典服典服典服务务模型的基模型的基模型的基模型的基础础上
13、，上，上，上，进进行重新打散、行重新打散、行重新打散、行重新打散、组组合和增加，合理的划分虚合和增加，合理的划分虚合和增加，合理的划分虚合和增加，合理的划分虚拟观测拟观测台的台的台的台的服服服服务层务层次和次和次和次和对应对应的服的服的服的服务务功能。功能。功能。功能。传统网格服务模型传统网格服务模型打散重组和增加空间科学虚拟观测台空间科学虚拟观测台服务模型服务模型核心服务总结分析对象分析对象服务划分服务划分定义面向资源面向资源资源注册和资源注册和发布服务发布服务基于公共数据模型，实现数据资源的描述，审核和发布，使数据资源融入面向网格的虚拟观测台共享环境中；资源发现服资源发现服务务实现快速的分
14、布式数据资源的全局检索和发现资源访问与资源访问与存储服务存储服务提供资源、服务以及冗余备份的存储力；支持在线资源和离线资源的共享，统一协议异构的资源服务的访问面向安全面向安全和健壮性和健壮性网格安全和网格安全和监控服务监控服务监视和记录数据、用户、硬件、服务的情况；基于监控记录和日志，对破坏行为进行操作溯源和状态回滚；基于保护策略和安全访问协议，对违规访问进行阻止；冗余和透明冗余和透明切换服务切换服务依据网格冗余策略，自动对物理数据、元数据和网格服务做冗余；通过分析网格的日志记录和监控结果，分析节点和服务的健康情况，进行服务访问透明切换面向虚拟面向虚拟观测观测学科应用服学科应用服务务面向学科应
15、用，提供数据计算、分析、可视化、知识发现的应用工具和虚拟环境。面向组织面向组织管理管理网格用户管网格用户管理服务理服务基于“统一注册，中心认证，局部授权”的原则，解决用户注册、审核、授权和管理的问题面向拓扑面向拓扑结构结构网格收割同网格收割同步服务步服务通过同步服务，使得任一节点的资源更新能够被全局节点获悉。3.2.3拓扑结构3.3.原型实现的初步设计数据库设计资源注册发布服务资源发现服务资源存储与访问服务同步收割服务服务透明切换学科应用服务数据库设计资源注册发布服务分布注册中心审核分布发布资源发现服务资源发现服务与资源存储访问服务基于核心描述属性的资源发现服务资源发现服务与资源存储访问服务基
16、于标准描述属性的资源发现服务全文检索 学科字典索引Cache查询击中 传统检索资源发现服务的改进检索接口重点涵盖电离层、检索接口重点涵盖电离层、热层和中间层的物理现象、热层和中间层的物理现象、基础物理性质和通用数据基础物理性质和通用数据测量标称的专业术语测量标称的专业术语通过引入术语字典作为检通过引入术语字典作为检索的辅助索引，并把索引索的辅助索引，并把索引作为检索的作为检索的“二级缓存二级缓存”，在检索时先在，在检索时先在“二级缓二级缓存存”寻找，如不能击中目寻找，如不能击中目标，而再进入传统检索模标，而再进入传统检索模式。式。从统计学的角度，高频检从统计学的角度，高频检索请求往往占使用中索
17、请求往往占使用中90%的检索。的检索。与资源审核发布结合的同步收割服务服务透明切换学科应用服务基于空间事件关联的数据发现科学数据阅读解析和转换 支持本地数据资源解析支持网格中跨节点的资源解析支持复杂模式下的TXT输出支持CDF V3.0，V2.0的不同版本标准间的相互转换支持cdf、fits、netcdf、hdf4的相互转换 科学数据可视化5.研究计划与流程调调研研并并总总结结虚虚拟拟观观测测台台研研究究现现状状、相相关关 理理 论论 、关键问题关键问题结合空间结合空间科学公共科学公共数据模型，数据模型，确立体系确立体系结构的概结构的概念结构和念结构和设计原则设计原则从从层层次次划划分分、核核
18、心心服服务务、拓拓扑扑 结结 构构 3个个方方面面分分析析和和设设计计VO的的 体体系结构系结构针针对对核核心心服服务务的的划划分分及及其其功功能能定定义义对对核核心心服服务务进进行行具具体体设计设计在在 Linux +java web+mysql环环境境下下实实 现现 核核 心心服服 务务 ， 并并进进 行行 组组 装装部部 署署 和和 联联调调总结实验总结实验结果，讨结果，讨论遗留问论遗留问题，完成题，完成毕业论文毕业论文时间节点和安排2009.07-2009.12调研虚拟观测台研究现状、相关理论、关键问题和解决思路分析空间科学数据特点和公共数据模型2010.01-2010.07设计空间科
19、学虚拟观测台原型的体系结构和服务模型结合十一五科学数据网格项目，与科学院计算机网络中心合作，实现服务模型中的核心服务2010.08-2011.3撰写毕业论文发表学术论文6.参考文献1 Todd King, Jan Merka, Raymaon Walker, Steven Joy, Tom Narock. The architecture of a multi-tiered virtual observatory. Eearth Sci Inform, 2008, 1:21-28.2 Alasdair J. G. Gray, Norman Gray, Iadh Ounis. Finding D
20、ata Resources in a Virtual Observatory Using SKOS Vocabularies. Eearth Sci Inform, 5071/2008:189-192.3 David Schade, Pat Dowler, Daniel Durand, Luc Simard, Norm Hill, Severin Gaudet. The Canadian Virtual Observatory Project. 2004, 31-36.4 王亮，陈未如，胡静涛.具有自主计算特征的新型网格体系结构研究. 计算机工程与应用 2008，44（35） ：105-124.5 周维，阎保平.网格环境下数据库系统的整合研究.2006，32(13)：61-626 杨德婷，南凯，阎保平.基于网格服务的数据发布系统.2006，32(13)：97-995 王意洁，肖侬，任浩，卢锡城. 数据网格及其关键技术研究. 计算机研究与发展 2002，39(8)：943-947.6 胡春明，怀进鹏，孙海龙. 基于Web服务的网格体系结构及其支撑环境研究. 软件学报 2004，15(7)：1064-1073.7 崔振州. 中国虚拟天文台系统设计. 中国科学院研究生院博士学位论文.Thank You
