健康監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)接入?yún)f(xié)議設(shè)計(jì)

趙博揚(yáng)　王勇

摘 要：首先對(duì)主流輕量級(jí)應(yīng)用層通信協(xié)議進(jìn)行研究，結(jié)合各類協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，以及健康監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的應(yīng)用環(huán)境，探索了一種在客戶端服務(wù)器模式下的應(yīng)用層通信協(xié)議。它遵循應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)要求，采用應(yīng)用層協(xié)議廣泛使用的ASN.1語言進(jìn)行協(xié)議描述。在調(diào)研用戶群體、設(shè)備端和健康監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)三者之間關(guān)系以及健康監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)環(huán)境獨(dú)有特點(diǎn)的情況下，設(shè)計(jì)了用于設(shè)備端與健康監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行協(xié)議交互的各種操作請(qǐng)求，在編解碼方面選擇了相對(duì)于XML有更好效率的BER編解碼方法，使得網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率更加充分。

關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測(cè)；大數(shù)據(jù)；通信協(xié)議；異構(gòu)性

DOI：10.11907/rjdk.171486

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）009-0173-04

Abstract：The article firstly design a application layer protocol in C/S server model to montor physiological parameter after we study advantages and defects of many protocols，environments of big data platform that monitors healthy information.The specific designation of protocol takes ASN.1 that is used to describe many application layer protocols.We design operational requests based on between triadic relation of users，devices and platform and unique features of healthy information.We used BER as a method of coding and decoding data so that it can improve efficiency of network transmission.

Key Words：health monitoring； big data； communication protocol； heterogeneity

0 引言

健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與每一個(gè)人息息相關(guān)，成熟的健康大數(shù)據(jù)應(yīng)用擁有潛在的大規(guī)模用戶，而且與健康相關(guān)的數(shù)據(jù)種類和數(shù)量龐大，決定了健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)巨大的數(shù)據(jù)量（Volume）。而人們健康狀況的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)，使健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有較快的產(chǎn)生速度（Velocity）。健康監(jiān)測(cè)類設(shè)備功能和原理的多樣性，決定了來自健康監(jiān)測(cè)類設(shè)備的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的廣泛異構(gòu)性（Variety），如存在結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、音視頻流數(shù)據(jù)、時(shí)空數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)形態(tài)。毫無疑問，健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有巨大的價(jià)值（Value），即健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有典型的大數(shù)據(jù)“4V”特性[1-5]。

由于健康監(jiān)測(cè)類設(shè)備從功能、原理、生產(chǎn)廠商和型號(hào)等多個(gè)方面存在著異構(gòu)性，因此在健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)云中心時(shí)，需要一種統(tǒng)一的接入?yún)f(xié)議來屏蔽設(shè)備的異構(gòu)性，如圖1所示。

1 大數(shù)據(jù)接入?yún)f(xié)議設(shè)計(jì)

健康大數(shù)據(jù)統(tǒng)一的接入?yún)f(xié)議是一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議，該協(xié)議模型和Internet模型的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于現(xiàn)階段人體健康監(jiān)測(cè)設(shè)備沒有具體的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，傳輸協(xié)議眾多，為了保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和權(quán)威性，筆者在查閱了相關(guān)醫(yī)學(xué)類文獻(xiàn)后，結(jié)合大量應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)原則[6-8]，設(shè)計(jì)了用于健康大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的協(xié)議。使用該協(xié)議可以采集標(biāo)準(zhǔn)化的健康數(shù)據(jù)發(fā)送至云中心端進(jìn)行存儲(chǔ)，相關(guān)協(xié)議設(shè)計(jì)完成后，再以Java語言為基礎(chǔ)進(jìn)行通信協(xié)議工具包的開發(fā)。

1.1 健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)字典模型設(shè)計(jì)

健康數(shù)據(jù)集采用中華人民共和國衛(wèi)生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的城鄉(xiāng)居民健康檔案基本數(shù)據(jù)集[9]，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了城鄉(xiāng)居民健康檔案基本數(shù)據(jù)集的元數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)元目錄。數(shù)據(jù)元目錄包括城鄉(xiāng)居民健康檔案的個(gè)人基本信息、健康體檢信息、重點(diǎn)人群健康管理記錄和其它醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)元。本標(biāo)準(zhǔn)適用于城鄉(xiāng)居民健康檔案的信息收集、存儲(chǔ)與共享，以及城鄉(xiāng)居民健康檔案管理信息系統(tǒng)建設(shè)。本文擬采用含有OID的分級(jí)、樹形命名空間描述各類健康數(shù)據(jù)，根據(jù)合理的等級(jí)建立層次級(jí)別，以此形成一棵健康數(shù)據(jù)模型樹。健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模型如圖3所示。

1.2 協(xié)議交互消息設(shè)計(jì)

由于需要接收眾多設(shè)備的數(shù)據(jù)，故傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型歸為2種，分別為：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。所謂結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)即行數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫里，可以用二維表結(jié)構(gòu)來邏輯表達(dá)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是指其字段長(zhǎng)度不等，并且每個(gè)字段的記錄又可由可重復(fù)或不可重復(fù)的子字段構(gòu)成數(shù)據(jù)庫，包括所有格式的辦公文檔、文本、圖片、XML、HTML、各類報(bào)表、圖像和音頻、視頻信息等。針對(duì)不同數(shù)據(jù)類型設(shè)計(jì)了不同的交互協(xié)議，整體設(shè)計(jì)如圖4所示。

為了滿足結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的需求，設(shè)計(jì)消息結(jié)構(gòu)如下：

（1）Insert操作：①用于客戶端將收集到的健康數(shù)據(jù)發(fā)送至云中心進(jìn)行保存，針對(duì)兩種格式：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如圖5所示，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如圖6所示，采用不同的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫MySql和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫MongoDB保存不同信息，確保了最高的存取效率；②結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的參數(shù)信息采納了城鄉(xiāng)居民健康檔案中定義的信息，以保證信息的權(quán)威性和標(biāo)準(zhǔn)性。對(duì)于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，顯現(xiàn)了設(shè)備端的自身特點(diǎn)，將其相關(guān)信息一并放入云中心，以待后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘工作。

（2）Reply操作：①用于客戶端首次連接到云中心進(jìn)行初始登錄驗(yàn)證，云中心給予相關(guān)設(shè)備的具體反饋；②用于客戶端發(fā)送了無法解析、不符合協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)；③用于云中心自身錯(cuò)誤造成的數(shù)據(jù)接收問題或無法入庫的情況，使用該操作通知用戶重新發(fā)送歷史信息。具體設(shè)計(jì)如圖7所示。endprint

Init操作：設(shè)備初次登錄到云中心，將設(shè)備狀態(tài)信息反饋至服務(wù)器端。具體設(shè)計(jì)如圖8所示。

1.3 編解碼方案設(shè)計(jì)

由于業(yè)務(wù)平臺(tái)不同、網(wǎng)絡(luò)帶寬以及傳輸數(shù)據(jù)量大小不同，會(huì)有眾多的編解碼方式，總體而言，可以歸結(jié)為兩大類型：基于字符串的編碼和基于二進(jìn)制流的編碼，兩種編碼的優(yōu)缺點(diǎn)各不相同。基于字符串的編碼形式容易書寫、閱讀，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，編碼成本低，便于程序調(diào)試，缺點(diǎn)是會(huì)占用較多帶寬；二進(jìn)制方式的編碼雖然不易書寫，可讀性差，編程方式相對(duì)于字符串會(huì)復(fù)雜許多，但是其優(yōu)勢(shì)也顯而易見，如占用帶寬少、節(jié)省資源，更適用于對(duì)性能要求較高的情況。綜上所述，本文選用TLV的編解碼方式作為該協(xié)議應(yīng)用層的編解碼方案。

TLV[10]指由數(shù)據(jù)類型Tag、數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度Length、數(shù)據(jù)值Value組成的結(jié)構(gòu)體，幾乎可以描述任意數(shù)據(jù)類型，TLV的Value也可以是一個(gè)TLV結(jié)構(gòu)。

為了便于通信雙方以一致的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，需要制定協(xié)議的基本數(shù)據(jù)類型。根據(jù)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集可以看出，所有表中的健康數(shù)據(jù)字段可以歸為5大類，分別是字符串型、布爾型、整型、浮點(diǎn)型以及日期類型。為了保證協(xié)議中的基本數(shù)據(jù)類型能夠覆蓋所有字段，在此之上適當(dāng)為后續(xù)可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)類型留下擴(kuò)展空間，接入?yún)f(xié)議制定了13種基本數(shù)據(jù)類型，如表1所示。

1.4 傳輸層協(xié)議設(shè)計(jì)

由于該協(xié)議針對(duì)的設(shè)備眾多，像穿戴設(shè)備、醫(yī)療器械以及健康監(jiān)測(cè)設(shè)備等，每個(gè)器材的使用場(chǎng)景和對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求也不盡相同，所以為了能夠滿足不同場(chǎng)景的需要，最大程度地減小網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，在做到實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性的同時(shí)充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)性能，采取了傳輸層協(xié)議選擇綁定的方式，分別是TCP協(xié)議綁定和UDP協(xié)議綁定兩種形式[11]。

TCP是面向連接的通信協(xié)議，通過三次握手建立連接，通訊完成時(shí)要拆除連接。由于TCP是面向連接的，所以只能用于端到端的通訊。TCP提供的是一種可靠的數(shù)據(jù)流服務(wù)，采用“帶重傳的肯定確認(rèn)”技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

UDP是面向無連接的通訊協(xié)議，UDP數(shù)據(jù)包括目的端口號(hào)和源端口號(hào)信息，由于通訊不需要連接，所以可以實(shí)現(xiàn)廣播發(fā)送。UDP通訊時(shí)不需要接收方確認(rèn)，屬于不可靠的傳輸，可能會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用中要求程序員編程驗(yàn)證。具體架構(gòu)如圖9所示。

2 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接入?yún)f(xié)議軟件實(shí)現(xiàn)

采用Java語言包的形式研制協(xié)議支持軟件包，相關(guān)核心類如下：

TLV類：用于定義TLV類型，設(shè)置該數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)。

TlvUtils類：用于相關(guān)TLV數(shù)據(jù)包內(nèi)容的編解碼功能。

Tag類：定義各類指令、狀態(tài)等信息。

Package類：用于封裝應(yīng)用層協(xié)議以及相關(guān)操作。

UdpTransportMapping類：封裝了傳輸層的UDP傳輸方式以及相關(guān)操作。

TcpTransportMapping類：封裝了傳輸層的TCP傳輸方式以及相關(guān)操作。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

硬件環(huán)境為Intel Core i5-3470 3.2G CPU，4G內(nèi)存；軟件環(huán)境為Windows7 Professional；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為100M局域網(wǎng)。

測(cè)試策略：因?yàn)閰f(xié)議無法直觀地進(jìn)行測(cè)試，故將服務(wù)器端與客戶端均按照協(xié)議包進(jìn)行通信，看是否能夠順利通信，并觀察在多個(gè)客戶端同時(shí)通信過程是否正常。

3.2 功能性測(cè)試

3.3 壓力測(cè)試

壓力測(cè)試如表3所示。

3.4 穩(wěn)定性測(cè)試

穩(wěn)定性測(cè)試如表4所示。

綜合以上測(cè)試情況，通過該協(xié)議，通信雙方均可以建立可靠連接，在性能方面能夠保證大數(shù)據(jù)量和一周內(nèi)持續(xù)運(yùn)行，無內(nèi)存溢出、內(nèi)存泄漏等問題，可滿足工程穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)語

該協(xié)議成功屏蔽了設(shè)備之間的異構(gòu)性，選擇了專業(yè)、翔實(shí)的健康數(shù)據(jù)集，使得所有數(shù)據(jù)能夠以統(tǒng)一、完整、權(quán)威的內(nèi)容進(jìn)行保存，方便了后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘工作。為了滿足收集不同異構(gòu)設(shè)備健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的需求，在協(xié)議設(shè)計(jì)上，充分考慮了健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的“4V”特性，對(duì)交互報(bào)文與交互命令的設(shè)計(jì)以及交互過程的規(guī)范進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了相關(guān)操作指令。同時(shí)該協(xié)議選擇了效率較高的BER編碼方式和TCP或UDP傳輸模式，使其能夠滿足各種場(chǎng)合的使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 顏延，秦興彬，樊建平，等.醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)研究綜述[J].科研信息化技術(shù)與應(yīng)用，2014，5（6）：3-16.

[2] KUO M， SAHAMA T， KUNSHNIRUK A， et al. Health big data analytics： current perspectives， challenges and potential solutions[J].International Journal of Big Data Intelligence， 2014（1/2）：114-126.

[3] SCHNEEWEIESS S. Learning from big health care data[J]. The New England Journal of Medicine， 2014（6）：2161-2163.

[4] WANG Y， KUNG L， TING C， et al. Beyond a technical perspective： understanding big data capabilities in health care[J]. HICSS， 2015：3044-3053.

[5] GROVES P， KAYYALI B， KNOTT D， et al. The big data revolution in healthcare[J]. McKinsey&Company， 2013（4）：1-22.

[6] 曾澤熠.基于CoAP的家庭網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[7] 宋蒙.基于網(wǎng)絡(luò)編碼的TCP協(xié)議原型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2012.

[8] 王巖.應(yīng)用層協(xié)議識(shí)別技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[9] WS 365-2011，城鄉(xiāng)居民健康檔案基本數(shù)據(jù)集[S].北京：中華人民共和國衛(wèi)生部，2011.

[10] 王沁，許娜，張燕，等.優(yōu)化TLV編碼規(guī)則[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2008（11）：11-14.

[11] 何潤(rùn)岸.基于UDP進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽總鬏斚到y(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2015.

（責(zé)任編輯：黃 健）endprint