基于網絡環(huán)境的存儲技術在數(shù)字化醫(yī)院中的應用研究

韓愛華，汪兆來

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

基于網絡環(huán)境的存儲技術在數(shù)字化醫(yī)院中的應用研究

韓愛華1，汪兆來2

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

目的 研究建立網絡環(huán)境下的數(shù)字化醫(yī)院信息存儲模式。方法 對存儲技術深入研究，提出適合不同時期的醫(yī)院信息系統(tǒng)不同應用的存儲技術架構與模式。結果 選擇適合的存儲模式，可實現(xiàn)數(shù)字化醫(yī)院數(shù)據(jù)安全、高可用性、高擴展性的存儲。結論 企業(yè)級虛擬化存儲、云存儲代表著未來數(shù)據(jù)存儲發(fā)展的方向。

存儲技術；數(shù)據(jù)存儲；虛擬化存儲；HIS；存儲模式

隨著計算機技術的飛速發(fā)展以及數(shù)字化、網絡化、信息化的廣泛應用，數(shù)據(jù)已經成為各企事業(yè)單位賴以生存的基礎。在與生命健康息息相關的數(shù)字化網絡應用中，醫(yī)院信息系統(tǒng)（Hospital Information System，HIS)、實驗室信息管理系統(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，研究并選擇網絡環(huán)境下合適的數(shù)據(jù)存儲技術，建立高效、合理的存儲模式，以確保數(shù)據(jù)的安全存儲[1]，成為醫(yī)院信息化建設和信息安全工作的核心課題。

1 傳統(tǒng)的存儲技術

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

1.1 ED存儲

內嵌存儲指硬盤、磁盤陣列和磁帶機等存儲設備都內嵌在服務器主機中，是主機的一部分，數(shù)據(jù)主要在主機的硬盤上進行存儲，通過磁帶進行數(shù)據(jù)備份。

1.2 DAS存儲

直接依附存儲是指把存儲設備通過小型計算機系統(tǒng)接口（Small Computer System Interface，SCSI）或光纖通道直接與主機相連，客戶端通過訪問服務器來存取存儲設備上的數(shù)據(jù)信息。

當服務器比較分散，很難通過遠程連接互聯(lián)時，直接連接是一個比較好的方法，它是目前最常用的網絡儲存設備[2]。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲技術具有連接費用低、技術成熟、對網絡帶寬的依賴程度低、高數(shù)據(jù)傳輸率、低延遲、高可靠性等優(yōu)點。缺點是擴展性差、傳輸距離短、高度依賴服務器。

2 網絡存儲

網絡存儲是指在特定的環(huán)境下，實現(xiàn)從多臺主機到多臺設備方位的存儲[3]，主要是通過網絡存儲設備（包括專用數(shù)據(jù)交換設備、磁盤陣列或磁帶庫等）及專用的存儲管理軟件，利用原有網絡或構建一個存儲專用網絡，為用戶提供統(tǒng)一的信息存取系統(tǒng)和共享服務。

網絡存儲主要的實現(xiàn)手段有兩種：網絡附加存儲（Network Attached Storage，NAS）和網絡區(qū)域存儲（Storage Area Network，SAN）。

2.1 NAS存儲

NAS存儲是一種專業(yè)的網絡文件存儲及文件備份設備。它類似于傳統(tǒng)的網絡設備，通過集線器或交換機直接連到網絡上，按照傳輸控制協(xié)議/因特網互聯(lián)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）進行通信，面向消息傳遞，以文件輸入/輸出口（Input/Output，I/O）方式進行數(shù)據(jù)傳輸，為網絡客戶提供數(shù)據(jù)和文件服務。

NAS存儲子系統(tǒng)一般都有專用的NAS文件服務器，它是NAS系統(tǒng)的關鍵，是文件系統(tǒng)所在地和NAS設備的控制中心，一般可以支持多個I/O節(jié)點和網絡接口，每個I/O節(jié)點都有自己的存儲設備。

在NAS存儲系統(tǒng)中，應用和數(shù)據(jù)存儲部分不在同一服務器上[4]。應用服務器將數(shù)據(jù)服務器視做網絡文件系統(tǒng)，通過標準局域網進行訪問。

NAS實現(xiàn)多臺服務器之間文件系統(tǒng)的共享，適合于存儲容量需求大、對傳輸速度要求不高的場合。

2.2 SAN存儲[5]

SAN存儲是一種分布式的存儲技術，類似于普通局域網的高速存儲網絡，是一種通過光纖網絡連接設備將磁盤陣列、磁帶庫等存儲設備與相關服務器連接起來的高速專用子網[6]。

SAN方式下，存儲設備從服務器中分離出來，服務器與存儲設備之間是多對多的關系，存儲設備不再是哪一臺服務器的專屬設備，而是網上所有服務器的共享設備，允許任何服務器連接到任何存儲陣列，不管數(shù)據(jù)置放在哪里，服務器都可直接存取所需的數(shù)據(jù)。

SAN置于局域網（Local Area Network，LAN）之下，而不涉及LAN。通過SAN網絡，數(shù)據(jù)在相關服務器和存儲設備之間高速傳輸，對LAN的帶寬占用幾乎為零。

SAN模式下，服務器僅負責網絡任務調度，所有的數(shù)據(jù)處理都不是由服務器完成的。還可允許各存儲子系統(tǒng)無需通過專用中間服務器即可相互協(xié)作。

SAN方式支持海量存儲與共享，存儲資源的共享方式為Block級共享，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，性能高、傳輸距離更遠、可擴展能力強、穩(wěn)定性和可靠性好。

SAN支持遠程距離通信，允許存儲設備真正與服務器隔離，支持本地和異地快速數(shù)據(jù)備份和容災。

存儲設備的整合和數(shù)據(jù)集中管理，大大降低了重復投資率和長期管理維護成本，總體花費成本（Total Cost of Ownership，TCO）低。

網絡存儲是當前的主流存儲技術，主要特點是：存儲設備整合，邏輯上完全一體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理；存儲設備與主機之間是多對多的關系；存儲系統(tǒng)高性能共享；面向網絡應用，任意擴展，伸縮性強。

3 虛擬存儲技術[7]

虛擬存儲技術就是將不同的物理存儲設備通過不同的接口協(xié)議，按照一定的虛擬存儲體系結構整合成一個虛擬的存儲池，為主機創(chuàng)建和提供虛擬存儲卷，為用戶提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務，實現(xiàn)資源共享和統(tǒng)一管理。虛擬存儲實際上是邏輯存儲，它將物理存儲實體與服務器所見的存儲設備視圖分離開來，服務器不知道實際物理存儲設備的位置、路徑和每個設備的具體特點。虛擬存儲能動態(tài)地改變邏輯空間到物理存儲設備的映射，實現(xiàn)對物理存儲進行透明訪問，而無需改動任何服務器設置。

虛擬存儲的拓撲結構主要有兩種：對稱式和非對稱式。對稱式虛擬存儲技術又稱帶內虛擬存儲，是指虛擬存儲控制設備內嵌在網絡數(shù)據(jù)傳輸路徑中，與存儲軟件系統(tǒng)、交換設備等集成為一個整體；非對稱式虛擬存儲技術又稱帶外虛擬存儲，是指虛擬存儲控制設備獨立于數(shù)據(jù)傳輸通道之外[8]。

虛擬存儲的實現(xiàn)方式有3種：基于主機的虛擬存儲、基于存儲設備的虛擬存儲、基于網絡的虛擬存儲，也稱服務器級虛擬存儲、存儲設備級虛擬存儲、網絡級虛擬存儲[9]。服務器級虛擬存儲，是一種相對簡單的實現(xiàn)形式，調度工作會影響服務器的應用性能，可能有性能瓶頸；存儲設備級虛擬存儲，主要通過大規(guī)模獨立磁盤冗余陣列（Redundant Arrays of Inexpensive Disks，RAID）子系統(tǒng)與多個I/O通道連接至服務器，產品相對成熟，性價比高，是目前常用的一種虛擬存儲方式，但存在不兼容性。網絡級虛擬存儲，由網絡廠商實施，通過網絡將邏輯鏡像映射到外圍存儲設備，可能是“最開放的”虛擬存儲。

虛擬存儲是當前新興存儲技術，其特點：整合不同類型存儲設備，有效地保護設備投資；大容量存儲池集中管理，提高系統(tǒng)的可擴展性，擴容對客戶端透明；虛擬存儲對多個存儲模塊負載均衡或并行訪問，提高存儲系統(tǒng)聚合訪問帶寬；通過管理軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全管理、生命周期管理、動態(tài)管理等。

4 內容尋址存儲（Content Addressed Storage，CAS）[10]

內容尋址存儲是一種基于對象的存儲系統(tǒng)[11]，指的是系統(tǒng)為每一個保存對象及其元數(shù)據(jù)分配一個獨特的地址，內容以固定的形式存在，在數(shù)據(jù)的使用過程中無論該對象被使用多少次，也只保存一份原件，不會出現(xiàn)重復。

基于CAS的數(shù)據(jù)都含有一個全球唯一的標識符。用戶訪問該數(shù)據(jù)時，只需在網絡上發(fā)出帶有這一標識符的信息，而不必追蹤被保存信息的物理位置，系統(tǒng)會自動根據(jù)這一標識符在網絡上搜尋到信息所存位置，然后將該信息反饋給用戶。

CAS存儲使用從對象內容產生的哈希值作為對象標識符，哈希值是唯一的，因此CAS可支持數(shù)據(jù)完整性檢查、存儲空間的有效使用、寫一次特性和重疊寫保護等功能，特別適用于存儲固定內容的數(shù)據(jù)環(huán)境。

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

CAS具有面向對象的存儲特征，按照所存儲內容的指紋尋址，具有良好的可搜索性、安全性、擴展性及可靠性。

CAS的內容尋址技術大大降低了應用軟件操作和管理存儲介質上所存儲信息的物理地址的難度。

5 數(shù)字化醫(yī)院存儲架構與模式的選擇

5.1 醫(yī)院存儲架構的建設原則

存儲架構要納入醫(yī)院信息系統(tǒng)建設體系進行總體規(guī)劃，分步實施，按需購買，適度超前。特別是要綜合考慮架構的安全性、可靠性、可擴展性、開放性，還要注重性價比。

5.2 醫(yī)院存儲模式的選擇

選擇存儲模式時，要根據(jù)各種存儲模式的特點和應用場合，再根據(jù)信息系統(tǒng)各應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息類型、響應速度、網絡帶寬、實時性、安全性要求等選擇不同的與之匹配的最佳存儲架構模式。方案選擇既要著眼于實際需求，考慮方案的先進性、開放性、安全性，還要考慮經濟情況量力而行。

內嵌式存儲和DAS主要用于早期網絡環(huán)境，那時數(shù)據(jù)量相對小，擴展和共享及安全級別要求受技術等制約，大部分的醫(yī)院也是應用客戶/服務器（Client/Server，C/S）架構下的管理信息系統(tǒng)，用以實現(xiàn)財務收費、醫(yī)囑、LIS等信息管理，后來出現(xiàn)護士站、醫(yī)生站、EMR等瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）架構的廣泛應用，數(shù)據(jù)量的大幅增長，共享和安全要求新的技術支持。雖然這兩種存儲模式還存在和應用于醫(yī)院信息系統(tǒng)，但是隨著虛擬化技術應用，它們將逐漸退出歷史舞臺[12]。

NAS及SAN存儲技術分別是基于文件數(shù)據(jù)和塊數(shù)據(jù)且面向事務處理應用所設計的。HIS系統(tǒng)中各種應用子系統(tǒng)是典型的數(shù)據(jù)庫應用，對數(shù)據(jù)的訪問是以數(shù)據(jù)塊的方式進行的，其最好的存儲模式顯然是SAN；而EMR和PACS系統(tǒng)中的醫(yī)學影像是典型的文件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)量特別大，采用NAS是既合適又經濟的存儲方式，NAS還可以作為各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的備份存儲。

CAS作為基于對象的存儲系統(tǒng)，在技術上彌補了固定內容存儲的空缺。從長遠看，可以將歸檔過的數(shù)據(jù)放在CAS上，將固定內容數(shù)據(jù)、具有長期歷史保存價值的數(shù)據(jù)從SAN、NAS上剝離出來，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]。

虛擬存儲技術整合不同類型存儲設備建立大容量存儲池，可以構建分級存儲管理體系，將各醫(yī)院信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行分級，分成在線數(shù)據(jù)、近線數(shù)據(jù)、歸檔離線數(shù)據(jù)，然后將其存儲在不同成本的存儲模型上，按照數(shù)據(jù)的生命周期特性進行管理，從而降低整體成本。

6 結束語

網絡環(huán)境下存儲技術從最初的內嵌式存儲到DAS，再到NAS、SAN、IP SAN、ISCSI SAN、虛擬存儲、CAS、固態(tài)硬盤（Solid State Disk, SSD）存儲[14]、云存儲等一些新技術，可以說存儲技術發(fā)展日新月異。這些存儲模式各有優(yōu)缺點和適合的應用環(huán)境，實際應用中，應根據(jù)具體的需求來選取適合的存儲模式或模式組合方案。需要指出的是，企業(yè)級虛擬化存儲、云存儲代表著未來數(shù)據(jù)存儲的發(fā)展方向，可實現(xiàn)高安全性、高可用性、高擴展性的數(shù)據(jù)存儲。

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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

韓愛華，主管技師，主要從事醫(yī)學工程和計算機醫(yī)學應用方面的研究工作。

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