一種互聯網環境下的醫學圖像自適應傳輸系統實現

羅哲明 楊媛媛

摘? 要： 為解決醫學圖像在互聯網下傳輸過程中效率低、存儲服務器容量增長過快、耦合性強的問題，文中設計和實現了一種醫療圖像自適應傳輸系統。系統結合P2P傳輸的設計思路，依據醫療機構接入互聯網的防火墻網絡地址轉化（NAT）類型，使客戶端能自動選取傳輸策略對醫學圖像進行點對點分片傳輸。將該系統與傳統的有中心傳輸模式的系統進行速度比較，實驗結果表明，采用自適應的傳輸系統對醫學圖像進行傳輸，具有更低的耦合性，且能實現數據的分布式存儲，傳輸效率大幅提高。

關鍵詞： 醫學影像傳輸; 自適應傳輸系統; P2P; 互聯網防火墻; 分布式數據存儲; 互聯網傳輸

中圖分類號： TN911.73?34; TP391.4? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）08?0005?03

Implementation of medical image adaptive transmission system in internet environment

LUO Zheming1，2， YANG Yuanyuan2

（1. Medical Imaging Laboratory， Shanghai Institute of Technical Physics， Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200083， China;

2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract： A medical image adaptive transmission system is designed and implemented to solve the problems of low efficiency， excessive growth of storage server capacity and strong coupling in the process of medical images transmission in the Internet environment. In combination with the design idea of P2P transmission， the client?side can automatically select the transmission strategy for point?to?point fragment transmission of medical images according to the network address translation （NAT） type of Internet firewall accessing the medical institutions. The comparison between this system and the traditional system with central transmission mode is? performed for transmission speed. The experiment results show that the medical image transmission system using adaptive mode has lower coupling， can realize the distributed?memory of data， and its transmission efficiency is greatly improved.

Keywords： medical image transmission; adaptive transmission system; P2P; Internet firewall; distributed data storage; internet transmission

0? 引? 言

隨著網絡技術的快速發展，互聯網環境紛繁復雜，醫療機構考慮到病人隱私和信息安全問題，在內部網絡接入因特網過程中，采取了防火墻、IP地址及開放端口限制等措施，導致互聯網環境下醫學影像的傳輸大多采用基于數據中心交換方式解決。文獻[1]介紹了幾種基于客戶端/服務器模式的傳統醫學圖像傳輸：基于DICOM標準的DICOM CSTORE傳輸，基于FTP協議的FTP傳輸，基于Web的MTOP/XOP傳輸。由于傳輸數據量大，以上基于數據中心的交換方式會導致服務器存儲容量增長過快，影像傳輸的效率較低，系統的穩定性過度依賴于服務器。因此本文提出了一種基于網絡源地址和目的地址的網絡環境的自適應傳輸系統，其在特定網絡環境下可不依賴于服務器進行中轉，彌補了當前采用數據中心交換模式的不足[2?3]。

1? 網絡環境分析與傳輸策略

1.1? 網絡環境的限制

在互聯網環境下，防火墻作為網絡出口的同時往往采取了諸多限制策略，如不允許建立TCP連接、僅開放有限的UDP端口、數據包大小限制在約512 KB等。此外，網絡地址轉換技術（NAT）也對對等通信（P2P）造成困難[4?6]。當前互聯網環境下的4類網絡地址轉化（NAT）如表1所示[7?8]。

依照 Bryan Ford等人對于當前基于供應商硬件網絡地址轉換（NAT）以及基于操作系統的軟件網絡地址轉化（NAT）的用戶報告統計，可知在報告整體的380個案例中，310個案例（82%）成功獲取了對端客戶端的IP信息，表明互聯網環境下UDP打孔基本可用[9]。

1.2? 通信類型以及策略

依照醫療機構的網絡地址轉換（NAT）類型信息，可將通信策略分為以下3類：

1） Symmetric chat mode。通信的雙方至少有一方是對稱型NAT，這種情況下，只能通過服務器進行中轉;

2） Restrict chat mode。不存在對稱型NAT ，至少有一方是限制型NAT，作為限制型NAT（Restrict NAT）的一方需要持續發包，以固定的時間間隔，告知對端網絡自身信息，對端收到消息自動回復，我端方能接收數據;

3） Full Cone chat mode。內網常見的對等網絡，通信雙方無協議阻礙，可直接進行點對點（P2P）通信。

各類醫療機構的NAT模式在互聯網下通信選擇如表2所示。

2? 自適應傳輸系統設計

2.1? 軟件設計時序流程

軟件設計流程圖如圖1所示。網絡地址轉化類型的確定依賴于STUN服務器，其基于STUN協議，利用兩個IP和端口號確定客戶端的公共地址以及路由器中對于網絡的限制。TURN服務器用于中繼所有信息來繞過對稱型NAT的限制。與TURN服務器建立連接后，告訴所有對等方將數據包發送到服務器，然后將數據包轉發給客戶端，其開銷較大，由于互聯網傳輸的不確定性，在傳輸中需要作為保底策略以確保醫學圖像能夠穩定傳輸到對端。

在用戶端可進行注冊以及登錄，以便記錄相關醫院的網絡信息。服務器返回當前在線醫院主機信息以及醫院主機對應的NAT類型，如需建立連接傳輸醫學圖像文件，系統會根據對應的邏輯選擇恰當的方式進行P2P文件傳輸。

1） 各端用戶通過STUN服務器獲取自己當前NAT的類型;

2） 登錄服務器上傳自己的NAT類型信息，服務器返回當前在線用戶列表;

3） 選擇當前在線的用戶進行文件傳輸;

4） 首先嘗試Full Cone chat mode;

5） 依照對應的業務邏輯，選擇對應的P2P模式。

需要說明的是，即使是在內網，由于防火墻的上網策略限制，導致與STUN服務器通信獲取到的外網IP和端口號可能都不一樣，從而感受不到內網的對等實體。所以在軟件的實際邏輯編寫過程中，需要先采取Full Cone chat mode的內網直連嘗試，隨后再選取對應的傳輸策略。

2.2? 性能優化

1） 可靠性。鑒于文件的傳輸依賴數據包的時序性以及無差錯性，而傳統UDP又具有無序性和不穩定性的特點。故在醫學圖像的傳輸過程中需要添加MD5加密，MD5依賴于HASH算法常作為數字指紋以驗證完整性，其大小為128 B。另外添加時序序號標志以保證數據的時序特性，其大小為2 B，以及1位控制位。由于醫院在網絡出口限制數據包的大小不大于512 B，每一個包實際攜帶數據大小為381 B。

2） 斷點續傳。由于醫療圖像會出現數據較大的情況，在網絡環境不穩定的情況下可能會出現傳輸中斷現象。斷點重傳是指支持從文件上次傳輸中斷的地方開始傳送數據，避免文件從頭開始傳輸。其核心是進行文件的分片，以chunk_number對數據包進行編號切割成多個小文件，并將文件名、文件大小、保存文件路徑依次發送給對端。對端異步接收到這些數據包后保存在對應路徑之下，在網絡傳輸中斷或接收擬完成后驗證數據的完整性。一旦數據不完整，向信令通道報告丟失的數據包編號并讓對端重新傳輸，否則依次讀取小文件，依照chunk_number的順序組成完整文件后再清除內存。

3） 多線程傳輸。多線程傳輸將文件從多點切入讀取并發送，由于Python語言本身設計的缺陷，GIL（全局鎖）會使程序在每執行約100行代碼后釋放，故Python語言多線程僅適用于IO密集型操作，在此并不適合于醫療圖像讀取的CPU密集型的操作。后續實驗也表明，受限于編程語言的特性，多線程的加入對于醫療圖像的傳輸速度并無影響。

3? 實驗與討論

實驗環境如下：語言為Python;運行環境為Windows/Linux;不需要第三方依賴庫。

3.1? 各NAT類型之間的傳輸速度比較

互聯網傳輸環境選擇在帶寬為10 Mb/s，延時為20 ms的WAN網絡下進行模擬，對醫學圖像自適應傳輸3種模式進行速度測試[10]，如圖2所示。

圖2的實驗結果表明：Symmetric chat mode由于需要利用TURN中轉，在各類大小文件傳輸中表現較差;Restrict chat mode與Full Cone chat mode由于直連只需要經歷一次鏈路時延，其傳輸速度較快;由于Restrict chat mode 在直連前需要先進行UDP打洞，故其總體傳輸時間較Full Cone chat mode稍慢，但其延遲時間基本固定。

3.2? 各NAT類型之間和傳統傳輸方法比較

圖3評估了FTP和MTOM/XOP，自適應傳輸系統在醫院系統中傳輸DICOM圖像的性能。在模擬環境中對上述4種傳輸方法進行比較，實驗模擬帶寬為10 Mb/s，延時為20 ms的WAN網絡。結果表明：

1） 對于DICOM圖像，當數據大小大于10 MB時，各類傳輸方法除TURN中轉外，在速度上差異不大[11];

2） 對于小圖像而言，MTOM/XOP存在冷啟動問題[12]，其對于小數據大小的醫學圖像表現不佳;

3） 對于自適應的傳輸方式而言，Full Cone chat mode/Restrict chat mode在10 MB以下的DICOM圖像上整體表現優于其他方法，較FTP速度提升近10%;

4） TURN協議下的Symmetric chat mode整體表現不佳[13]，其原因是程序未能嚴格遵循協議內容，對于互聯網環境下的丟包時延處理能力差。

4? 結? 語

本文提出一種互聯網環境下醫學圖像文件自適應的傳輸系統。該系統設計依據STUN協議和TURN協議，并結合互聯網環境下醫療圖像的實際傳輸特性提出針對性的性能優化方法。實驗結果表明，自適應的傳輸方式在非中轉的傳輸模式下較傳統方法傳輸醫療圖像更快速。但該系統也存在不足之處，例如在客戶端崩潰之后無心跳包進行通知、TURN協議編寫不規范以及受限于語言本身的特性無法實現多線程的加速，后續將針對這些不足提出改進。

參考文獻

[1] YERYOMIN Y， EVERS F， SEITZ J. Solving the firewall and NAT traversal issues for SIP?based VoIP [C]// 2008 International Conference on Telecommunications. Petersburg： IEEE， 2008： 1?6.

[2] PECK D. Digital imaging and communications in medicine （DICOM）： a practical introduction and survival guide [M]. Berlin： Springer， 2008.

[3] 李燕，湯心溢，葛軍，等.基于高速光纖和PCI?E實時紅外圖像采集傳輸研究[J].半導體光電，2012，33（3）：451?454.

[4] 馬如慧.互聯網云平臺影像存儲與傳輸系統在區域醫療中的應用[J].醫學信息學雜志，2017，38（5）：21?24.

[5] ABBES T， BOUHOULA A， RUSINOWITCH M. Detection of firewall configuration errors with updatable tree [J]. International journal of information security， 2016， 15（3）： 301?317.

[6] 劉陸民.淺談Linux防火墻Netfilter/Iptables在網絡安全中的應用[J].數字技術與應用，2018，36（2）：199?200.

[7] 張宏剛.軟交換網絡中的NAT穿透技術研究[J]. 物聯網技術，2011，1（6）：83?87.

[8] 趙菁.幾種源NAT技術比較分析[J].網絡安全技術與應用，2018（10）：32?35.

[9] FORD B， SRISURESH P， KEGEL D. Peer?to?peer communication across network address translators [C]// Proceedings of Annual Conference on USENIX Annual Technical Conference. Anaheim： ACM， 2006： 13?15.

[10] 文成玉，杜鴻，任德昊.基于Linux虛擬網絡的網絡實驗環境設計[J].無線互聯科技，2017（22）：65?67.

[11] GRAUER D， CEVIDANES L S， PROFFIT W R. Working with DICOM craniofacial images [J]. American journal of orthodontics & dentofacial orthopedics， 2009， 136（3）： 460?470.

[12] 張家超，鄭揚飛.基于MTOM的Web服務性能優化研究[J].計算機工程與設計，2013，34（2）：433?438.

[13] 賈世杰.基于TURN協議的網絡視頻傳輸系統的設計與實現[D].長春：吉林大學，2015.