一種互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的醫(yī)學(xué)圖像自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

羅哲明 楊媛媛

摘? 要： 為解決醫(yī)學(xué)圖像在互聯(lián)網(wǎng)下傳輸過(guò)程中效率低、存儲(chǔ)服務(wù)器容量增長(zhǎng)過(guò)快、耦合性強(qiáng)的問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種醫(yī)療圖像自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)合P2P傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)思路，依據(jù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)接入互聯(lián)網(wǎng)的防火墻網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)化（NAT）類(lèi)型，使客戶端能自動(dòng)選取傳輸策略對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分片傳輸。將該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有中心傳輸模式的系統(tǒng)進(jìn)行速度比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用自適應(yīng)的傳輸系統(tǒng)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行傳輸，具有更低的耦合性，且能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)，傳輸效率大幅提高。

關(guān)鍵詞： 醫(yī)學(xué)影像傳輸; 自適應(yīng)傳輸系統(tǒng); P2P; 互聯(lián)網(wǎng)防火墻; 分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ); 互聯(lián)網(wǎng)傳輸

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.73?34; TP391.4? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 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(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境紛繁復(fù)雜，醫(yī)療機(jī)構(gòu)考慮到病人隱私和信息安全問(wèn)題，在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)接入因特網(wǎng)過(guò)程中，采取了防火墻、IP地址及開(kāi)放端口限制等措施，導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下醫(yī)學(xué)影像的傳輸大多采用基于數(shù)據(jù)中心交換方式解決。文獻(xiàn)[1]介紹了幾種基于客戶端/服務(wù)器模式的傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)圖像傳輸：基于DICOM標(biāo)準(zhǔn)的DICOM CSTORE傳輸，基于FTP協(xié)議的FTP傳輸，基于Web的MTOP/XOP傳輸。由于傳輸數(shù)據(jù)量大，以上基于數(shù)據(jù)中心的交換方式會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器存儲(chǔ)容量增長(zhǎng)過(guò)快，影像傳輸?shù)男瘦^低，系統(tǒng)的穩(wěn)定性過(guò)度依賴(lài)于服務(wù)器。因此本文提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)源地址和目的地址的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)，其在特定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可不依賴(lài)于服務(wù)器進(jìn)行中轉(zhuǎn)，彌補(bǔ)了當(dāng)前采用數(shù)據(jù)中心交換模式的不足[2?3]。

1? 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境分析與傳輸策略

1.1? 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的限制

在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，防火墻作為網(wǎng)絡(luò)出口的同時(shí)往往采取了諸多限制策略，如不允許建立TCP連接、僅開(kāi)放有限的UDP端口、數(shù)據(jù)包大小限制在約512 KB等。此外，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換技術(shù)（NAT）也對(duì)對(duì)等通信（P2P）造成困難[4?6]。當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的4類(lèi)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)化（NAT）如表1所示[7?8]。

依照 Bryan Ford等人對(duì)于當(dāng)前基于供應(yīng)商硬件網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）以及基于操作系統(tǒng)的軟件網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)化（NAT）的用戶報(bào)告統(tǒng)計(jì)，可知在報(bào)告整體的380個(gè)案例中，310個(gè)案例（82%）成功獲取了對(duì)端客戶端的IP信息，表明互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下UDP打孔基本可用[9]。

1.2? 通信類(lèi)型以及策略

依照醫(yī)療機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）類(lèi)型信息，可將通信策略分為以下3類(lèi)：

1） Symmetric chat mode。通信的雙方至少有一方是對(duì)稱(chēng)型NAT，這種情況下，只能通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行中轉(zhuǎn);

2） Restrict chat mode。不存在對(duì)稱(chēng)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(xù)發(fā)包，以固定的時(shí)間間隔，告知對(duì)端網(wǎng)絡(luò)自身信息，對(duì)端收到消息自動(dòng)回復(fù)，我端方能接收數(shù)據(jù);

3） Full Cone chat mode。內(nèi)網(wǎng)常見(jiàn)的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，通信雙方無(wú)協(xié)議阻礙，可直接進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）通信。

各類(lèi)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的NAT模式在互聯(lián)網(wǎng)下通信選擇如表2所示。

2? 自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 軟件設(shè)計(jì)時(shí)序流程

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)化類(lèi)型的確定依賴(lài)于STUN服務(wù)器，其基于STUN協(xié)議，利用兩個(gè)IP和端口號(hào)確定客戶端的公共地址以及路由器中對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的限制。TURN服務(wù)器用于中繼所有信息來(lái)繞過(guò)對(duì)稱(chēng)型NAT的限制。與TURN服務(wù)器建立連接后，告訴所有對(duì)等方將數(shù)據(jù)包發(fā)送到服務(wù)器，然后將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端，其開(kāi)銷(xiāo)較大，由于互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)牟淮_定性，在傳輸中需要作為保底策略以確保醫(yī)學(xué)圖像能夠穩(wěn)定傳輸?shù)綄?duì)端。

在用戶端可進(jìn)行注冊(cè)以及登錄，以便記錄相關(guān)醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)信息。服務(wù)器返回當(dāng)前在線醫(yī)院主機(jī)信息以及醫(yī)院主機(jī)對(duì)應(yīng)的NAT類(lèi)型，如需建立連接傳輸醫(yī)學(xué)圖像文件，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)對(duì)應(yīng)的邏輯選擇恰當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行P2P文件傳輸。

1） 各端用戶通過(guò)STUN服務(wù)器獲取自己當(dāng)前NAT的類(lèi)型;

2） 登錄服務(wù)器上傳自己的NAT類(lèi)型信息，服務(wù)器返回當(dāng)前在線用戶列表;

3） 選擇當(dāng)前在線的用戶進(jìn)行文件傳輸;

4） 首先嘗試Full Cone chat mode;

5） 依照對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯，選擇對(duì)應(yīng)的P2P模式。

需要說(shuō)明的是，即使是在內(nèi)網(wǎng)，由于防火墻的上網(wǎng)策略限制，導(dǎo)致與STUN服務(wù)器通信獲取到的外網(wǎng)IP和端口號(hào)可能都不一樣，從而感受不到內(nèi)網(wǎng)的對(duì)等實(shí)體。所以在軟件的實(shí)際邏輯編寫(xiě)過(guò)程中，需要先采取Full Cone chat mode的內(nèi)網(wǎng)直連嘗試，隨后再選取對(duì)應(yīng)的傳輸策略。

2.2? 性能優(yōu)化

1） 可靠性。鑒于文件的傳輸依賴(lài)數(shù)據(jù)包的時(shí)序性以及無(wú)差錯(cuò)性，而傳統(tǒng)UDP又具有無(wú)序性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)。故在醫(yī)學(xué)圖像的傳輸過(guò)程中需要添加MD5加密，MD5依賴(lài)于HASH算法常作為數(shù)字指紋以驗(yàn)證完整性，其大小為128 B。另外添加時(shí)序序號(hào)標(biāo)志以保證數(shù)據(jù)的時(shí)序特性，其大小為2 B，以及1位控制位。由于醫(yī)院在網(wǎng)絡(luò)出口限制數(shù)據(jù)包的大小不大于512 B，每一個(gè)包實(shí)際攜帶數(shù)據(jù)大小為381 B。

2） 斷點(diǎn)續(xù)傳。由于醫(yī)療圖像會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)較大的情況，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不穩(wěn)定的情況下可能會(huì)出現(xiàn)傳輸中斷現(xiàn)象。斷點(diǎn)重傳是指支持從文件上次傳輸中斷的地方開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)，避免文件從頭開(kāi)始傳輸。其核心是進(jìn)行文件的分片，以chunk_number對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編號(hào)切割成多個(gè)小文件，并將文件名、文件大小、保存文件路徑依次發(fā)送給對(duì)端。對(duì)端異步接收到這些數(shù)據(jù)包后保存在對(duì)應(yīng)路徑之下，在網(wǎng)絡(luò)傳輸中斷或接收擬完成后驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性。一旦數(shù)據(jù)不完整，向信令通道報(bào)告丟失的數(shù)據(jù)包編號(hào)并讓對(duì)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(nèi)存。

3） 多線程傳輸。多線程傳輸將文件從多點(diǎn)切入讀取并發(fā)送，由于Python語(yǔ)言本身設(shè)計(jì)的缺陷，GIL（全局鎖）會(huì)使程序在每執(zhí)行約100行代碼后釋放，故Python語(yǔ)言多線程僅適用于IO密集型操作，在此并不適合于醫(yī)療圖像讀取的CPU密集型的操作。后續(xù)實(shí)驗(yàn)也表明，受限于編程語(yǔ)言的特性，多線程的加入對(duì)于醫(yī)療圖像的傳輸速度并無(wú)影響。

3? 實(shí)驗(yàn)與討論

實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下：語(yǔ)言為Python;運(yùn)行環(huán)境為Windows/Linux;不需要第三方依賴(lài)庫(kù)。

3.1? 各NAT類(lèi)型之間的傳輸速度比較

互聯(lián)網(wǎng)傳輸環(huán)境選擇在帶寬為10 Mb/s，延時(shí)為20 ms的WAN網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行模擬，對(duì)醫(yī)學(xué)圖像自適應(yīng)傳輸3種模式進(jìn)行速度測(cè)試[10]，如圖2所示。

圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Symmetric chat mode由于需要利用TURN中轉(zhuǎn)，在各類(lèi)大小文件傳輸中表現(xiàn)較差;Restrict chat mode與Full Cone chat mode由于直連只需要經(jīng)歷一次鏈路時(shí)延，其傳輸速度較快;由于Restrict chat mode 在直連前需要先進(jìn)行UDP打洞，故其總體傳輸時(shí)間較Full Cone chat mode稍慢，但其延遲時(shí)間基本固定。

3.2? 各NAT類(lèi)型之間和傳統(tǒng)傳輸方法比較

圖3評(píng)估了FTP和MTOM/XOP，自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)在醫(yī)院系統(tǒng)中傳輸DICOM圖像的性能。在模擬環(huán)境中對(duì)上述4種傳輸方法進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)?zāi)M帶寬為10 Mb/s，延時(shí)為20 ms的WAN網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果表明：

1） 對(duì)于DICOM圖像，當(dāng)數(shù)據(jù)大小大于10 MB時(shí)，各類(lèi)傳輸方法除TURN中轉(zhuǎn)外，在速度上差異不大[11];

2） 對(duì)于小圖像而言，MTOM/XOP存在冷啟動(dòng)問(wèn)題[12]，其對(duì)于小數(shù)據(jù)大小的醫(yī)學(xué)圖像表現(xiàn)不佳;

3） 對(duì)于自適應(yīng)的傳輸方式而言，F(xiàn)ull Cone chat mode/Restrict chat mode在10 MB以下的DICOM圖像上整體表現(xiàn)優(yōu)于其他方法，較FTP速度提升近10%;

4） TURN協(xié)議下的Symmetric chat mode整體表現(xiàn)不佳[13]，其原因是程序未能?chē)?yán)格遵循協(xié)議內(nèi)容，對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的丟包時(shí)延處理能力差。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

本文提出一種互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下醫(yī)學(xué)圖像文件自適應(yīng)的傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)STUN協(xié)議和TURN協(xié)議，并結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下醫(yī)療圖像的實(shí)際傳輸特性提出針對(duì)性的性能優(yōu)化方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)的傳輸方式在非中轉(zhuǎn)的傳輸模式下較傳統(tǒng)方法傳輸醫(yī)療圖像更快速。但該系統(tǒng)也存在不足之處，例如在客戶端崩潰之后無(wú)心跳包進(jìn)行通知、TURN協(xié)議編寫(xiě)不規(guī)范以及受限于語(yǔ)言本身的特性無(wú)法實(shí)現(xiàn)多線程的加速，后續(xù)將針對(duì)這些不足提出改進(jìn)。

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