基于网络环境的存储技术在数字化医院中的应用研究

韩爱华，汪兆来

1.兰山区人民医院 设备科，山东临沂 276001；2.临沂市肿瘤医院微机中心， 山东 临沂 276001

基于网络环境的存储技术在数字化医院中的应用研究

韩爱华1，汪兆来2

1.兰山区人民医院 设备科，山东临沂 276001；2.临沂市肿瘤医院微机中心， 山东 临沂 276001

目的 研究建立网络环境下的数字化医院信息存储模式。方法 对存储技术深入研究，提出适合不同时期的医院信息系统不同应用的存储技术架构与模式。结果 选择适合的存储模式，可实现数字化医院数据安全、高可用性、高扩展性的存储。结论 企业级虚拟化存储、云存储代表着未来数据存储发展的方向。

存储技术；数据存储；虚拟化存储；HIS；存储模式

随着计算机技术的飞速发展以及数字化、网络化、信息化的广泛应用，数据已经成为各企事业单位赖以生存的基础。在与生命健康息息相关的数字化网络应用中，医院信息系统（Hospital Information System，HIS)、实验室信息管理系统（Laboratory Information Management System，LIS）、电子病历（Electronic Medical Record，EMR）、影像归档和通信系统（Picture Archiving and Communication Systems，PACS）等的数据安全尤为重要。因此，研究并选择网络环境下合适的数据存储技术，建立高效、合理的存储模式，以确保数据的安全存储[1]，成为医院信息化建设和信息安全工作的核心课题。

1 传统的存储技术

主要有内嵌式存储（Embedded Storage，ED）和直接依附存储（Direct Attached Storage，DAS）。

1.1 ED存储

内嵌存储指硬盘、磁盘阵列和磁带机等存储设备都内嵌在服务器主机中，是主机的一部分，数据主要在主机的硬盘上进行存储，通过磁带进行数据备份。

1.2 DAS存储

直接依附存储是指把存储设备通过小型计算机系统接口（Small Computer System Interface，SCSI）或光纤通道直接与主机相连，客户端通过访问服务器来存取存储设备上的数据信息。

当服务器比较分散，很难通过远程连接互联时，直接连接是一个比较好的方法，它是目前最常用的网络储存设备[2]。

传统数据存储技术具有连接费用低、技术成熟、对网络带宽的依赖程度低、高数据传输率、低延迟、高可靠性等优点。缺点是扩展性差、传输距离短、高度依赖服务器。

2 网络存储

网络存储是指在特定的环境下，实现从多台主机到多台设备方位的存储[3]，主要是通过网络存储设备（包括专用数据交换设备、磁盘阵列或磁带库等）及专用的存储管理软件，利用原有网络或构建一个存储专用网络，为用户提供统一的信息存取系统和共享服务。

网络存储主要的实现手段有两种：网络附加存储（Network Attached Storage，NAS）和网络区域存储（Storage Area Network，SAN）。

2.1 NAS存储

NAS存储是一种专业的网络文件存储及文件备份设备。它类似于传统的网络设备，通过集线器或交换机直接连到网络上，按照传输控制协议/因特网互联协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）进行通信，面向消息传递，以文件输入/输出口（Input/Output，I/O）方式进行数据传输，为网络客户提供数据和文件服务。

NAS存储子系统一般都有专用的NAS文件服务器，它是NAS系统的关键，是文件系统所在地和NAS设备的控制中心，一般可以支持多个I/O节点和网络接口，每个I/O节点都有自己的存储设备。

在NAS存储系统中，应用和数据存储部分不在同一服务器上[4]。应用服务器将数据服务器视做网络文件系统，通过标准局域网进行访问。

NAS实现多台服务器之间文件系统的共享，适合于存储容量需求大、对传输速度要求不高的场合。

2.2 SAN存储[5]

SAN存储是一种分布式的存储技术，类似于普通局域网的高速存储网络，是一种通过光纤网络连接设备将磁盘阵列、磁带库等存储设备与相关服务器连接起来的高速专用子网[6]。

SAN方式下，存储设备从服务器中分离出来，服务器与存储设备之间是多对多的关系，存储设备不再是哪一台服务器的专属设备，而是网上所有服务器的共享设备，允许任何服务器连接到任何存储阵列，不管数据置放在哪里，服务器都可直接存取所需的数据。

SAN置于局域网（Local Area Network，LAN）之下，而不涉及LAN。通过SAN网络，数据在相关服务器和存储设备之间高速传输，对LAN的带宽占用几乎为零。

SAN模式下，服务器仅负责网络任务调度，所有的数据处理都不是由服务器完成的。还可允许各存储子系统无需通过专用中间服务器即可相互协作。

SAN方式支持海量存储与共享，存储资源的共享方式为Block级共享，性能高。主流接口为光纤通道协议（Fibre Channel Protocol，FCP），采用光纤通道技术，性能高、传输距离更远、可扩展能力强、稳定性和可靠性好。

SAN支持远程距离通信，允许存储设备真正与服务器隔离，支持本地和异地快速数据备份和容灾。

存储设备的整合和数据集中管理，大大降低了重复投资率和长期管理维护成本，总体花费成本（Total Cost of Ownership，TCO）低。

网络存储是当前的主流存储技术，主要特点是：存储设备整合，逻辑上完全一体，实现数据的集中管理；存储设备与主机之间是多对多的关系；存储系统高性能共享；面向网络应用，任意扩展，伸缩性强。

3 虚拟存储技术[7]

虚拟存储技术就是将不同的物理存储设备通过不同的接口协议，按照一定的虚拟存储体系结构整合成一个虚拟的存储池，为主机创建和提供虚拟存储卷，为用户提供统一的数据服务，实现资源共享和统一管理。虚拟存储实际上是逻辑存储，它将物理存储实体与服务器所见的存储设备视图分离开来，服务器不知道实际物理存储设备的位置、路径和每个设备的具体特点。虚拟存储能动态地改变逻辑空间到物理存储设备的映射，实现对物理存储进行透明访问，而无需改动任何服务器设置。

虚拟存储的拓扑结构主要有两种：对称式和非对称式。对称式虚拟存储技术又称带内虚拟存储，是指虚拟存储控制设备内嵌在网络数据传输路径中，与存储软件系统、交换设备等集成为一个整体；非对称式虚拟存储技术又称带外虚拟存储，是指虚拟存储控制设备独立于数据传输通道之外[8]。

虚拟存储的实现方式有3种：基于主机的虚拟存储、基于存储设备的虚拟存储、基于网络的虚拟存储，也称服务器级虚拟存储、存储设备级虚拟存储、网络级虚拟存储[9]。服务器级虚拟存储，是一种相对简单的实现形式，调度工作会影响服务器的应用性能，可能有性能瓶颈；存储设备级虚拟存储，主要通过大规模独立磁盘冗余阵列（Redundant Arrays of Inexpensive Disks，RAID）子系统与多个I/O通道连接至服务器，产品相对成熟，性价比高，是目前常用的一种虚拟存储方式，但存在不兼容性。网络级虚拟存储，由网络厂商实施，通过网络将逻辑镜像映射到外围存储设备，可能是“最开放的”虚拟存储。

虚拟存储是当前新兴存储技术，其特点：整合不同类型存储设备，有效地保护设备投资；大容量存储池集中管理，提高系统的可扩展性，扩容对客户端透明；虚拟存储对多个存储模块负载均衡或并行访问，提高存储系统聚合访问带宽；通过管理软件，实现数据安全管理、生命周期管理、动态管理等。

4 内容寻址存储（Content Addressed Storage，CAS）[10]

内容寻址存储是一种基于对象的存储系统[11]，指的是系统为每一个保存对象及其元数据分配一个独特的地址，内容以固定的形式存在，在数据的使用过程中无论该对象被使用多少次，也只保存一份原件，不会出现重复。

基于CAS的数据都含有一个全球唯一的标识符。用户访问该数据时，只需在网络上发出带有这一标识符的信息，而不必追踪被保存信息的物理位置，系统会自动根据这一标识符在网络上搜寻到信息所存位置，然后将该信息反馈给用户。

CAS存储使用从对象内容产生的哈希值作为对象标识符，哈希值是唯一的，因此CAS可支持数据完整性检查、存储空间的有效使用、写一次特性和重叠写保护等功能，特别适用于存储固定内容的数据环境。

在CAS中，允许用户设置一定的数据管理策略，禁止任何人在指定的时间段内随意更改或删除文件。

CAS具有面向对象的存储特征，按照所存储内容的指纹寻址，具有良好的可搜索性、安全性、扩展性及可靠性。

CAS的内容寻址技术大大降低了应用软件操作和管理存储介质上所存储信息的物理地址的难度。

5 数字化医院存储架构与模式的选择

5.1 医院存储架构的建设原则

存储架构要纳入医院信息系统建设体系进行总体规划，分步实施，按需购买，适度超前。特别是要综合考虑架构的安全性、可靠性、可扩展性、开放性，还要注重性价比。

5.2 医院存储模式的选择

选择存储模式时，要根据各种存储模式的特点和应用场合，再根据信息系统各应用系统的数据和信息类型、响应速度、网络带宽、实时性、安全性要求等选择不同的与之匹配的最佳存储架构模式。方案选择既要着眼于实际需求，考虑方案的先进性、开放性、安全性，还要考虑经济情况量力而行。

内嵌式存储和DAS主要用于早期网络环境，那时数据量相对小，扩展和共享及安全级别要求受技术等制约，大部分的医院也是应用客户/服务器（Client/Server，C/S）架构下的管理信息系统，用以实现财务收费、医嘱、LIS等信息管理，后来出现护士站、医生站、EMR等浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）架构的广泛应用，数据量的大幅增长，共享和安全要求新的技术支持。虽然这两种存储模式还存在和应用于医院信息系统，但是随着虚拟化技术应用，它们将逐渐退出历史舞台[12]。

NAS及SAN存储技术分别是基于文件数据和块数据且面向事务处理应用所设计的。HIS系统中各种应用子系统是典型的数据库应用，对数据的访问是以数据块的方式进行的，其最好的存储模式显然是SAN；而EMR和PACS系统中的医学影像是典型的文件系统，数据量特别大，采用NAS是既合适又经济的存储方式，NAS还可以作为各系统数据的备份存储。

CAS作为基于对象的存储系统，在技术上弥补了固定内容存储的空缺。从长远看，可以将归档过的数据放在CAS上，将固定内容数据、具有长期历史保存价值的数据从SAN、NAS上剥离出来，使SAN、NAS瘦身。PACS影像数据归档保存可以采用这种方式[13]。

虚拟存储技术整合不同类型存储设备建立大容量存储池，可以构建分级存储管理体系，将各医院信息系统的数据进行分级，分成在线数据、近线数据、归档离线数据，然后将其存储在不同成本的存储模型上，按照数据的生命周期特性进行管理，从而降低整体成本。

6 结束语

网络环境下存储技术从最初的内嵌式存储到DAS，再到NAS、SAN、IP SAN、ISCSI SAN、虚拟存储、CAS、固态硬盘（Solid State Disk, SSD）存储[14]、云存储等一些新技术，可以说存储技术发展日新月异。这些存储模式各有优缺点和适合的应用环境，实际应用中，应根据具体的需求来选取适合的存储模式或模式组合方案。需要指出的是，企业级虚拟化存储、云存储代表着未来数据存储的发展方向，可实现高安全性、高可用性、高扩展性的数据存储。

[1] 陈金雄.医院信息系统发展及对存储和数据安全的新要求[J].中国医疗设备,2010,25(8):1-3.

[2] 吴子勤,魏自力,黄勇.基于网络数据存储技术实现的研究[J].网络与信息,2010,(5):21-22.

[3] 郭艳霞,颜军.海量数据存储模式的研究[J].计算机与数字工程,2008,36(11):162-165.

[4] 沈浅.网络存储技术的探讨[J].福建电脑,2010,(3):70.

[5] 汪竹.医疗信息的数据存储方式探讨[J].医学信息,2011,24(9):5989.

[6] 马锡坤.基于SAN的网络存储系统的研究[J].中国医疗设备,2008,23(1):24-25.

[7] 潘强.虚拟存储技术在医院数据存储中的应用研究[J].信息技术,2011,(5):187-189,192.

[8] 张国才.网络存储技术探析[J].山西经济管理干部学院学报,2009,17(4):95-97.

[9] 康潇文,杨英杰,杜鑫.虚拟存储技术在容灾系统中的应用[J].计算机工程,2009,35(21):36-38,41.

[10] 穆雪华,刘刚,侯红卫.固定内容寻址存储技术在我院信息网络中的应用[J].中国医疗设备,2008,23(8):37-38.

[11] 范涛.网络存储技术的研究与应用[J].福建电脑,2008,(6):59-60.

[12] 刘婷.基于网络的存储技术研究综述[J].计算机与数字工程,2011,39(1):117-120.

[13] 冯镇强.医院存储服务器应用特征简析[J].硅谷,2011,(16):142-142,172.

[14] 金崇英,李小勇,白英彩.海量存储系统的发展与展望[J].计算机与数字工程,2011,28(8):193-195.

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

韩爱华，主管技师，主要从事医学工程和计算机医学应用方面的研究工作。

作者邮箱：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