中心節(jié)點(diǎn)可遷移的醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)軟RAID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、    作者：郭天泉，邱力軍，潘新華，漆家學(xué)【關(guān)鍵詞】  中心節(jié)點(diǎn)    Design of network softRAID system based on centernode transplantation in medical image storage network【Abstract】 AIM: To develop a distributed network storage system in order to satisfy the demands of the medical image stor

2、age network in our hospital. METHODS: In accordance with the highavailability demands of medical image storage network, by the use of network softRAID and centernode transplantation technologies, and on the basis of the Linux operating system, this article designed and implemented the network softRA

3、ID system based on centernode transplantationPACS RAID system. RESULTS: The Markov process to build a highavailability model for performance analysis was used, and it was found that the highavailability demands of the PACS RAID system was more effective compared with that of the network soft RAID sy

4、stem based on centernode. CONCLUSION: Because of high availability, strong flexibility and convenient extensibility, the PACS RAID system can meet effectively the demands of the storage network with the medical image collection and transmission system in our hospital.【Keywords】 centernode; medical i

5、mage; softRAID【摘要】 目的：研究一種滿(mǎn)足我院醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)需求的網(wǎng)絡(luò)分布式存儲(chǔ)系統(tǒng). 方法：按照醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的高可用性要求，利用網(wǎng)絡(luò)軟RAID和中心節(jié)點(diǎn)遷移技術(shù)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Linux操作系統(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)可遷移的網(wǎng)絡(luò)軟RAID系統(tǒng)PACS RAID系統(tǒng). 結(jié)果：使用Markov過(guò)程建立高可用性分析模型進(jìn)行性能分析，與原有的基于中心節(jié)點(diǎn)的醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)軟RAID系統(tǒng)相比，中心節(jié)點(diǎn)可遷移的PACS  RAID系統(tǒng)的可用性要高得多. 結(jié)論：PACS RAID系統(tǒng)可用性高，靈活性強(qiáng)，擴(kuò)展方便，能有效地滿(mǎn)足我院醫(yī)學(xué)影像采集與傳輸系統(tǒng)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的臨床工作需求

6、.【關(guān)鍵詞】 中心節(jié)點(diǎn)；醫(yī)學(xué)影像；軟RAID0引言網(wǎng)絡(luò)RAID的出現(xiàn)使高性能的分布式存儲(chǔ)成為可能，其中的研究代表包括Petal，Swarm與RAIDx1-3等. 網(wǎng)絡(luò)RAID可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各種存儲(chǔ)資源統(tǒng)一管理與使用，從而提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的靈活性與可擴(kuò)展性. 我們開(kāi)發(fā)了基于Linux操作系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟RAID系統(tǒng)VNS4. VNS系統(tǒng)可以將網(wǎng)絡(luò)中不同主機(jī)的存儲(chǔ)空間組織起來(lái)，由一臺(tái)中心節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)空間來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一管理.VNS系統(tǒng)中所有的請(qǐng)求都由中心節(jié)點(diǎn)來(lái)處理，中心節(jié)點(diǎn)故障將會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法使用，因此中心節(jié)點(diǎn)是VNS系統(tǒng)的單一故障點(diǎn). 基于上述原因，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于Linux操作系統(tǒng)的中心節(jié)

7、點(diǎn)可遷移的網(wǎng)絡(luò)軟RAID系統(tǒng)PACS RAID，主中心節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)由備用中心節(jié)點(diǎn)接管主中心節(jié)點(diǎn)工作，通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)遷移技術(shù)來(lái)提供醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)系統(tǒng)的高可用性.1對(duì)象和方法1.1對(duì)象PACS RAID系統(tǒng)是構(gòu)建在醫(yī)學(xué)影像網(wǎng)絡(luò)中的軟RAID系統(tǒng). 系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)分為2種類(lèi)型：中心節(jié)點(diǎn)與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn). 其中，包括1個(gè)主中心節(jié)點(diǎn)、1個(gè)備用中心節(jié)點(diǎn)與若干個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn). 中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)組織和管理系統(tǒng)中的硬盤(pán)；存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)中的硬盤(pán)資源(圖1).對(duì)醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中的磁盤(pán)資源的訪(fǎng)問(wèn)都要通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)，在正常情況下這個(gè)工作是由主中心節(jié)點(diǎn)來(lái)完成的. 由存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)提供的磁盤(pán)資源對(duì)應(yīng)用程序是完全透明的，中心節(jié)點(diǎn)按RAID 0

8、，1，5或其他數(shù)據(jù)布局將磁盤(pán)資源組織起來(lái)，應(yīng)用程序看到的是一塊大的、完整的虛擬磁盤(pán)空間. 主中心節(jié)點(diǎn)與備用中心節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)心跳連接構(gòu)成雙機(jī)系統(tǒng)，在主中心節(jié)點(diǎn)或其上運(yùn)行的服務(wù)程序失效的情況下，由備用中心節(jié)點(diǎn)代替主中心節(jié)點(diǎn)來(lái)提供存儲(chǔ)服務(wù).圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)（略）1.2技術(shù)方法PACS RAID系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：網(wǎng)絡(luò)軟RAID與中心節(jié)點(diǎn)遷移.1.2.1網(wǎng)絡(luò)軟RAID網(wǎng)絡(luò)軟RAID的核心是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn). 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包括以下2個(gè)層次：RAID驅(qū)動(dòng)程序與NDD（network disks driver）驅(qū)動(dòng)程序. Linux操作系統(tǒng)本身提供了RAID驅(qū)動(dòng)程序，它的作用是將本地或網(wǎng)絡(luò)磁盤(pán)組織成不

9、同數(shù)據(jù)布局的RAID. NDD驅(qū)動(dòng)程序的作用是將醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的磁盤(pán)映射成本地的網(wǎng)絡(luò)磁盤(pán).NDD驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ赗AID驅(qū)動(dòng)程序是透明的，它只是在Linux系統(tǒng)中注冊(cè)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)塊設(shè)備，并將NDD Client接收到的數(shù)據(jù)交給RAID驅(qū)動(dòng)程序來(lái)處理. NDD Client是Linux用戶(hù)態(tài)的NDD客戶(hù)端程序，它的作用是通過(guò)TCP/IP協(xié)議將讀/寫(xiě)請(qǐng)求發(fā)送給NDD Server. NDD Server是Linux用戶(hù)態(tài)的NDD服務(wù)器端程序，它的作用是通過(guò)TCP/IP協(xié)議接收NDD Client的讀/寫(xiě)請(qǐng)求，并在本地磁盤(pán)上完成實(shí)際的讀/寫(xiě)操作(圖2).圖2網(wǎng)絡(luò)軟RAID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（略）1.2.2中心節(jié)

10、點(diǎn)遷移由于中心節(jié)點(diǎn)是醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的單一故障點(diǎn)，因此中心節(jié)點(diǎn)失效將會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)系統(tǒng)不可用. 通過(guò)心跳連接將主中心節(jié)點(diǎn)與備用中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成雙機(jī)系統(tǒng)，就可以通過(guò)心跳機(jī)制定時(shí)監(jiān)控主中心節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，并在主中心節(jié)點(diǎn)失效時(shí)由備用中心節(jié)點(diǎn)代替主中心節(jié)點(diǎn)來(lái)工作. 心跳連接是中心節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息的交換通道，它通過(guò)串口通信或網(wǎng)絡(luò)連接來(lái)實(shí)現(xiàn). Heartbeat是Linux平臺(tái)上成熟的、開(kāi)放源碼的雙機(jī)熱備份軟件. 通過(guò)對(duì)Heartbeat的修改可以實(shí)現(xiàn)對(duì)NDD Client程序的監(jiān)控.主中心節(jié)點(diǎn)上的心跳守護(hù)進(jìn)程周期性地發(fā)送狀態(tài)信息，備用中心節(jié)點(diǎn)上的心跳守護(hù)進(jìn)程監(jiān)聽(tīng)主中心節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息. 如果主中心節(jié)點(diǎn)或NDD Clien

11、t程序發(fā)生故障，備用中心節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)收到主中心節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，這時(shí)備用中心節(jié)點(diǎn)會(huì)認(rèn)為主中心節(jié)點(diǎn)失效，自動(dòng)接管主中心節(jié)點(diǎn)的工作并啟動(dòng)NDD Client程序. 如果主中心節(jié)點(diǎn)從故障中得到恢復(fù)，主中心節(jié)點(diǎn)就會(huì)接管備用中心節(jié)點(diǎn)的服務(wù)(圖3).圖3中心節(jié)點(diǎn)遷移（略）2討論P(yáng)ACS RAID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是提高醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)軟RAID系統(tǒng)的高可用性（highavailability）. 衡量系統(tǒng)高可用性的參數(shù)主要包括：平均衰竭時(shí)間(mean time to failure, MTTF)與平均維修時(shí)間(mean time to repair, MTTR). 在PACS RAID系統(tǒng)的高可用性分析中

12、，通常使用Markov過(guò)程建立高可用性分析模型5(圖4).圖4Markov過(guò)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（略）該模型考慮到了中心節(jié)點(diǎn)遷移所需的時(shí)間THA，包括備用中心節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)主中心節(jié)點(diǎn)失效與接管主中心節(jié)點(diǎn)所需的時(shí)間. 通過(guò)對(duì)該模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖進(jìn)行分析，系統(tǒng)的可用性等于系統(tǒng)處于“系統(tǒng)正?！睜顟B(tài)的可能性與“備用中心節(jié)點(diǎn)啟用”狀態(tài)的可能性之和. 最終，得出PACS RAID系統(tǒng)的可用性可以用公式表示：可用性=(MTTF+MTTR)/(MTTF+MTTR+THA)+MTTR2/2MTTF（1）在給出了系統(tǒng)可用性參數(shù)的PACS RAID系統(tǒng)（MTTF為10 000 h，MTTR為1 h）中，同時(shí)設(shè)中心節(jié)點(diǎn)遷移時(shí)間TH

13、A為1 min，通過(guò)公式（1）可以計(jì)算出系統(tǒng)的可用性為0.999 998 328. 因此，PACS RAID系統(tǒng)的不可用性為0.000 001 672，通過(guò)換算得出系統(tǒng)的不可用時(shí)間為52.73 s/a.在基于中心節(jié)點(diǎn)的醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)軟RAID系統(tǒng)中，由于中心節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的單一故障點(diǎn)6，在中心節(jié)點(diǎn)失效時(shí)可以看作系統(tǒng)是失效的. 因此，VNS系統(tǒng)的可用性可以用公式表示：可用性=MTTF/(MTTF+MTTR)（2）在給出可用性參數(shù)相同的VNS系統(tǒng)（MTTF為10 000 h，MTTR為1 h）中，通過(guò)公式（2）可以計(jì)算出系統(tǒng)的不可用時(shí)間為3153.28 s/a. 顯然，與原有的基于中心節(jié)點(diǎn)的醫(yī)學(xué)

14、影像存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)VNS系統(tǒng)相比，中心節(jié)點(diǎn)可遷移的醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)軟RAID系統(tǒng)的可用性要高得多.網(wǎng)絡(luò)軟RAID系統(tǒng)是在通用的硬件設(shè)備上，完全基于軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)系統(tǒng)，它具有成本低、配置靈活、擴(kuò)展性好等特點(diǎn). 但是，中心節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)軟RAID系統(tǒng)中的單一故障點(diǎn)，這就導(dǎo)致了這種存儲(chǔ)系統(tǒng)的可用性不夠好. 中心節(jié)點(diǎn)可遷移的網(wǎng)絡(luò)軟RAID系統(tǒng)的提出，利用主中心節(jié)點(diǎn)與備用中心節(jié)點(diǎn)組成雙機(jī)系統(tǒng)，可以有效地提高醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)軟RAID系統(tǒng)的高可用性，滿(mǎn)足我院醫(yī)學(xué)影像采集與傳輸系統(tǒng)的臨床工作需求.【參考文獻(xiàn)】1 潘新華，郭光友，譚珂. 計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用J. 軍醫(yī)進(jìn)修學(xué)院學(xué)報(bào)，2000, 21(

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