Параллельная обработка пространственных запросов к защищенной картографической базе данных

Страницы:   1   2   3

---

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ РАБОТЫ

1.1 Сущность и основные понятия ГИС. Области применения

1.1.1 Преимущества геоинформационных систем

1.1.2 Операции, осуществляемые ГИС

1.1.3 Возможности ГИС

1.1.4 Состав ГИС

1.1.5 Области применения ГИС

1.2 Проблемы информационной безопасности картографических данных

1.3 Существующие решения

1.4 Архитектура сервера ЗКБД

ГЛАВА 2. ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ И ОПИСАНИЕ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА

2.1 Выбор ГИС

2.2 Тестовая БД. Пространственные запросы

2.3 Выбор СУБД

ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА

3.1 Установка и настройка объектно-реляционной СУБД PostgreSQL

3.1.1 Установка PostGIS

3.2 Реализация модуля расшифровки картографической базы данных

3.3 Применение библиотеки TPL к разработанному программному проект

3.4 Импорт картографической базы данных

3.4.1 Импорт с использованием менеджера БД

3.4.2 Импорт данных без предварительного сохранения на жестком диске

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В работе рассматривается организация системы защиты картографических баз данных. Разрабатывается организация импорта защищенных картографических данных, установка и конфигурирование объектно-реляционной системы управления базами данных и геоинформационной системы, разрабатывается программный модуль для удаленного доступа к серверу.

Актуальность Картографическая продукция отличается высокой себестоимостью работ по ее получению: топографами и геодезистами затрачиваются немалые усилия на формирование этой продукции. Кроме того, карты могут содержать конфиденциальные сведения, например, новые места локализации нефтегазовых и урановых месторождений, цветных металлов. Поэтому актуальной задачей является защита картографических данных.

В основе программной части разрабатываемой системы используется программное обеспечение с открытым исходным кодом, что значительно снижает себестоимость системы в целом.

Разработка модулей обработки запросов к защищенным картографическим базам данных может существенно повысить эффективность работы с такими базами данных, увеличить быстродействие при достаточном уровне защиты.

Предметом работы являлось создание модуля расшифровки картографических данных, с целью анализа и увеличения быстродействия обработки запросов.

Задачи В рамках данной работы необходимо решить следующие задачи:

1. Раскрыть актуальность модуля импорта данных системы защиты картографических баз данных.
2. Разработать алгоритм расшифровки данных.
3. Организовать сетевое хранилище на базе объектно-реляционной СУБД PostgreSQL для повышения надежности хранения данных и возможности их восстановления вследствие выхода из строя оборудования.
4. Произвести установку и конфигурирование объектно-реляционной СУБД PostgreSQL для удаленного доступа к хранилищу.
5. Импортировать картографическую базу данных из ГИС QGIS.
6. Разработать программный модуль доступа к серверу и дешифрования файлов.
7. Применить библиотеку TPL к разработанному программному проекту.

 

 

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ РАБОТЫ

 

Производится теоретический обзор предметной области, рассмотрение различных вариантов реализации и возможность их применения в данном проекте.

 

1.1 Сущность и основные понятия ГИС. Области применения

 

Геоинформационные системы (далее ГИС) — системы, предназначенные для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных и связанной с ними информации о представленных в ГИС объектах. Другими словами ГИС – современная компьютерная технология для картографирования и анализа объектов реального мира, происходящих и прогнозируемых событий и явлений. Научные, технические, технологические и прикладные аспекты проектирования, создания и использования ГИС изучаются геоинформатикой.

Если обойтись без определений, а ограничиться описанием, то ГИС объединяет традиционные операции при работе с базами данных — запрос и статистический анализ — с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эта особенность дает уникальные возможности для применения ГИС в решении широкого спектра задач, связанных с анализом явлений и событий, прогнозированием их вероятных последствий, планированием стратегических решений. [21]

Данные в геоинформационных системах хранятся в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе их географического положения. Этот гибкий подход и возможность геоинформационных систем работать как с векторными, так и с растровыми моделями данных, эффективен при решении любых задач, касающихся пространственной информации.

Геоинформационные системы тесно связаны с другими информационными системами и используют их данные для анализа объектов.

ГИС — это инструментарий, с помощью которого можно решить такие задачи, для которых до этого не существовало готовых законченных решений. [13]

 

1.1.1 Преимущества геоинформационных систем

 

• Удобное для пользователя отображение пространственных данных.
  Картографирование пространственных данных, в том числе в трехмерном измерении, наиболее удобно для восприятия, что упрощает построение запросов и их последующий анализ.
• Интеграция данных внутри организации.

Геоинформационные системы объединяют данные, накопленные в различных подразделениях компании или даже в разных областях деятельности организаций целого региона. Коллективное использование накопленных данных и их интеграция в единый информационный массив дает существенные конкурентные преимущества и повышает эффективность эксплуатации геоинформационных систем.

• Принятие обоснованных решений.

Автоматизация процесса анализа и построения отчетов о любых явлениях, связанных с пространственными данными, помогает ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений.

• Удобное средство для создания карт.

Геоинформационные системы оптимизируют процесс расшифровки данных космических и аэросъемок и используют уже созданные планы местности, схемы, чертежи. ГИС существенно экономят временные ресурсы, автоматизируя процесс работы с картами, и создают трехмерные модели местности.

 

1.1.2 Операции, осуществляемые ГИС

 

ГИС общего назначения обычно выполняет пять типов задач с данными: ввод, манипулирование, управление, запрос и анализ и визуализацию

Ввод данных. Данные для использования их в геоинформационных системах должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой. В современных ГИС этот процесс может быть автоматизирован с применением сканерной технологии, что особенно важно при выполнении крупных проектов, либо, при сравнительно небольшом объеме работ, данные можно вводить с помощью дигитайзера. Некоторые ГИС имеют встроенные векторизаторы, автоматизирующие процесс оцифровки растровых изображений. Многие данные уже переведены в форматы, напрямую воспринимаемые ГИС-пакетами.

Манипулирование данными. Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями системы. Например, географическая информация может быть представлена в разных масштабах (осевые линии улиц представлены в масштабе 1: 100 000, границы округов переписи населения — в масштабе 1: 50 000, а жилые объекты — в масштабе 1: 10 000). Для совместной обработки и визуализации все данные удобнее представить в едином масштабе и в одинаковой картографической проекции. ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для решения конкретной задачи.

Управление. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных, специальные компьютерные средства для работы с интегрированными наборами данных. В ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме. При этом для связывания таблиц применяются общие поля. Этот простой подход достаточно гибок и широко используется во многих ГИС.

Запрос и анализ. При наличии геоинформационной системы и географической информации можно получать ответы как на простые вопросы (Кто владелец данного земельного участка? На каком расстоянии друг от друга расположены эти объекты? Где расположена данная промышленная зона?), так и на более сложные, требующие дополнительного анализа, запросы (Где есть места для строительства нового дома? Каков основный тип почв под еловыми лесами? Как повлияет на движение транспорта строительство новой дороги?). Запросы можно задавать как простым щелчком мыши на определенном объекте, так и посредством развитых аналитических средств. С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу «что будет, если…». Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее значимы два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы типа: Сколько домов находится в пределах 100 м от заданного водоема? Сколько покупателей живет не далее 1км от данного магазина? Какова доля добытой нефти из скважин, находящихся в пределах 10 км от здания управления? Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и землевладении со ставками земельного налога.

Визуализация. Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Карта — это очень эффективный и информативный способ хранения, представления и передачи географической информации. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками, таблицами, диаграммами, фотографиями и другими средствами, например, мультимедийными.

 

1.1.3 Возможности ГИС

 

ГИС-система позволяет:

• определить какие объекты располагаются на заданной территории;
• определить местоположение объекта (пространственный анализ);
• дать анализ плотности распределения по территории какого-то явления (например, плотность расселения);
• определить временные изменения на определенной площади);
• смоделировать, что произойдет при внесении изменений в расположение объектов (например, если добавить новую дорогу). [12]

 

1.1.4 Состав ГИС

 

Геоинформационные системы включают в себя пять ключевых составляющих.

1. Аппаратные средства — это компьютер, на котором функционирует ГИС, и все периферийные устройства, которые используются для получения информации, ввода ее в ЭВМ и предоставление пользователю ГИС результатов. В настоящее время ГИС работают на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров
2. Программное обеспечение. ГИС содержит инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: средства ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных; инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс для легкого доступа к инструментам и функциям.
3. Данные — это наиболее важный компонент ГИС. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные или атрибутивные данные могут собираться и подготавливаться самим пользователем, либо приобретаться у поставщиков на коммерческой или другой основе. В процессе обработки данных ГИС интегрирует пространственные данные с другими типами и источниками данных, а также может использовать СУБД, применяемые многими организациями для упорядочивания и поддержки имеющихся в их распоряжении данных.
4. Исполнители. Широкое применение технологии ГИС невозможно без людей, которые работают с программными продуктами и разрабатывают планы их использования при решении реальных задач. Пользователями ГИС могут быть как технические специалисты, разрабатывающие и поддерживающие систему, так и обычные сотрудники (конечные пользователи), которым ГИС помогает решать текущие каждодневные дела и проблемы.
5. Методы. Успешность и эффективность (в том числе экономическая) применения ГИС во многом зависит от правильно составленного плана и правил работы, которые составляются в соответствии со спецификой задач и работы каждой организации.

 

1.1.5 Области применения ГИС

 

• Управление земельными ресурсами, земельные кадастры. Для решения проблем, имеющих пространственную привязку, и начали создавать ГИС. Типичные задачи — составление кадастров, классификационных карт, определение площадей участков и границ между ними и т. д.
• Инвентаризация, учет, планирование размещения объектов распределенной производственной инфраструктуры и управление ими. Например, нефтегазодобывающие компании или компании, управляющие энергетической сетью, системой бензоколонок, магазинов и т. п.
• Проектирование, инженерные изыскания, планировка в строительстве, архитектуре. Такие ГИС позволяют решать полный комплекс задач по развитию территории, оптимизации инфраструктуры строящегося района, требующегося количества техники, сил и средств.
• Тематическое картографирование.
• Управление наземным, воздушным и водным транспортом. ГИС позволяет решать задачи управления движущимися объектами при условии выполнения заданной системы отношений между ними и неподвижными объектами. В любой момент можно узнать, где находится транспортное средство, рассчитать загрузку, оптимальную траекторию движения, время прибытия и т. п.
• Управление природными ресурсами, природоохранная деятельность и экология. ГИС помогает определить текущее состояние и запасы наблюдаемых ресурсов, моделирует процессы в природной среде, осуществляет экологический мониторинг местности.
• Геология, минерально-сырьевые ресурсы, горнодобывающая промышленность. ГИС осуществляет расчеты запасов полезных ископаемых по результатам проб (разведочное бурение, пробные шурфы) при известной модели процесса образования месторождения.
• Чрезвычайные ситуации. С помощью ГИС производится прогнозирование чрезвычайных ситуаций (пожаров, наводнений, землетрясений, селей, ураганов), расчет степени потенциальной опасности и принятие решений об оказании помощи, расчет требуемого количества сил и средств для ликвидации чрезвычайных ситуаций, расчет оптимальных маршрутов движения к месту бедствия, оценка нанесенного ущерба.
• Военное дело. Решение широкого круга специфических задач, связанных с расчетом зон видимости, оптимальных маршрутов движения по пересеченной местности с учетом противодействия и т. п.
• Сельское хозяйство. Прогнозирование урожайности и увеличения производства сельскохозяйственной продукции, оптимизация ее транспортировки и сбыта. [10,22]

 

1.2 Проблемы информационной безопасности картографических данных

 

Как известно, картографические данные всегда представляли информационную ценность различного характера: коммерческого, исследовательского, экологического, кадастрового, стратегического, геологического и др. С ростом доступности геоинформационных технологий, обострилась и проблема безопасности пространственных данных.

Геоинформатика – сравнительно молодая наука, которая начала развиваться в 1960-е годы. Со временем было создано множество геоинформационных систем различного уровня в сфере картографии. Геоинформационные технологии захватывали и захватывают все большие сферы влияния, растет спрос на рынке информационных технологий на комплексы программ обработки картографической информации. Основными событиями, повлиявшими на интенсивное развитие ГИС-технологий, стали:

— развитие и доступность систем спутниковой навигации (глобальных систем позиционирования);

— уменьшение стоимости спутниковых снимков высокого качества и доступность их получения, и как следствие – возможность их использования коммерческими организациями.

Полученные снимки могут быть использованы для реализации в собственных информационных системах, на базе ГИС, решающих множество частных задач, например, картографирования, кадастра, управления территориями, мониторинг экологической обстановки и чрезвычайных ситуаций, геомаркетинг и ряд других.

Модели пространственных данных могут иметь векторное или растровое представление. Векторные модели чаще применяются на практике, чем растровые, ибо требуют на порядки меньше памяти и времени на обработку. Кроме того, векторные данные имеют более высокую точность позиционирования и представления. При построении векторных моделей объекты создаются путем соединения точек прямыми линиями, дугами окружностей, полилиниями. Площадные объекты – ареалы задаются наборами линий.

Организация хранения данных картографии в векторном формате и их обработка сопряжена с определенными трудностями, и при некоторых операциях невозможно обойтись без участия человека, что значительно увеличивает их себестоимость.

Таким образом, формирование векторной модели данных картографии является сложной задачей. Сами же данные картографии, как было отмечено выше, отличаются высокой себестоимостью работ по их получению и содержащейся информации и, соответственно, нуждаются в информационной безопасности. Необходимо ограничивать несанкционированный доступ к ним с целью хищения, нарушения целостности, а так же иметь возможность их восстанавливать в случае утраты по техническим причинам. [19]

 

1.3 Существующие решения

 

В связи с широким распространением ГИС, насыщением рынка цифровой картографической продукцией в последнее время достаточно остро встала проблема защиты цифровых карт и картографических баз данных от несанкционированного копирования. Известны случаи, когда цифровая карта, сделанная по заказу для одной организации, моментально распространялась третьим лицам, в «неофициальном» порядке. Из-за сложностей по отслеживанию пиратского копирования и идентификации «подлинности» цифровых карт практически невозможно воспользоваться имеющимися в Российском уголовном и административном законодательстве возможностями по преследованию такого рода операций. Технически данная проблема так же решается непросто и, надо констатировать, специализированного решения на настоящий момент не найдено.

Как и для всего класса информационных систем, сущность обеспечения комплексной защиты ГИС основывается на выполнении трех важнейших свойств защищенной системы:

1) Конфиденциальность. Пользователи системы должны получать доступ только к тем данным, для которых они имеют явное или неявное разрешение на доступ. Как правило, решению проблем обеспечения конфиденциальности специалистами в области безопасности уделяется наиболее пристальное внимание. Комплекс мер обеспечения конфиденциальности включает разработку и описание политик доступа, разработку и реализацию мер по обеспечению разграничения доступа, по обеспечению надежной идентификации и аутентификации пользователей, а также мер криптографической защиты.

2) Целостность — обеспечение защиты от преднамеренного или непреднамеренного изменения информации или процессов ее обработки.

3) Доступность — обеспечение возможности доступа авторизированных в системе пользователей к информации в соответствии с принятой политикой доступа. [9]

Существуют две основные возможности по защите цифровых карт: защита встроенными средствами ГИС и защита при помощи программных и аппаратных решений третьих фирм.

Наиболее удобным для пользователя было бы решение данной проблемы в рамках программных продуктов ГИС. Но, к сожалению, разработчики не торопятся встраивать системы защиты цифровых карт в свои программные продукты, т.к. это не соответствует их коммерческим интересам (цифровые карты — бесплатно, программные продукты — за деньги). Имеющиеся в некоторых программных продуктах возможности создают только иллюзию защиты и не являются проблемой для знающих людей. Так, например, в ArcView 3.0, все пароли, предназначенные для блокировки, вы можно легко обнаружить в файле *.apr, просто поискав теги с именами «password». Использование специализированных продуктов третьих фирм является, пожалуй, единственной серьезной возможностью, позволяющей снять остроту проблемы.

Наиболее распространенный тип защиты на сегодняшний день — защита от несанкционированного копирования, как посторонними, так и доверенными лицами. Это, пожалуй, самый сложный для исполнения тип защиты, т.к. пользователи, работающие с защищаемыми файлами данных, имеют доступ, как на чтение, так и на запись. В то же время необходимо обеспечить, чтобы информация, содержащаяся в файлах, не выходила, в своем исходном виде, за пределы некоторого ограниченного «пространства» (локального компьютера, организации) или была растиражирована в строго определенном количестве экземпляров. При этом заранее считается, что пользователи не заинтересованы в обеспечении защиты организационными методами. Наиболее надежным способом защиты данного типа, разработанным к настоящему времени является использование специальных электронных ключей. Одним из самых распространенных типов продукции такого вида являются электронные ключи Hardlock, выпускаемые израильской фирмой Aladdin.

Система защиты с использованием электронных ключей Hardlock функционирует следующим образом: программа, считывающая и интерпретирующая данные в каком-либо файле, обращается к диску компьютера (или какому-либо логическому устройству) для считывания данных посредством вызова специальных функций операционной системы (подсистема ввода-вывода). Она получает данные из участка файла, интерпретирует их и затем записывает (при необходимости) обратно на диск. Решение проблемы состоит в том, чтобы перехватить операции «чтения-записи» либо на уровне операционной системы, либо на аппаратном уровне и провести дешифрование-шифрование считываемых или записываемых данных.

Программное средство дешифрования-шифрования данных перехватывает операции файлового ввода-вывода, осуществляемого программным средством ГИС; проверяет — необходимо ли осуществлять дешифрирование или шифрование считываемых данных; осуществляет идентификацию пользователя путем запрашивания пароля или проверки наличия специального ключа защиты; проверяет некоторые другие параметры, такие как счетчик запусков программы или время, прошедшее с начала работы (для ограничения по времени); на основании этих проверок принимает решение о возможности осуществления операций чтения-записи; осуществляет процессы кодирования/декодирования или разрешает/запрещает доступ к данным, в зависимости от режима функционирования.

Программные средства защиты Hardlock, как уже было замечено выше, определяют необходимость шифрования или дешифрования того или иного файла путем анализа его имени или расширения. Однако зачастую ГИС имеют файлы нескольких расширений. Таким образом, основная сложность при защите цифровых карт состоит в отключении каким-либо способом операций копирования или конвертирования, которые имеются в каждой системе.

Однозначным решением этой проблемы является защита всех файлов которые могут быть открыты или созданы ГИС-программой. Программное обеспечение Hardlock позволяет сделать это, но последствия очевидны: ГИС превращается в замкнутую систему, которая «все впускает, но ничего не выпускает». Такой подход приемлем только в том случае, если не предполагается создавать в ГИС-программе «открытые» копии исходных или обработанных данных, включая даже текстовые файлы, а весь информационный обмен осуществляется в рамках однотипных программных средств или с использованием одного и того же защищенного формата, защищенных с использованием одного и того же кода и ключевого слова. [14]

 

1.4 Архитектура сервера ЗКБД

 

Архитектура системы управления ЗКБД показана на Рис.1. Организация модулей в данной архитектуре является классикой [11], поэтому не нуждается в исчерпывающем описании. Рассмотрим отдельные модули.

Клиентская сторона.

Конвертер – это модуль, который преобразует результирующие отношения, получаемые от сервера СУБД, в формат ГИС-данных и проводит обратное преобразование для передачи ГИС-данных на сервер (и то, и другое выполняются опосредованно через клиентское хранилище).

Клиентский модуль выполняет два типа запросов к серверу ЗКБД: pull и push. Pull-запрос выполняет пространственную выборку данных, push-запрос выполняет изменение ЗКБД.

Серверная сторона.

Арбитр запросов – это модуль, который блокирует выполнение любых поступающих от клиента запросов в ходе выполнения pull-запроса.

 

При успешном обновлении ЗКБД выполняется процедура репликации баз данных на узлах, в противном случае выполняется откат базы данных до предыдущей версии.

Серверная сторона организована по принципу мультикластера. В случае такой организации каждый запрос, поступающий от клиентов, обрабатывается одним узлом сервера ЗКБД. За равномерное распределение запросов между узлами отвечает балансировщик нагрузки.

---

Страницы:   1   2   3