CN101917449B - 一种面向三维空间数据传输的应用层通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维空间数据传输技术领域，尤其涉及一种面向三维空间数据传输的应用层通信方法。本发明包括数据处理步骤，管理客户端向服务器端发送数据请求和服务器端针对客户请求发送具体三维空间数据；策略定制步骤，管理客户端请求服务器端采取何种策略获取数据和发送数据；错误处理步骤，管理接收方接收到错误数据后要求发送方如何重发数据；同时，本发明将三维空间数据抽象为几何数据、属性数据、纹理数据和空间关系数据，以方便服务器端发送数据和传输控制。本发明在应用层上保障了三维空间数据网络传输的高效性与准确性，为三维空间数据网络传输和共享提供了一种新的实施途径。

Description

一种面向三维空间数据传输的应用层通信方法

技术领域

本发明涉及三维空间数据传输技术领域，尤其涉及一种面向三维空间数据传输的应用层通信方法。

背景技术

近年来，三维地理信息系统（Three-Dimensional Geographical Information System,3DGIS）在国内外发展迅猛。较之传统的二维地理信息系统，三维地理信息系统的显著变化就是所管理和处理的空间数据量呈现出明显的海量特征。如何存储和管理三维场景的空间数据成为三维地理信息系统的技术关键。普通个人电脑无法直接装载和处理一个大地区的海量数据，以城市三维空间数据为例，其三维空间数据的数据量就可高达几个Tb。而用户对于空间数据的访问具有局部性、偶然性，因此，搭建以空间数据库为服务器和普通个人计算机为客户端的客户端/服务器模式（C/S模式）已成为解决海量空间数据存储、调用和处理等问题的基本思路。

在C/S模式中，通信速度是影响系统性能的关键因素。建立低延迟、高带宽的可靠通信协议是优化三维空间数据网络传输的主要目标之一。与此密切相关的三维空间数据可视化应用对获取应用数据的准确性和效率要求都很高，在底层协议选择上一般都会选用可靠的面向连接的TCP/IP协议。

然而缺乏标准的应用层协议是困扰三维空间数据高效网络传输和应用系统构建的关键问题。由于三维空间数据具有多源、多类、多维、多量、多时态和多主题等重要特征，而且各三维空间数据应用系统研究侧重点不同，比如地质调查侧重的是地层、矿产和油气数据，城市三维GIS侧重于建筑，管线数据等，导致不同单位和基于不同平台开发出来的三维空间数据格式不能进行统一，服务器和客户端之间传输的数据格式不一，不匹配的客户端/服务器相互不能进行通信，即使是采用抓包技术得到的数据包也不能分析和加以利用。这阻碍了三维地理信息系统中空间数据的传输效率，大大降低了数据的共享性，成为构建三维空间数据库及实现其应用的关键问题之一。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的是提供一种面向三维空间数据传输的应用层通信方法，以提高三维空间数据网络传输的高效性和准确性，实现多种空间数据格式的数据在不同网络节点之间的快速传输和共享访问。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

①服务器端打开数据传输端口进行监听，客户端发出连接消息，发送给服务器端；

②服务器端对客户信息和权限进行验证后，发出验证消息，若通过验证，则允许连接，进入步骤③，否则，不允许连接和请求数据，通信结束；

③客户端发出策略定制消息，用户插入指定的策略定制标志，服务器端接收后，记录该客户的策略定制信息，接到请求数据消息后则按照客户定制的策略对数据进行查找处理以及发送；

④客户端发出请求数据消息，向服务器端请求数据，客户填入自己请求的数据类型，对象ID集合，发送至服务器端；

⑤服务器接收到请求数据消息后，对数据进行校验检测，若检测合格则进入步骤⑥，若检测不合格则转入步骤⑧；

⑥服务器端解析请求数据类型和请求ID集合，按照用户制定的搜索策略，从相应缓存或数据库获取数据；

⑦客户端接收到返回数据后，对数据进行校验检测，若检测合格则本次通信过程结束，若检测不合格则发送错误报告消息，进入步骤⑨；

⑧服务器端会向客户端发送错误报告消息，客户端接收到错误报告后，重发数据请求消息，返回步骤⑤；

⑨服务端接收错误消息报告，对系统负载进行检测，采取负载优先均衡策略，返回步骤

⑥；所述负载优先均衡策略为：负载较轻时，采取发送普通数据的策略，依次全部重发；负载较重时，按照数据类型的重要顺序，发送最重要的数据，不重要的数据排队处理。

所述步骤①中客户端发出的连接消息，包括账户、密码、请求连接的数据库连接字符串和指定的用户权限标志。

所述步骤③中包括默认策略，服务器端先从缓存找数据，若找到直接返回，否则查找数据库，找到后插入缓存并返回数据。

所述步骤⑥进一步包括以下子步骤：若服务器端不能获取任何数据，则发送客户端数据消息内总消息个数填入0，表示没有该请求数据；

若能获取到数据，会根据服务器当前负载情况，将数据按照重要性依次分批发送几何数据、属性数据、纹理数据和空间关系数据。

所述步骤①中的服务器端采用固定数据传输端口，默认采用1986端口。

本发明具有以下优点和积极效果：

1）本发明详细分析了三维GIS中的数据通信需求情况，将数据按重要性分类为：几何信息、属性信息、纹理信息和空间关系信息，在处理服务器负载均衡问题时可以此为依据实现对数据的分批发送，可以有效增强服务器的健壮性和稳定性；

2）本发明对不同类型数据的请求、发送以及错误处理规定了明确的格式和步骤，为三维空间数据的通信与共享提供了参考标准，为三维空间数据的标准化通信应用和高效处理提供了基础。

附图说明

图1是本发明提供的面向三维空间数据传输的应用层通信方法的C/S通信示意图。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明：

本发明提供的面向三维空间数据传输的应用层通信方法，针对不同三维GIS系统关注的不同数据类型，在更高层次上抽象出统一的数据类型，具体来说，在定义统一的数据格式中，根据三维空间数据具有的多源、多类、多维、多量、多时态和多主题等重要特征，将三维空间数据抽象为四大类最基本的数据类型，包括：

几何信息：描述空间对象的几何位置、几何坐标系、几何形状、坐标数据等空间数据的属性信息，表1说明了本发明支持的几种基本几何类型：

表1：基本几何数据类型

系统类型	说明
		G3D_GEOM_VERTEX	三维坐标点类型（X，Y，Z）
G3D_GEOM_COLOR	颜色（R，G，B，A）
		G3D_GEOM_BOUND	(MINX,MINY，MINZ,MAXX,MAXY,MAXZ)
G3D_GEOM_VERTEXLIST	坐标点列表{(X,Y，Z),(X,Y，Z)…}
		G3D_GEOM_COLORLIST	颜色列表{（R，G，B，A），（R，G，B，A）…}
G3D_GEOM_TYPE_POINTSET	点集
		G3D_GEOM_TYPE_POLYLINE	线
G3D_GEOM_TYPE_POLYGON	多边形
		G3D_GEOM_TYPE_SURFACE	面
G3D_GEOM_TYPE_SOLID	三维实体
		G3D_GEOM_USER_XXX	用户自定义三维几何类型

属性信息：描述空间对象的语义名称，材质信息等空间数据的属性信息，表2说明了本发明支持的几种基本属性信息类型：

表2：基本属性数据类型

系统类型	C++类型	数据库类型
			G3D_TYPE_INTEGER	long	NUMBER(n,0)
G3D_TYPE_DECIMAL	double	NUMBER(n,m)
			G3D_TYPE_char	char[n]	char(n)

G3D_TYPE_VARchar	char*	VARchar2(n)
			G3D_TYPE_USER_XXX	用户自定义类型	用户自定义类型

纹理信息：表达空间对象的表面纹理信息，材质信息等，表3说明了本发明支持的几种基本纹理信息类型：

表3：基本纹理数据类型

系统类型	说明
		G3D_TEXTURE_BMP	BMP格式图片
G3D_TEXTURE_JPG	JPG格式图片
		G3D_TEXTURE_GIF	GIF格式图片
G3D_TEXTURE_PNG	PNG格式图片
		G3D_TEXTURE_ICO	ICO格式图片
G3D_TEXTURE_PCX	PCX格式图片
		G3D_TEXTURE_TGA	TGA格式图片
G3D_TEXTURE_USER_XXX	用户自定义纹理格式

空间关系信息：表达空间对象的方向信息，以及空间对象之间的拓扑关系等，表4说明了本发明支持的几种基本空间关系类型：

表4：空间关系类型

系统类型	说明
		topOTYPE_COPOSITION	组成关系
topOTYPE_CONNECTIVITY	连通关系
		topOTYPE_INCLUSION	包含关系
topOTYPE_SYNtopY	邻接关系
		topOTYPE_ASSOCIATION	关联关系
topOTYPE_INTERSECTION	相交关系
		topOTYPE_USER_XXX	用户自定义空间关系

上面的四类数据类型按照重要性从大到小依次为几何信息、属性信息、纹理信息、空间关系信息。客户端可根据需求情况请求数据，注重速度时可按重要性对这四类数据分别请求，注重信息的完整性时可要求全部发送。同时服务器端在负载较重时，可以对数据先发送重要数据，对不重要的数据进行排队，待负载较轻时再进行发送。

本发明同时对客户端和服务器端之间通信的消息格式进行了统一的定义，如下表表5所示：

表5：面向三维空间数据传输的应用层通信方法的通信消息格式

下面对上表所述的消息格式逐一进行介绍：

①客户端请求连接服务器端按照统一的消息格式和解析方式：请求连接消息格式见上表，以MSG_CONNECT的消息头开始，第1字段为20字节的账号信息，第2字段为20字节的密码信息，第3字段为40字节的数据库连接字符串信息，第4字段为4字节的用户权限标志，第5字段为15字节的留给用户扩展的备用字段。

②服务器端发给客户端的验证按照统一的消息格式和解析方式。验证消息格式见上表，以MSG_VERIFY的消息头开始，第1字段为1字节的验证标志。MSG_VERIFY_VALIDATE表示验证通过，允许连接，MSG_VERIFY_INVALIDATE表示验证未通过，不允许连接。第2字段为20字节的描述信息，表达未通过的原因等。第3字段为10字节的留给用户扩展的备用字段。

③客户端定制传输策略按照统一的消息格式和解析方式。策略定制消息格式见表1，以MSG_STRATEGY_ORDER的消息头开始，第1字段为4字节的策略定制标志，MSG_STRATEGY_SEARCH_DATABASE表示搜索数据库，MSG_STRATEGY_SEARCH_CACHE表示搜索缓存，MSG_STRATEGY_INSERT_CACHE表示插入缓存,MSG_STRATEGY_NAGLE表示传输数据时使用Nagle算法，MSG_STRATEGY_PREDISPATCH表示使用预调度策略，第2字段为20字节的备注信息，第3字段为7字节的扩展字段供用户备用。

④客户端对请求数据消息按照统一的消息格式和解析方式。请求数据消息格式见上表，以MSG_REQUEST的消息头开始，第1字段为请求的数据类型，也就是上述四大分类中的某一类，第2字段为4个字节的ID个数信息。第3字段为具体的ID。请求消息最多65536字节，也就是64kb。若还有更多ID则得分为第2条请求消息发送。

⑤服务器端返回给客户端的数据消息按照统一的消息格式和解析方式。返回数据消息格式见上表，以MSG_DATA的消息头开始，第1字段为返回的数据类型，第2字段为返回的数据消息总个数，第3字段为返回的数据消息序号，当1份数据可以用1个消息装载时则消息总个数和消息序号都为1，否则数据会分为几个消息，服务器端将数据按照序号依次发送。

⑥接收方检测到错误数据后，会向发送方发送错误报告，因此对错误报告提供统一的消息格式和解析方式。错误报告消息格式见上表，以MSG_ERROR为消息头，第1字段为1字节的错误类型，第2字段为4字节的数据错误序号，第3字段为16字节的描述信息。第4字段为10字节的扩展字段留给用户备用。

⑦控制消息格式，如上表：控制消息以MSG_CONTROL为消息头，管理员填入开关标志（MSG_CONTROL_OPEN表示开启服务器，MSG_CONTROL_CLOSE表示关闭服务器，MSG_CONTROL_SUSPEND表示暂停服务器），服务器策略标志（MSG_STRATEGY_SEARCH_DATABASE表示搜索数据库，MSG_STRATEGY_SEARCH_CACHE表示搜索缓存，MSG_STRATEGY_INSERT_CACHE表示插入缓存,MSG_STRATEGY_NAGLE表示传输数据时使用Nagle算法，MSG_STRATEGY_PREDISPATCH表示使用预调度策略），传输标志（MSG_ALL表示对客户端请求数据全部发送，MSG_SEQUENCE表示按重要次序分批发送），以及备注信息。

下面结合图1，详细描述本发明的流程步骤：

首先需要服务器端开启空间数据服务器，管理员可以在服务器上手动管理，也可以通过向服务器指定传输控制端口（系统默认为1987，用户可以修改）发送控制消息进行远程管理，实现对服务器的系统级管理。

服务器开启后，C/S之间严格按照本协议实现数据传输，如图1所示从上到下是一个完整的C/S通信过程：

建立连接的步骤：

首先服务器端打开固定数据传输端口（系统默认为1986，用户可以修改）进行监听，客户端首先发出连接消息，消息格式见表5，客户端填入自己的账户、密码、请求连接的数据库连接字符串和指定的用户权限标志，发送给服务器端，服务器端对客户信息和权限进行验证后，发出验证消息，消息格式见表5，若通过验证，则允许连接，转入定制策略的步骤。否则，不允许连接和请求数据，本次通信结束。

定制策略的步骤：

客户端发出策略定制消息，消息格式见表5，用户插入指定的策略定制标志，MSG_STRATEGY_SEARCH_DATABASE表示搜索数据库，MSG_STRATEGY_SEARCH_CACHE表示搜索缓存，MSG_STRATEGY_INSERT_CACHE表示插入缓存,MSG_STRATEGY_NAGLE表示传输数据时使用Nagle算法，MSG_STRATEGY_PREDISPATCH表示使用预调度策略，服务器端接收后，记录该客户的策略定制信息，接到数据请求后按照客户定制的策略对数据进行查找处理以及发送。

同时，本协议存在默认策略，即MSG_STRATEGY_DEFAULT，服务器端先从缓存找数据，若找到直接返回，否则查找数据库，找到后插入缓存并返回数据。因此本步骤可以省略，即选择默认的策略。此步骤完后，转入下一步骤。

客户端请求数据，服务器端发送数据的步骤：

客户端发出请求数据消息，消息格式如见表5，向服务器端请求数据，客户填入自己请求的数据类型，对象ID集合，发送服务器端。服务器接收到请求数据后，会对数据进行校验检测，若检测不合格则转入错误处理步骤。

检测请求数据合格后，服务器端解析请求数据类型和请求ID集合，按照用户制定的搜索策略，从相应缓存或数据库获取数据。若服务器端不能获取任何数据，则发送客户端数据消息内总消息个数填入0，表示没有该请求数据。若能获取到数据，会根据服务器当前负载情况，将数据按照重要性依次分批发送几何数据、属性数据、纹理数据和空间关系数据。对当前要发送的数据按照数据量进行打包，先填入对象所占空间大小，再装入对象数据内容。若数据内容一个包不能封装，则分多包封装并排好序，再按序依次发送返回数据消息。客户端接收到返回数据后，会对数据进行校验检测，若检测合格则本次通信过程结束，否则转入错误处理步骤。

错误处理步骤：

服务器端接收到错误消息头，错误数据类型，错误请求，或请求不完整，会向客户端发送错误报告消息，消息格式见表5，客户端接收到错误报告后，会重发数据请求消息。

客户端接收到错误消息头，错误数据类型，错误数据，或数据不完整，会向服务器端发送错误报告消息，消息格式见表5，服务器端接收到错误报告后，首先检验当时的系统负载，负载较轻时，采取发送普通数据的策略，依次全部重发。负载较重时，按照数据类型的重要顺序，先发送最重要的数据，将不重要的数据压入排队区，待服务器负载降低时再发送相对不重要的数据。数据消息发送完毕后，本次通信过程结束。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种面向三维空间数据传输的应用层通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

①、服务器端打开数据传输端口进行监听，客户端发出连接消息，发送给服务器端；

②、服务器端对客户信息和权限进行验证后，发出验证消息，若通过验证，则允许连接，进入步骤③，否则，不允许连接和请求数据，通信结束；

③、客户端发出策略定制消息，用户插入指定的策略定制标志，服务器端接收后，记录该客户的策略定制信息，接到请求数据消息后则按照客户定制的策略对数据进行查找处理以及发送；

④、客户端发出请求数据消息，向服务器端请求数据，客户填入自己请求的数据类型，对象ID集合，发送至服务器端；

⑤、服务器接收到请求数据消息后，对数据进行校验检测，若检测合格则进入步骤⑥，若检测不合格则转入步骤⑧；

⑥、服务器端解析请求数据类型和请求ID集合，按照用户制定的搜索策略，从相应缓存或数据库获取数据；

⑦、客户端接收到返回数据后，对数据进行校验检测，若检测合格则本次通信过程结束，若检测不合格则发送错误报告消息，进入步骤⑨；

⑧、服务器端会向客户端发送错误报告消息，客户端接收到错误报告后，重发数据请求消息，返回步骤⑤；

⑨、服务器端接收错误消息报告，对系统负载进行检测，采取负载优先均衡策略，返回步骤⑥；所述负载优先均衡策略为：负载较轻时，采取发送普通数据的策略，依次全部重发；负载较重时，按照数据类型的重要顺序，发送最重要的数据，不重要的数据排队处理。

2.根据权利要求1所述的面向三维空间数据传输的应用层通信方法，其特征在于：

所述步骤①中客户端发出的连接消息，包括账户、密码、请求连接的数据库连接字符串和指定的用户权限标志。

3.根据权利要求1所述的面向三维空间数据传输的应用层通信方法，其特征在于：

所述步骤③中包括默认策略，服务器端先从缓存找数据，若找到直接返回，否则查找数据库，找到后插入缓存并返回数据。

4.根据权利要求1、2或3所述的面向三维空间数据传输的应用层通信方法，其特征在于，所述步骤⑥进一步包括以下子步骤：

若服务器端不能获取任何数据，则发送客户端数据消息内总消息个数为0，表示没有该请求数据；

若能获取到数据，会根据服务器当前负载情况，将数据按照重要性依次分批发送几何数据、属性数据、纹理数据和空间关系数据。

5.根据权利要求1所述的面向三维空间数据传输的应用层通信方法，其特征在于：

所述步骤①中的服务器端采用固定数据传输端口，默认采用1986端口。

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