NAS在色譜—質譜聯(lián)用儀數據管理中的應用

王子元，王曉虎，聞曉東，，c，鄭玲童

（中國藥科大學a.實驗室與設備管理處校公共實驗平臺；b.中藥學院；c.天然藥物活性組分與藥效國家重點實驗室，南京 211198）

0 引言

近年來，隨著生命科學技術的快速發(fā)展和國家對高校科研投資的重視，公共實驗平臺對科研的支撐作用逐步體現(xiàn)，而大型精密儀器作為平臺提供服務的基礎設備，在科學研究和人才培養(yǎng)中發(fā)揮出重要作用。其中，色譜-質譜聯(lián)用儀以其分辨率好，靈敏度高，線性范圍寬等特點，廣泛應用于制藥、食品、化工和環(huán)境等領域，已在很多高校實驗室中深入普及［1-4］。然而，儀器的高度精密意味著其數據量的龐大，這就使得數據的存儲和備份壓力倍增。公共實驗平臺由于儀器數量多、測樣量大、測樣用戶多，提高數據管理能力也有助于提高儀器使用率和開放率，更利于平臺提供優(yōu)質的科研服務。

目前，大多實驗室依靠傳統(tǒng)光盤、硬盤等介質進行數據存儲，在存儲容量、安全性和傳輸速度等受限。因此，引入一種大容量、安全、快速地管理液質數據的介質，顯得尤為必要。網絡附件存儲（Network Attached Storage，NAS）作為一種新型的數據存儲模式，基于IP網絡實現(xiàn)服務器與存儲陣列互聯(lián)，具有更大的存儲空間，更強的數據吞吐量和更快響應速度，易于實現(xiàn)異構平臺間的共享和性能擴展，能夠對存儲的數據實施集中管理［5］。

為此，提出一種基于NAS 的色譜-質譜聯(lián)用儀數據管理解決方案，通過詳細案例說明，探討NAS 數據管理的優(yōu)勢和不足，以供其他儀器管理者參考。

1 NAS數據管理系統(tǒng)介紹

與傳統(tǒng)的直連存儲系統(tǒng)（DAS）相比，NAS 是與網絡連接的一種數據存儲系統(tǒng)，它強調以數據為核心，采用瘦服務器技術，通過網絡進行數據的集中存儲和管理，網絡上的任何服務器和客戶端都可以訪問這些數據資源［6-8］。NAS的基本原理是通過以太網代替主板中的導線，加載網絡文件到本地目錄，使用戶在訪問網絡數據時像訪問本地數據一樣快捷方便［9］。NAS 存儲系統(tǒng)由存儲設備和服務器組成，典型的NAS設備看起來與磁盤陣列柜相似，但有實質差別，其在磁盤陣列的基礎上增加了獨立的平臺文件操作系統(tǒng)，方便進行文件的傳輸和存儲備份［10］。綜上，NAS 以其訪問快速、存儲環(huán)境靈活、易于管理和硬件成本較低等特點，可提高公共實驗平臺液質數據管理效率。

2 基于NAS的液質數據管理應用案例

2.1 NAS系統(tǒng)架構

為滿足公共實驗平臺對液質數據安全傳輸和存儲的需求，對比不同方案后，平臺選擇群暉DS1821 +搭建了NAS系統(tǒng)，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具備成熟的軟件體系，易上手好操作。群暉DS1821 +是一款強大的8 盤位網絡連接存儲解決方案，搭載AMD RyzenTMV1500B 4 核2.2 GHz處理器，具有高達1 134 584 K的隨機讀取IOPS（每秒讀寫次數）和每秒2 312 MB的連續(xù)寫入速度，最多可創(chuàng)建2 048 個本地用戶帳戶和512 個共享文件夾。磁盤陣列選擇4 塊4TB 的西部數據WD4003VRYZ企業(yè)級硬盤，它支持7 200 r／min 高轉速，采用RAID1 存儲模式，2 塊硬盤用來存儲數據，另外兩塊硬盤用來數據備份，數據安全性更高，當一個磁盤故障時，系統(tǒng)可自動切到鏡像磁盤上，提高存儲效率。剩余盤位，可根據后續(xù)存儲空間情況，即時添加硬盤。

此外，為提高儀器使用效率，減小儀器電腦負荷，我們單獨配備了1 臺工作站方便用戶進行數據處理，并配備了高性能的千兆網絡交換機、千兆六類網線和千兆路由器，將NAS、工作站、多臺儀器電腦、路由器分別接入交換機，建立起一個高性能的傳輸存儲局域網絡。最后預留出多個交換機網絡接口，方便管理員和用戶自由選擇無線或有線方式連接進局域網，進行存儲、拷貝及分析等數據管理。其中，無線傳輸速度較慢，但不受設備限制，手機等移動設備也可以方便登入，更適用于管理員進行賬號和文件夾的分配設置和系統(tǒng)管理；有線連接傳輸速度快，適用于用戶將數據拷貝至個人電腦。整體的NAS系統(tǒng)硬件架構見圖1。

圖1 NAS系統(tǒng)硬件架構

2.2 NAS系統(tǒng)多臺液質設備應用于平臺的方案

2.2.1 NAS系統(tǒng)訪問方式

為便于管理，平臺暫不開放廣域網網絡環(huán)境訪問NAS，用戶僅可通過局域網訪問NAS。連接局域網后，訪問方式主要有2 種（見圖2）：①將NAS資料庫通過Synology Assistant 在“此電腦”中映射為磁盤，像訪問本地數據一樣直接訪問。這種方式連接速度更快，但只能進行數據訪問、上傳和下載，不能進行賬號設置。②使用瀏覽器，在地址欄輸入預先設置好的NAS 服務器名稱或IP地址，再接著輸入“：5000”，即可登錄訪問。這種網頁方式不受操作系統(tǒng)的限制，可以進行賬號管理，且界面友好，但因為不能進行批量文件夾上傳，通常不建議用戶在拷貝數據時使用。

圖2 NAS系統(tǒng)訪問方式

2.2.2 共享文件夾和用戶賬號的分配和權限管理

因平臺儀器對校內課題組及校外單位開放，為了保證用戶數據的保密性和安全性，為每個課題組建立其專用的共享文件夾和用戶賬號，并設定訪問權限。其中，每個共享文件夾具有固定存儲配額，數據存滿后需要請管理員清除無用數據或者申請管理員增加存儲配額，這有助于進行數據的管理和更新，避免大量老舊數據占用儲存空間。此外，本課題組賬號只對自己課題組的文件夾有讀寫權限，對于人數眾多，測樣量大的課題組，可以根據用戶需求增設多個子文件夾，每位同學個人賬號只有讀寫自己子文件夾權限，而課題組負責人賬號可以訪問整個文件夾?？偟膩碚f，用戶權限有禁止訪問、只讀和可讀寫3 種模式，可根據實際需要進行個性化設置（見圖3）。

圖3 用戶權限設置界面

2.2.3 用戶操作及數據管理

平臺所有液質聯(lián)用儀均接入NAS，因此用戶在平臺任何一臺儀器上的測試數據均可上傳至自身賬戶對應的共享文件夾中。測樣完成后，用戶可在儀器電腦中按上述方式訪問NAS登錄自身賬號上傳數據，再用個人電腦連接預留端口進行數據下載，也可將數據下載到平臺工作站進行數據處理，工作站配備基于GC／MS 和LC／MS 系統(tǒng)的MassHunter、LabSolutions等多種色質譜定性、定量分析軟件，可完成不同品牌、型號儀器的數據分析工作。以最終實現(xiàn)“多個用戶—不同儀器—多類數據”的高效傳輸、存儲及分析。

2.3 應用成效

啟用NAS系統(tǒng)進行數據管理后，用戶在拷貝數據時無需攜帶個人硬盤，測樣完成后直接將數據上傳至NAS，傳輸不限制文件大小，傳輸速度快，減少等待時間，提高儀器使用效率，同時也防止個人硬盤中可能存在的病毒對儀器電腦帶來的安全隱患。若在多臺儀器上同時測樣，也可以分別上傳后，統(tǒng)一下載處理，數據信息分類明確，一目了然。此外，所有的測樣數據都存放在NAS上，不占用本地儀器電腦內存，也方便管理員進行數據的管理和過期數據的刪除。查驗數據時，管理員不再需要對每臺儀器電腦分別核查，登錄NAS即可查看各個課題組在平臺所有儀器上的測樣數據，極大提高數據管理的工作效率。

3 NAS數據管理的優(yōu)點

經實際應用，我們認為相比于傳統(tǒng)的數據存儲方式，基于NAS的數據管理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

（1）便捷性。通過網絡進行數據傳輸，不損失傳輸速率的前提下，不再需要用戶攜帶硬盤、光盤等移動存儲設備，不受時間和空間的限制，只要在局域網內就能訪問，后續(xù)如果有需要，也可以開放外網訪問，靈活度更高，實現(xiàn)由多端向單端管理轉變，極大提高了管理效率。

（2）安全性。數據存放于NAS中，每個用戶只可訪問自己的空間，并根據自身需求進行數據存取和共享。此外，管理員還可設定連接到特定網絡端口的白名單和黑名單，對網絡中常見的攻擊模式進行預防，若一個IP 地址非法登錄多次，即進入黑名單被禁止登錄，這也保障了NAS中數據的安全［11］。

（3）高效性。NAS系統(tǒng)是專用存儲，不和其他應用競爭資源，減少系統(tǒng)意外故障的可能［12］。它的安裝過程快，系統(tǒng)簡潔好操作，易于推廣，存儲容量也可以根據用戶需求進行分配和擴增。此外，平臺配備專業(yè)工作站方便用戶進行后期數據處理，減小儀器電腦的使用壓力，使在線的數據采集和離線的數據處理分開進行，提高儀器使用效率。

（4）低成本。NAS使用低價格的以太網環(huán)境，任何連接到網絡的設備都可以訪問NAS，與其他數據管理解決方案相比，NAS 的整體成本較低。而且其設備高度集成，主要由服務器和磁盤陣列組成，對硬件的要求不高［13］。在應用和維護上，管理員和用戶使用同樣的軟件系統(tǒng)，對操作人員培訓成本和系統(tǒng)維護成本基本為0。

（5）擴展性。NAS系統(tǒng)即插即用，調試或關機不影響整個系統(tǒng)中其他設備的正常使用，易于實現(xiàn)擴展［14］。①由于多設備可以同時訪問同一個NAS，因此若儀器數量增加，只需增加交換機端口數量即可；②隨著數據量的增大，現(xiàn)有內存無法滿足需求時，只需在NAS 上增加硬盤，簡單設置后即可獲得更大存儲空間，節(jié)約預算成本。

4 NAS數據管理的不足

NAS系統(tǒng)對文件系統(tǒng)的管理進行了優(yōu)化，提供文件級訪問，它使用獨立的平臺文件系統(tǒng)允許不同設備訪問同一存儲資源，這也在一定程度上影響其性能［15］。此外，NAS數據管理解決方案通常不適用于傳輸大量、離散的塊級數據［16］。在實際應用中，對于用戶來說，從傳統(tǒng)數據拷貝方式轉換成NAS數據管理系統(tǒng)，需要培訓并給予其一定的適應時間，每一次使用結束后需要將自己的賬號退出登錄，否則下一個用戶將無法使用。在文件夾和用戶賬號的數量上也有一定的上限限制，需要管理員定期進行老舊賬號的清除管理。

5 結語

構建、發(fā)展及應用全新的體系架構，用于實驗數據的獲取、傳輸、存儲和分析，是科研儀器共享時代，大儀管理的關鍵科學問題。如何在新技術浪潮下更新數據管理模式，提高工作效率和服務質量，也成為平臺發(fā)展所需攻克的難關之一。根據平臺運行管理特點，提出一種基于NAS的色譜質譜實驗數據管理解決方案，該方案配置便捷、快速，解決了傳統(tǒng)數據管理模式存儲空間不足、安全性差、共享性差、無法集中管理、管理效率低等問題，在可接受的預算范圍內實現(xiàn)了多臺儀器數據的數字化、網絡化統(tǒng)一管理。但NAS 系統(tǒng)功能強大，本方案只利用了其小部分功能，在今后的實踐中，我們期望能探索出NAS更大的應用價值，在現(xiàn)有硬件條件下實現(xiàn)更多功能（如構建多用戶協(xié)作環(huán)境、多層次數據保護體系等）?？傊撓到y(tǒng)提高了數據傳輸和存儲效率，改變了傳統(tǒng)的數據管理模式，對平臺管理發(fā)揮積極作用，具有一定的推廣價值。