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《国防科学技术大学》 2011年
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基于对等计算的分布式时空索引技术研究

张翀  
【摘要】:时空数据可以帮助人们掌握历史、现在甚至预测将来,对提高空间各种存在和状态演变的感知度、洞察力和预见性有重要价值。随着探测采集手段的不断进步以及网络的不断发达,时空数据不再是少量的、局部的存在,而是规模庞大、分散广泛、应用普遍。面对这种现状以及今后更加向综合化、普适化的发展趋势,集中式的时空索引必然不能满足各类用户的各种查询,其性能低下、单点失效的缺点使得时空索引势必要向分布式发展。然而,以主从模式或层次模式为代表的分布式计算方式也无法满足规模海量、动态复杂的分布式时空对象环境,因为这样的分布式模式存在关键节点,这就成为整个系统的性能瓶颈和脆弱环节,不利于系统扩展和灵活重组。 本文提出采用对等计算模式组织分布式时空索引的建立,主要从节点同构和异构两个角度出发,并结合用户的时空查询类型,从面向历史查询、面向将来预测查询和面向描述时空信息的数据的查询出发,研究设计查询性能良好、更新能力稳定、支持半结构化描述查询的分布式时空索引机制,主要取得了如下成果: (1)深入全面地总结了相关工作。目前分布式索引研究较少,在总结仅有的几篇相似工作后,从集中式时空索引和基于对等计算的多维索引两个研究方向出发,梳理与本文相关的方法理论。以可视化的方式展现相关工作以及作者之间的关系是本文的创新之处,采用这种方式可以直观地洞察各类工作之间的脉络、研究思路和研究风格,这为本文科学地进行研究基于对等计算的时空索引奠定了良好的理论基础。 (2)描述了基于对等计算的分布式时空索引的问题模型并提出索引的整体架构。由于目前开展的相关工作较少,需要从根本上界定问题的本质。提出基于P2P的分布式时空对象模型,采用空间划分的办法对分散的时空对象和分布服务器节点之间的关系建立模型,并对面向历史和面向将来查询的时空数据以及异构情况做了描述与统一。提出了一种双层的整体架构,双层分为本地和全局,每个节点首先完成本地的信息组织及索引建立,然后再参与全局的时空信息组织和索引构建,整体框架描述了索引查询、建立和维护的基本协议,整体架构的合理性、完整性和可扩展性为后续工作建立了研究基础。 (3)提出了基于“双环”结构的面向历史查询的对等时空索引。针对历史时空数据规模庞大、查询复杂的特点,提出了“双环”结构,它由时间环和空间环组成,特点是能够独立地支持空间维和时间维查询,并通过建立直方图对“双环”进行选择性估计从而择优查询,这能够较大地提高查询效率。基于此原理,提出了面向历史查询的对等时空索引DRHSTI,设计了范围查询、KNN查询和轨迹查询。“双环”在提高查询效率的同时增加了索引维护开销,本文分别采取了本地时空索引结点发布、动态分片索引时间环以及缓存技术降低对“双环”的维护代价,仿真实验表明基于“双环”建立的对等分布式时空索引能够在保持较低维护代价的同时快速有效地支持面向历史的时空查询。 (4)提出了基于邻域连接的面向将来查询的对等时空索引。面向将来预测查询具有时空数据动态更新性强、索引压力大的特点,更新效率问题一直备受关注,利用物理空间邻接节点进行局部时空状态摘要交换,进而再利用距离较远的逻辑邻接节点可以对全局时空状态掌握,这可以打破Hilbert曲线降维带来的信息损失的限制,充分提高查询和更新的效率。基于此原则,提出了索引PeerFOX,利用邻域连接的概念设计了路由表、点路由规则和区域路由规则,并给出了面向将来预测的范围查询、KNN查询和连续查询算法以及在动态环境下索引的维护算法。仿真实验表明PeerFOX能够很好地处理更新问题,并且查询效率较好。 (5)提出了在多源异构环境中基于XML聚类面向半结构化查询的时空描述信息组织方法与索引建立机制。在异构环境下,各节点中时空数据格式、规范、度量标准不同,查询时需要基于描述信息进行,由于数据本身不统一,描述信息亦不相同,这给对等环境下的时空查询带来困难。提出了将描述信息XML进行聚类从而将含有相似XML的节点聚集在一起并建立基于域的索引,这样描述信息经过合理组织在同一个域内,用户的半结构化的描述查询可以在域内进行搜索,大大地降低了转发的代价,提高了查询效率。在设计XML聚类时,提出了基于簇核心的XML聚类方法,利用簇核心可以提高聚类精度、加快聚类速度并支持增量式聚类,从而提高整个系统运行效率。仿真实验表明从各方面表明,基于簇核心进行XML聚类具有质量好、效率高的特点,基于XML聚类结果建立对等索引可以提高半结构化时空索引的效率。 (6)应用研究。应用相应关键技术的研究成果,从同构和异构两方面出发,结合战场移动对象和航天时空资源信息应用,设计并实现了2个原型概念系统,验证本文研究的方法、技术的有效性和可行性。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TP311.13

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 张春红;P2PSIP系统关键技术问题研究[D];北京邮电大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 杨晓亮;P2P环境下分布式时空索引范围查询代价模型研究[D];国防科学技术大学;2011年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前3条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前6条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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中国硕士学位论文全文数据库 前5条
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中国期刊全文数据库 前3条
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【相似文献】
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