[发明专利]一种面向时空数据的分布式缓存系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于缓存技术领域，特别地涉及一种面向时空数据的分布式缓存系统及方法。

背景技术

缓存技术诞生于上世纪70年代，最初是为了解决CPU与外部存储设备之间的速率不平衡问题。随着计算机技术的发展，缓存技术已经成为现代计算机体系结构技术的关键技术之一。

在大规模的企业级应用系统中，缓存一般介于用户访问接口和数据存储服务器之间，以缓冲者的角色出现，其作用是为了降低数据中心存储服务器访问的频率，从而提高系统的运行性能。缓存内的数据是对数据库中经常会访问到的数据进行副本。对这类数据的请求，如果命中缓存，则不需要再去对数据进行查询，从而大大减轻了存储服务器的压力，提升了系统性能。

通常情况下采用单点的缓存，缓存数据置于服务器内存内部。缓存的所有数据都通过一定组织放在单台节点上。但在处理大量用户的并发访问时，单点的结构导致系统响应负载加重，响应延迟增加，出现性能瓶颈，并且也有缓存容量受限，无法有效扩充的问题。

因此分布式缓存的出现解决了这个问题。分布式缓存是高性能网络计算的一个热点研究方向，分布式缓存一般是以传统的网络通信协议为基础，在网路由中的关键节点集中部署缓存节点，保存整个网络中的热点信息副本，从而在用户最终访问时减少数据传输记录，降低网络延迟和带宽消耗。 缓存节点之间通过特定的协议或数据调度算法进行信息的交互、共享访问，并且不会产生层次式缓存体系结构带来的高层往来节点的延迟和性能瓶颈问题。另外分布式缓存作为一个独立的中间件，避免了用户访问与缓存实现之间的耦合。

空间和时间是现实世界最基本、最重要的属性。许多空间应用系统，尤其是地理信息系统都需要表达地学对象的时空属性。例如在地籍变更、环境监测、城市演化等领域都需要管理历史变化数据，以便重建历史、跟踪变化、预测未来。人类对地学中时空概念的认知可以追溯到19世纪末2O 世纪初，文献中有当时对地貌循环、历史地理学的研究和对地域差异的研究的记载。说明了人类很早就认识到地学中时空相互作用的重要性。

空间和时间是地学对象的两个基本特征，是反映地学对象状态和演变过程的重要组成部分。在时空数据模型中，空间刻画了地学对象的空间位置分布和空间相关性；时间则刻画了地学对象的存在时间、变化状况和时间相关性。地学对象之间的空间关系往往随着时间而变化，与时间关系交织在一起就形成了多种时空关系。

时空数据面向专业性的特征决定了其应用的特殊性，首先时空数据需要遵循明确的标准规范；另外，时空数据一般是通过卫星传感器等数据采集设备采集而来的，因此对某一特定时空区间内的时空数据在生成后一般不会有改动操作，所以时空数据具有一次写入、多次读取的特征。

 传统的地理位置信息系统使用一些如四分树或者R-Tree来做地理位置索引。这些数据结构的内容需要被在适当的位置更新，并且如果数据量很大的话，操作成本会很高。另一个方法是可以遍历一个n维的数据结构并将其扁平成一个列表。一个众所周知的例子是由Universal B-Tree生成的地理哈希。一个地理哈希使用“之字形”的路线扫描一个n维空间最终可以将空间中的每一个点对应一个一维度的数值。

由此可见，时空数据具有许多专业性很强的组织特性，采用传统的缓存方式无法有效地对其进行索引缓存，即使通过修改使之能适应传统的缓存策略，缓存的存储结构也与时空特性无关。如果能有效地利用数据的时空特征，将时间或空间特征相近的数据缓存放置的物理位置相近，由数据访问的局部性原理可知，这样设计缓存的利用率较高，整个系统的吞吐量与响应速度也有较大提升。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种面向时空数据的分布式缓存系统，工作在用户对数据中心访问的中间层，能够在不改变用户原有访问方式的情况下，实现对时空特征的数据的缓存，以加快时空特征数据访问速度。

本发明的又一目的在于提供一种面向时空数据的分布式缓存方法，能够有效地解决时空特征数据的缓存问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种面向时空数据的分布式缓存系统，该分布式缓存系统包括多个分布式缓存集群，每个集群对应于一定空间特征范围的数据，不同集群负责的缓存范围有相互重叠，每个集群内部由若干缓存节点组成，同一集群内每个缓存节点所对应的空间特征范围信息都相同，但是每个缓存节点对应于不同时间范围内的空间数据信息。

优选地，当数据读取速度要求较高时，将请求的空间范围划分为若干段，将各段数据分配到不同的分发集群处理。

一种面向时空数据的分布式缓存方法，包括以下步骤：