一种互联网环境下的医学图像自适应传输系统实现

罗哲明 杨媛媛

摘  要： 为解决医学图像在互联网下传输过程中效率低、存储服务器容量增长过快、耦合性强的问题，文中设计和实现了一种医疗图像自适应传输系统。系统结合P2P传输的设计思路，依据医疗机构接入互联网的防火墙网络地址转化（NAT）类型，使客户端能自动选取传输策略对医学图像进行点对点分片传输。将该系统与传统的有中心传输模式的系统进行速度比较，实验结果表明，采用自适应的传输系统对医学图像进行传输，具有更低的耦合性，且能实现数据的分布式存储，传输效率大幅提高。

关键词： 医学影像传输; 自适应传输系统; P2P; 互联网防火墙; 分布式数据存储; 互联网传输

中图分类号： TN911.73?34; TP391.4             文献标识码： A                      文章编号： 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

随着网络技术的快速发展，互联网环境纷繁复杂，医疗机构考虑到病人隐私和信息安全问题，在内部网络接入因特网过程中，采取了防火墙、IP地址及开放端口限制等措施，导致互联网环境下医学影像的传输大多采用基于数据中心交换方式解决。文献[1]介绍了几种基于客户端/服务器模式的传统医学图像传输：基于DICOM标准的DICOM CSTORE传输，基于FTP协议的FTP传输，基于Web的MTOP/XOP传输。由于传输数据量大，以上基于数据中心的交换方式会导致服务器存储容量增长过快，影像传输的效率较低，系统的稳定性过度依赖于服务器。因此本文提出了一种基于网络源地址和目的地址的网络环境的自适应传输系统，其在特定网络环境下可不依赖于服务器进行中转，弥补了当前采用数据中心交换模式的不足[2?3]。

1  网络环境分析与传输策略

1.1  网络环境的限制

在互联网环境下，防火墙作为网络出口的同时往往采取了诸多限制策略，如不允许建立TCP连接、仅开放有限的UDP端口、数据包大小限制在约512 KB等。此外，网络地址转换技术（NAT）也对对等通信（P2P）造成困难[4?6]。当前互联网环境下的4类网络地址转化（NAT）如表1所示[7?8]。

依照 Bryan Ford等人对于当前基于供应商硬件网络地址转换（NAT）以及基于操作系统的软件网络地址转化（NAT）的用户报告统计，可知在报告整体的380个案例中，310个案例（82%）成功获取了对端客户端的IP信息，表明互联网环境下UDP打孔基本可用[9]。

1.2  通信类型以及策略

依照医疗机构的网络地址转换（NAT）类型信息，可将通信策略分为以下3类：

1） Symmetric chat mode。通信的双方至少有一方是对称型NAT，这种情况下，只能通过服务器进行中转;

2） Restrict chat mode。不存在对称型NAT ，至少有一方是限制型NAT，作为限制型NAT（Restrict NAT）的一方需要持续发包，以固定的时间间隔，告知对端网络自身信息，对端收到消息自动回复，我端方能接收数据;

3） Full Cone chat mode。内网常见的对等网络，通信双方无协议阻碍，可直接进行点对点（P2P）通信。

各类医疗机构的NAT模式在互联网下通信选择如表2所示。

2  自适应传输系统设计

2.1  软件设计时序流程

软件设计流程图如图1所示。网络地址转化类型的确定依赖于STUN服务器，其基于STUN协议，利用两个IP和端口号确定客户端的公共地址以及路由器中对于网络的限制。TURN服务器用于中继所有信息来绕过对称型NAT的限制。与TURN服务器建立连接后，告诉所有对等方将数据包发送到服务器，然后将数据包转发给客户端，其开销较大，由于互联网传输的不确定性，在传输中需要作为保底策略以确保医学图像能够稳定传输到对端。

在用户端可进行注册以及登录，以便记录相关医院的网络信息。服务器返回当前在线医院主机信息以及医院主机对应的NAT类型，如需建立连接传输医学图像文件，系统会根据对应的逻辑选择恰当的方式进行P2P文件传输。

1） 各端用户通过STUN服务器获取自己当前NAT的类型;

2） 登录服务器上传自己的NAT类型信息，服务器返回当前在线用户列表;

3） 选择当前在线的用户进行文件传输;

4） 首先尝试Full Cone chat mode;

5） 依照对应的业务逻辑，选择对应的P2P模式。

需要说明的是，即使是在内网，由于防火墙的上网策略限制，导致与STUN服务器通信获取到的外网IP和端口号可能都不一样，从而感受不到内网的对等实体。所以在软件的实际逻辑编写过程中，需要先采取Full Cone chat mode的内网直连尝试，随后再选取对应的传输策略。

2.2  性能优化

1） 可靠性。鉴于文件的传输依赖数据包的时序性以及无差错性，而传统UDP又具有无序性和不稳定性的特点。故在医学图像的传输过程中需要添加MD5加密，MD5依赖于HASH算法常作为数字指纹以验证完整性，其大小为128 B。另外添加时序序号标志以保证数据的时序特性，其大小为2 B，以及1位控制位。由于医院在网络出口限制数据包的大小不大于512 B，每一个包实际携带数据大小为381 B。

2） 断点续传。由于医疗图像会出现数据较大的情况，在网络环境不稳定的情况下可能会出现传输中断现象。断点重传是指支持从文件上次传输中断的地方开始传送数据，避免文件从头开始传输。其核心是进行文件的分片，以chunk_number对数据包进行编号切割成多个小文件，并将文件名、文件大小、保存文件路径依次发送给对端。对端异步接收到这些数据包后保存在对应路径之下，在网络传输中断或接收拟完成后验证数据的完整性。一旦数据不完整，向信令通道报告丢失的数据包编号并让对端重新传输，否则依次读取小文件，依照chunk_number的顺序组成完整文件后再清除内存。

3） 多线程传输。多线程传输将文件从多点切入读取并发送，由于Python语言本身设计的缺陷，GIL（全局锁）会使程序在每执行约100行代码后释放，故Python语言多线程仅适用于IO密集型操作，在此并不适合于医疗图像读取的CPU密集型的操作。后续实验也表明，受限于编程语言的特性，多线程的加入对于医疗图像的传输速度并无影响。

3  实验与讨论

实验环境如下：语言为Python;运行环境为Windows/Linux;不需要第三方依赖库。

3.1  各NAT类型之间的传输速度比较

互联网传输环境选择在带宽为10 Mb/s，延时为20 ms的WAN网络下进行模拟，对医学图像自适应传输3种模式进行速度测试[10]，如图2所示。

图2的实验结果表明：Symmetric chat mode由于需要利用TURN中转，在各类大小文件传输中表现较差;Restrict chat mode与Full Cone chat mode由于直连只需要经历一次链路时延，其传输速度较快;由于Restrict chat mode 在直连前需要先进行UDP打洞，故其总体传输时间较Full Cone chat mode稍慢，但其延迟时间基本固定。

3.2  各NAT类型之间和传统传输方法比较

图3评估了FTP和MTOM/XOP，自适应传输系统在医院系统中传输DICOM图像的性能。在模拟环境中对上述4种传输方法进行比较，实验模拟带宽为10 Mb/s，延时为20 ms的WAN网络。结果表明：

1） 对于DICOM图像，当数据大小大于10 MB时，各类传输方法除TURN中转外，在速度上差异不大[11];

2） 对于小图像而言，MTOM/XOP存在冷启动问题[12]，其对于小数据大小的医学图像表现不佳;

3） 对于自适应的传输方式而言，Full Cone chat mode/Restrict chat mode在10 MB以下的DICOM图像上整体表现優于其他方法，较FTP速度提升近10%;

4） TURN协议下的Symmetric chat mode整体表现不佳[13]，其原因是程序未能严格遵循协议内容，对于互联网环境下的丢包时延处理能力差。

4  结  语

本文提出一种互联网环境下医学图像文件自适应的传输系统。该系统设计依据STUN协议和TURN协议，并结合互联网环境下医疗图像的实际传输特性提出针对性的性能优化方法。实验结果表明，自适应的传输方式在非中转的传输模式下较传统方法传输医疗图像更快速。但该系统也存在不足之处，例如在客户端崩溃之后无心跳包进行通知、TURN协议编写不规范以及受限于语言本身的特性无法实现多线程的加速，后续将针对这些不足提出改进。

参考文献

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