基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的存儲(chǔ)技術(shù)在數(shù)字化醫(yī)院中的應(yīng)用研究

韓愛(ài)華，汪兆來(lái)

1.蘭山區(qū)人民醫(yī)院 設(shè)備科，山東臨沂 276001；2.臨沂市腫瘤醫(yī)院微機(jī)中心， 山東 臨沂 276001

基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的存儲(chǔ)技術(shù)在數(shù)字化醫(yī)院中的應(yīng)用研究

韓愛(ài)華1，汪兆來(lái)2

1.蘭山區(qū)人民醫(yī)院 設(shè)備科，山東臨沂 276001；2.臨沂市腫瘤醫(yī)院微機(jī)中心， 山東 臨沂 276001

目的 研究建立網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)字化醫(yī)院信息存儲(chǔ)模式。方法 對(duì)存儲(chǔ)技術(shù)深入研究，提出適合不同時(shí)期的醫(yī)院信息系統(tǒng)不同應(yīng)用的存儲(chǔ)技術(shù)架構(gòu)與模式。結(jié)果 選擇適合的存儲(chǔ)模式，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化醫(yī)院數(shù)據(jù)安全、高可用性、高擴(kuò)展性的存儲(chǔ)。結(jié)論 企業(yè)級(jí)虛擬化存儲(chǔ)、云存儲(chǔ)代表著未來(lái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)發(fā)展的方向。

存儲(chǔ)技術(shù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；虛擬化存儲(chǔ)；HIS；存儲(chǔ)模式

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為各企事業(yè)單位賴(lài)以生存的基礎(chǔ)。在與生命健康息息相關(guān)的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，醫(yī)院信息系統(tǒng)（Hospital Information System，HIS)、實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（Laboratory Information Management System，LIS）、電子病歷（Electronic Medical Record，EMR）、影像歸檔和通信系統(tǒng)（Picture Archiving and Communication Systems，PACS）等的數(shù)據(jù)安全尤為重要。因此，研究并選擇網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下合適的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，建立高效、合理的存儲(chǔ)模式，以確保數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)[1]，成為醫(yī)院信息化建設(shè)和信息安全工作的核心課題。

1 傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)

主要有內(nèi)嵌式存儲(chǔ)（Embedded Storage，ED）和直接依附存儲(chǔ)（Direct Attached Storage，DAS）。

1.1 ED存儲(chǔ)

內(nèi)嵌存儲(chǔ)指硬盤(pán)、磁盤(pán)陣列和磁帶機(jī)等存儲(chǔ)設(shè)備都內(nèi)嵌在服務(wù)器主機(jī)中，是主機(jī)的一部分，數(shù)據(jù)主要在主機(jī)的硬盤(pán)上進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)磁帶進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。

1.2 DAS存儲(chǔ)

直接依附存儲(chǔ)是指把存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口（Small Computer System Interface，SCSI）或光纖通道直接與主機(jī)相連，客戶端通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器來(lái)存取存儲(chǔ)設(shè)備上的數(shù)據(jù)信息。

當(dāng)服務(wù)器比較分散，很難通過(guò)遠(yuǎn)程連接互聯(lián)時(shí)，直接連接是一個(gè)比較好的方法，它是目前最常用的網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)存設(shè)備[2]。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)具有連接費(fèi)用低、技術(shù)成熟、對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的依賴(lài)程度低、高數(shù)據(jù)傳輸率、低延遲、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是擴(kuò)展性差、傳輸距離短、高度依賴(lài)服務(wù)器。

2 網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)是指在特定的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)從多臺(tái)主機(jī)到多臺(tái)設(shè)備方位的存儲(chǔ)[3]，主要是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備（包括專(zhuān)用數(shù)據(jù)交換設(shè)備、磁盤(pán)陣列或磁帶庫(kù)等）及專(zhuān)用的存儲(chǔ)管理軟件，利用原有網(wǎng)絡(luò)或構(gòu)建一個(gè)存儲(chǔ)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供統(tǒng)一的信息存取系統(tǒng)和共享服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)主要的實(shí)現(xiàn)手段有兩種：網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)（Network Attached Storage，NAS）和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域存儲(chǔ)（Storage Area Network，SAN）。

2.1 NAS存儲(chǔ)

NAS存儲(chǔ)是一種專(zhuān)業(yè)的網(wǎng)絡(luò)文件存儲(chǔ)及文件備份設(shè)備。它類(lèi)似于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過(guò)集線器或交換機(jī)直接連到網(wǎng)絡(luò)上，按照傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）進(jìn)行通信，面向消息傳遞，以文件輸入/輸出口（Input/Output，I/O）方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為網(wǎng)絡(luò)客戶提供數(shù)據(jù)和文件服務(wù)。

NAS存儲(chǔ)子系統(tǒng)一般都有專(zhuān)用的NAS文件服務(wù)器，它是NAS系統(tǒng)的關(guān)鍵，是文件系統(tǒng)所在地和NAS設(shè)備的控制中心，一般可以支持多個(gè)I/O節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)接口，每個(gè)I/O節(jié)點(diǎn)都有自己的存儲(chǔ)設(shè)備。

在NAS存儲(chǔ)系統(tǒng)中，應(yīng)用和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分不在同一服務(wù)器上[4]。應(yīng)用服務(wù)器將數(shù)據(jù)服務(wù)器視做網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)局域網(wǎng)進(jìn)行訪問(wèn)。

NAS實(shí)現(xiàn)多臺(tái)服務(wù)器之間文件系統(tǒng)的共享，適合于存儲(chǔ)容量需求大、對(duì)傳輸速度要求不高的場(chǎng)合。

2.2 SAN存儲(chǔ)[5]

SAN存儲(chǔ)是一種分布式的存儲(chǔ)技術(shù)，類(lèi)似于普通局域網(wǎng)的高速存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，是一種通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備將磁盤(pán)陣列、磁帶庫(kù)等存儲(chǔ)設(shè)備與相關(guān)服務(wù)器連接起來(lái)的高速專(zhuān)用子網(wǎng)[6]。

SAN方式下，存儲(chǔ)設(shè)備從服務(wù)器中分離出來(lái)，服務(wù)器與存儲(chǔ)設(shè)備之間是多對(duì)多的關(guān)系，存儲(chǔ)設(shè)備不再是哪一臺(tái)服務(wù)器的專(zhuān)屬設(shè)備，而是網(wǎng)上所有服務(wù)器的共享設(shè)備，允許任何服務(wù)器連接到任何存儲(chǔ)陣列，不管數(shù)據(jù)置放在哪里，服務(wù)器都可直接存取所需的數(shù)據(jù)。

SAN置于局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）之下，而不涉及LAN。通過(guò)SAN網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)在相關(guān)服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備之間高速傳輸，對(duì)LAN的帶寬占用幾乎為零。

SAN模式下，服務(wù)器僅負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)調(diào)度，所有的數(shù)據(jù)處理都不是由服務(wù)器完成的。還可允許各存儲(chǔ)子系統(tǒng)無(wú)需通過(guò)專(zhuān)用中間服務(wù)器即可相互協(xié)作。

SAN方式支持海量存儲(chǔ)與共享，存儲(chǔ)資源的共享方式為Block級(jí)共享，性能高。主流接口為光纖通道協(xié)議（Fibre Channel Protocol，F(xiàn)CP），采用光纖通道技術(shù)，性能高、傳輸距離更遠(yuǎn)、可擴(kuò)展能力強(qiáng)、穩(wěn)定性和可靠性好。

SAN支持遠(yuǎn)程距離通信，允許存儲(chǔ)設(shè)備真正與服務(wù)器隔離，支持本地和異地快速數(shù)據(jù)備份和容災(zāi)。

存儲(chǔ)設(shè)備的整合和數(shù)據(jù)集中管理，大大降低了重復(fù)投資率和長(zhǎng)期管理維護(hù)成本，總體花費(fèi)成本（Total Cost of Ownership，TCO）低。

網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)是當(dāng)前的主流存儲(chǔ)技術(shù)，主要特點(diǎn)是：存儲(chǔ)設(shè)備整合，邏輯上完全一體，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理；存儲(chǔ)設(shè)備與主機(jī)之間是多對(duì)多的關(guān)系；存儲(chǔ)系統(tǒng)高性能共享；面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，任意擴(kuò)展，伸縮性強(qiáng)。

3 虛擬存儲(chǔ)技術(shù)[7]

虛擬存儲(chǔ)技術(shù)就是將不同的物理存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)不同的接口協(xié)議，按照一定的虛擬存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)整合成一個(gè)虛擬的存儲(chǔ)池，為主機(jī)創(chuàng)建和提供虛擬存儲(chǔ)卷，為用戶提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)資源共享和統(tǒng)一管理。虛擬存儲(chǔ)實(shí)際上是邏輯存儲(chǔ)，它將物理存儲(chǔ)實(shí)體與服務(wù)器所見(jiàn)的存儲(chǔ)設(shè)備視圖分離開(kāi)來(lái)，服務(wù)器不知道實(shí)際物理存儲(chǔ)設(shè)備的位置、路徑和每個(gè)設(shè)備的具體特點(diǎn)。虛擬存儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)地改變邏輯空間到物理存儲(chǔ)設(shè)備的映射，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理存儲(chǔ)進(jìn)行透明訪問(wèn)，而無(wú)需改動(dòng)任何服務(wù)器設(shè)置。

虛擬存儲(chǔ)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有兩種：對(duì)稱(chēng)式和非對(duì)稱(chēng)式。對(duì)稱(chēng)式虛擬存儲(chǔ)技術(shù)又稱(chēng)帶內(nèi)虛擬存儲(chǔ)，是指虛擬存儲(chǔ)控制設(shè)備內(nèi)嵌在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑中，與存儲(chǔ)軟件系統(tǒng)、交換設(shè)備等集成為一個(gè)整體；非對(duì)稱(chēng)式虛擬存儲(chǔ)技術(shù)又稱(chēng)帶外虛擬存儲(chǔ)，是指虛擬存儲(chǔ)控制設(shè)備獨(dú)立于數(shù)據(jù)傳輸通道之外[8]。

虛擬存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)方式有3種：基于主機(jī)的虛擬存儲(chǔ)、基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬存儲(chǔ)、基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬存儲(chǔ)，也稱(chēng)服務(wù)器級(jí)虛擬存儲(chǔ)、存儲(chǔ)設(shè)備級(jí)虛擬存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)級(jí)虛擬存儲(chǔ)[9]。服務(wù)器級(jí)虛擬存儲(chǔ)，是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)形式，調(diào)度工作會(huì)影響服務(wù)器的應(yīng)用性能，可能有性能瓶頸；存儲(chǔ)設(shè)備級(jí)虛擬存儲(chǔ)，主要通過(guò)大規(guī)模獨(dú)立磁盤(pán)冗余陣列（Redundant Arrays of Inexpensive Disks，RAID）子系統(tǒng)與多個(gè)I/O通道連接至服務(wù)器，產(chǎn)品相對(duì)成熟，性價(jià)比高，是目前常用的一種虛擬存儲(chǔ)方式，但存在不兼容性。網(wǎng)絡(luò)級(jí)虛擬存儲(chǔ)，由網(wǎng)絡(luò)廠商實(shí)施，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將邏輯鏡像映射到外圍存儲(chǔ)設(shè)備，可能是“最開(kāi)放的”虛擬存儲(chǔ)。

虛擬存儲(chǔ)是當(dāng)前新興存儲(chǔ)技術(shù)，其特點(diǎn)：整合不同類(lèi)型存儲(chǔ)設(shè)備，有效地保護(hù)設(shè)備投資；大容量存儲(chǔ)池集中管理，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，擴(kuò)容對(duì)客戶端透明；虛擬存儲(chǔ)對(duì)多個(gè)存儲(chǔ)模塊負(fù)載均衡或并行訪問(wèn)，提高存儲(chǔ)系統(tǒng)聚合訪問(wèn)帶寬；通過(guò)管理軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全管理、生命周期管理、動(dòng)態(tài)管理等。

4 內(nèi)容尋址存儲(chǔ)（Content Addressed Storage，CAS）[10]

內(nèi)容尋址存儲(chǔ)是一種基于對(duì)象的存儲(chǔ)系統(tǒng)[11]，指的是系統(tǒng)為每一個(gè)保存對(duì)象及其元數(shù)據(jù)分配一個(gè)獨(dú)特的地址，內(nèi)容以固定的形式存在，在數(shù)據(jù)的使用過(guò)程中無(wú)論該對(duì)象被使用多少次，也只保存一份原件，不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)。

基于CAS的數(shù)據(jù)都含有一個(gè)全球唯一的標(biāo)識(shí)符。用戶訪問(wèn)該數(shù)據(jù)時(shí)，只需在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)出帶有這一標(biāo)識(shí)符的信息，而不必追蹤被保存信息的物理位置，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)這一標(biāo)識(shí)符在網(wǎng)絡(luò)上搜尋到信息所存位置，然后將該信息反饋給用戶。

CAS存儲(chǔ)使用從對(duì)象內(nèi)容產(chǎn)生的哈希值作為對(duì)象標(biāo)識(shí)符，哈希值是唯一的，因此CAS可支持?jǐn)?shù)據(jù)完整性檢查、存儲(chǔ)空間的有效使用、寫(xiě)一次特性和重疊寫(xiě)保護(hù)等功能，特別適用于存儲(chǔ)固定內(nèi)容的數(shù)據(jù)環(huán)境。

在CAS中，允許用戶設(shè)置一定的數(shù)據(jù)管理策略，禁止任何人在指定的時(shí)間段內(nèi)隨意更改或刪除文件。

CAS具有面向?qū)ο蟮拇鎯?chǔ)特征，按照所存儲(chǔ)內(nèi)容的指紋尋址，具有良好的可搜索性、安全性、擴(kuò)展性及可靠性。

CAS的內(nèi)容尋址技術(shù)大大降低了應(yīng)用軟件操作和管理存儲(chǔ)介質(zhì)上所存儲(chǔ)信息的物理地址的難度。

5 數(shù)字化醫(yī)院存儲(chǔ)架構(gòu)與模式的選擇

5.1 醫(yī)院存儲(chǔ)架構(gòu)的建設(shè)原則

存儲(chǔ)架構(gòu)要納入醫(yī)院信息系統(tǒng)建設(shè)體系進(jìn)行總體規(guī)劃，分步實(shí)施，按需購(gòu)買(mǎi)，適度超前。特別是要綜合考慮架構(gòu)的安全性、可靠性、可擴(kuò)展性、開(kāi)放性，還要注重性價(jià)比。

5.2 醫(yī)院存儲(chǔ)模式的選擇

選擇存儲(chǔ)模式時(shí)，要根據(jù)各種存儲(chǔ)模式的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，再根據(jù)信息系統(tǒng)各應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息類(lèi)型、響應(yīng)速度、網(wǎng)絡(luò)帶寬、實(shí)時(shí)性、安全性要求等選擇不同的與之匹配的最佳存儲(chǔ)架構(gòu)模式。方案選擇既要著眼于實(shí)際需求，考慮方案的先進(jìn)性、開(kāi)放性、安全性，還要考慮經(jīng)濟(jì)情況量力而行。

內(nèi)嵌式存儲(chǔ)和DAS主要用于早期網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，那時(shí)數(shù)據(jù)量相對(duì)小，擴(kuò)展和共享及安全級(jí)別要求受技術(shù)等制約，大部分的醫(yī)院也是應(yīng)用客戶/服務(wù)器（Client/Server，C/S）架構(gòu)下的管理信息系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)收費(fèi)、醫(yī)囑、LIS等信息管理，后來(lái)出現(xiàn)護(hù)士站、醫(yī)生站、EMR等瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)量的大幅增長(zhǎng)，共享和安全要求新的技術(shù)支持。雖然這兩種存儲(chǔ)模式還存在和應(yīng)用于醫(yī)院信息系統(tǒng)，但是隨著虛擬化技術(shù)應(yīng)用，它們將逐漸退出歷史舞臺(tái)[12]。

NAS及SAN存儲(chǔ)技術(shù)分別是基于文件數(shù)據(jù)和塊數(shù)據(jù)且面向事務(wù)處理應(yīng)用所設(shè)計(jì)的。HIS系統(tǒng)中各種應(yīng)用子系統(tǒng)是典型的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)是以數(shù)據(jù)塊的方式進(jìn)行的，其最好的存儲(chǔ)模式顯然是SAN；而EMR和PACS系統(tǒng)中的醫(yī)學(xué)影像是典型的文件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)量特別大，采用NAS是既合適又經(jīng)濟(jì)的存儲(chǔ)方式，NAS還可以作為各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的備份存儲(chǔ)。

CAS作為基于對(duì)象的存儲(chǔ)系統(tǒng)，在技術(shù)上彌補(bǔ)了固定內(nèi)容存儲(chǔ)的空缺。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，可以將歸檔過(guò)的數(shù)據(jù)放在CAS上，將固定內(nèi)容數(shù)據(jù)、具有長(zhǎng)期歷史保存價(jià)值的數(shù)據(jù)從SAN、NAS上剝離出來(lái)，使SAN、NAS瘦身。PACS影像數(shù)據(jù)歸檔保存可以采用這種方式[13]。

虛擬存儲(chǔ)技術(shù)整合不同類(lèi)型存儲(chǔ)設(shè)備建立大容量存儲(chǔ)池，可以構(gòu)建分級(jí)存儲(chǔ)管理體系，將各醫(yī)院信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)，分成在線數(shù)據(jù)、近線數(shù)據(jù)、歸檔離線數(shù)據(jù)，然后將其存儲(chǔ)在不同成本的存儲(chǔ)模型上，按照數(shù)據(jù)的生命周期特性進(jìn)行管理，從而降低整體成本。

6 結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下存儲(chǔ)技術(shù)從最初的內(nèi)嵌式存儲(chǔ)到DAS，再到NAS、SAN、IP SAN、ISCSI SAN、虛擬存儲(chǔ)、CAS、固態(tài)硬盤(pán)（Solid State Disk, SSD）存儲(chǔ)[14]、云存儲(chǔ)等一些新技術(shù)，可以說(shuō)存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展日新月異。這些存儲(chǔ)模式各有優(yōu)缺點(diǎn)和適合的應(yīng)用環(huán)境，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的需求來(lái)選取適合的存儲(chǔ)模式或模式組合方案。需要指出的是，企業(yè)級(jí)虛擬化存儲(chǔ)、云存儲(chǔ)代表著未來(lái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的發(fā)展方向，可實(shí)現(xiàn)高安全性、高可用性、高擴(kuò)展性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

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Application Research about Storage Technology Based on Network Environment in the Digital Hospital

HAN Ai-hua1, WANG Zhao-lai21.Equipment Department, Lanshan People’s District Hospital of Linyi City,Linyi Shandong 276001, China;
2. Computer Center,Linyi Tumor Hospital, Linyi Shandong 276001, China

TP333

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.08.023

1674-1633(2012)08-0075-03

2012-05-11

2012-06-12

韓愛(ài)華，主管技師，主要從事醫(yī)學(xué)工程和計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的研究工作。

作者郵箱：wangzhaolai@126.com

Abstract: Objective To study how to establish digital hospital information storage mode under the network environment. Methods The author studied the storage technology in-depth and put forward different application storage technology frameworks and models in different perionds of hospital information system. Results With the suitable storage model, it can realize digital hospital data safety,eff i ciency and extensity. Conclusion Enterprise-class virtualized storage, cloud storage represent the future direction of data storage development.

Key words: storage technology; data storage; virtualized storage; HIS; storage mode