NAS在色谱—质谱联用仪数据管理中的应用

王子元，王晓虎，闻晓东，，c，郑玲童

（中国药科大学a.实验室与设备管理处校公共实验平台；b.中药学院；c.天然药物活性组分与药效国家重点实验室，南京 211198）

0 引言

近年来，随着生命科学技术的快速发展和国家对高校科研投资的重视，公共实验平台对科研的支撑作用逐步体现，而大型精密仪器作为平台提供服务的基础设备，在科学研究和人才培养中发挥出重要作用。其中，色谱-质谱联用仪以其分辨率好，灵敏度高，线性范围宽等特点，广泛应用于制药、食品、化工和环境等领域，已在很多高校实验室中深入普及［1-4］。然而，仪器的高度精密意味着其数据量的庞大，这就使得数据的存储和备份压力倍增。公共实验平台由于仪器数量多、测样量大、测样用户多，提高数据管理能力也有助于提高仪器使用率和开放率，更利于平台提供优质的科研服务。

目前，大多实验室依靠传统光盘、硬盘等介质进行数据存储，在存储容量、安全性和传输速度等受限。因此，引入一种大容量、安全、快速地管理液质数据的介质，显得尤为必要。网络附件存储（Network Attached Storage，NAS）作为一种新型的数据存储模式，基于IP网络实现服务器与存储阵列互联，具有更大的存储空间，更强的数据吞吐量和更快响应速度，易于实现异构平台间的共享和性能扩展，能够对存储的数据实施集中管理［5］。

为此，提出一种基于NAS 的色谱-质谱联用仪数据管理解决方案，通过详细案例说明，探讨NAS 数据管理的优势和不足，以供其他仪器管理者参考。

1 NAS数据管理系统介绍

与传统的直连存储系统（DAS）相比，NAS 是与网络连接的一种数据存储系统，它强调以数据为核心，采用瘦服务器技术，通过网络进行数据的集中存储和管理，网络上的任何服务器和客户端都可以访问这些数据资源［6-8］。NAS的基本原理是通过以太网代替主板中的导线，加载网络文件到本地目录，使用户在访问网络数据时像访问本地数据一样快捷方便［9］。NAS 存储系统由存储设备和服务器组成，典型的NAS设备看起来与磁盘阵列柜相似，但有实质差别，其在磁盘阵列的基础上增加了独立的平台文件操作系统，方便进行文件的传输和存储备份［10］。综上，NAS 以其访问快速、存储环境灵活、易于管理和硬件成本较低等特点，可提高公共实验平台液质数据管理效率。

2 基于NAS的液质数据管理应用案例

2.1 NAS系统架构

为满足公共实验平台对液质数据安全传输和存储的需求，对比不同方案后，平台选择群晖DS1821 +搭建了NAS系统，该系统性能稳定，具备成熟的软件体系，易上手好操作。群晖DS1821 +是一款强大的8 盘位网络连接存储解决方案，搭载AMD RyzenTMV1500B 4 核2.2 GHz处理器，具有高达1 134 584 K的随机读取IOPS（每秒读写次数）和每秒2 312 MB的连续写入速度，最多可创建2 048 个本地用户帐户和512 个共享文件夹。磁盘阵列选择4 块4TB 的西部数据WD4003VRYZ企业级硬盘，它支持7 200 r／min 高转速，采用RAID1 存储模式，2 块硬盘用来存储数据，另外两块硬盘用来数据备份，数据安全性更高，当一个磁盘故障时，系统可自动切到镜像磁盘上，提高存储效率。剩余盘位，可根据后续存储空间情况，即时添加硬盘。

此外，为提高仪器使用效率，减小仪器电脑负荷，我们单独配备了1 台工作站方便用户进行数据处理，并配备了高性能的千兆网络交换机、千兆六类网线和千兆路由器，将NAS、工作站、多台仪器电脑、路由器分别接入交换机，建立起一个高性能的传输存储局域网络。最后预留出多个交换机网络接口，方便管理员和用户自由选择无线或有线方式连接进局域网，进行存储、拷贝及分析等数据管理。其中，无线传输速度较慢，但不受设备限制，手机等移动设备也可以方便登入，更适用于管理员进行账号和文件夹的分配设置和系统管理；有线连接传输速度快，适用于用户将数据拷贝至个人电脑。整体的NAS系统硬件架构见图1。

图1 NAS系统硬件架构

2.2 NAS系统多台液质设备应用于平台的方案

2.2.1 NAS系统访问方式

为便于管理，平台暂不开放广域网网络环境访问NAS，用户仅可通过局域网访问NAS。连接局域网后，访问方式主要有2 种（见图2）：①将NAS资料库通过Synology Assistant 在“此电脑”中映射为磁盘，像访问本地数据一样直接访问。这种方式连接速度更快，但只能进行数据访问、上传和下载，不能进行账号设置。②使用浏览器，在地址栏输入预先设置好的NAS 服务器名称或IP地址，再接着输入“：5000”，即可登录访问。这种网页方式不受操作系统的限制，可以进行账号管理，且界面友好，但因为不能进行批量文件夹上传，通常不建议用户在拷贝数据时使用。

图2 NAS系统访问方式

2.2.2 共享文件夹和用户账号的分配和权限管理

因平台仪器对校内课题组及校外单位开放，为了保证用户数据的保密性和安全性，为每个课题组建立其专用的共享文件夹和用户账号，并设定访问权限。其中，每个共享文件夹具有固定存储配额，数据存满后需要请管理员清除无用数据或者申请管理员增加存储配额，这有助于进行数据的管理和更新，避免大量老旧数据占用储存空间。此外，本课题组账号只对自己课题组的文件夹有读写权限，对于人数众多，测样量大的课题组，可以根据用户需求增设多个子文件夹，每位同学个人账号只有读写自己子文件夹权限，而课题组负责人账号可以访问整个文件夹。总的来说，用户权限有禁止访问、只读和可读写3 种模式，可根据实际需要进行个性化设置（见图3）。

图3 用户权限设置界面

2.2.3 用户操作及数据管理

平台所有液质联用仪均接入NAS，因此用户在平台任何一台仪器上的测试数据均可上传至自身账户对应的共享文件夹中。测样完成后，用户可在仪器电脑中按上述方式访问NAS登录自身账号上传数据，再用个人电脑连接预留端口进行数据下载，也可将数据下载到平台工作站进行数据处理，工作站配备基于GC／MS 和LC／MS 系统的MassHunter、LabSolutions等多种色质谱定性、定量分析软件，可完成不同品牌、型号仪器的数据分析工作。以最终实现“多个用户—不同仪器—多类数据”的高效传输、存储及分析。

2.3 应用成效

启用NAS系统进行数据管理后，用户在拷贝数据时无需携带个人硬盘，测样完成后直接将数据上传至NAS，传输不限制文件大小，传输速度快，减少等待时间，提高仪器使用效率，同时也防止个人硬盘中可能存在的病毒对仪器电脑带来的安全隐患。若在多台仪器上同时测样，也可以分别上传后，统一下载处理，数据信息分类明确，一目了然。此外，所有的测样数据都存放在NAS上，不占用本地仪器电脑内存，也方便管理员进行数据的管理和过期数据的删除。查验数据时，管理员不再需要对每台仪器电脑分别核查，登录NAS即可查看各个课题组在平台所有仪器上的测样数据，极大提高数据管理的工作效率。

3 NAS数据管理的优点

经实际应用，我们认为相比于传统的数据存储方式，基于NAS的数据管理系统具有以下优点：

（1）便捷性。通过网络进行数据传输，不损失传输速率的前提下，不再需要用户携带硬盘、光盘等移动存储设备，不受时间和空间的限制，只要在局域网内就能访问，后续如果有需要，也可以开放外网访问，灵活度更高，实现由多端向单端管理转变，极大提高了管理效率。

（2）安全性。数据存放于NAS中，每个用户只可访问自己的空间，并根据自身需求进行数据存取和共享。此外，管理员还可设定连接到特定网络端口的白名单和黑名单，对网络中常见的攻击模式进行预防，若一个IP 地址非法登录多次，即进入黑名单被禁止登录，这也保障了NAS中数据的安全［11］。

（3）高效性。NAS系统是专用存储，不和其他应用竞争资源，减少系统意外故障的可能［12］。它的安装过程快，系统简洁好操作，易于推广，存储容量也可以根据用户需求进行分配和扩增。此外，平台配备专业工作站方便用户进行后期数据处理，减小仪器电脑的使用压力，使在线的数据采集和离线的数据处理分开进行，提高仪器使用效率。

（4）低成本。NAS使用低价格的以太网环境，任何连接到网络的设备都可以访问NAS，与其他数据管理解决方案相比，NAS 的整体成本较低。而且其设备高度集成，主要由服务器和磁盘阵列组成，对硬件的要求不高［13］。在应用和维护上，管理员和用户使用同样的软件系统，对操作人员培训成本和系统维护成本基本为0。

（5）扩展性。NAS系统即插即用，调试或关机不影响整个系统中其他设备的正常使用，易于实现扩展［14］。①由于多设备可以同时访问同一个NAS，因此若仪器数量增加，只需增加交换机端口数量即可；②随着数据量的增大，现有内存无法满足需求时，只需在NAS 上增加硬盘，简单设置后即可获得更大存储空间，节约预算成本。

4 NAS数据管理的不足

NAS系统对文件系统的管理进行了优化，提供文件级访问，它使用独立的平台文件系统允许不同设备访问同一存储资源，这也在一定程度上影响其性能［15］。此外，NAS数据管理解决方案通常不适用于传输大量、离散的块级数据［16］。在实际应用中，对于用户来说，从传统数据拷贝方式转换成NAS数据管理系统，需要培训并给予其一定的适应时间，每一次使用结束后需要将自己的账号退出登录，否则下一个用户将无法使用。在文件夹和用户账号的数量上也有一定的上限限制，需要管理员定期进行老旧账号的清除管理。

5 结语

构建、发展及应用全新的体系架构，用于实验数据的获取、传输、存储和分析，是科研仪器共享时代，大仪管理的关键科学问题。如何在新技术浪潮下更新数据管理模式，提高工作效率和服务质量，也成为平台发展所需攻克的难关之一。根据平台运行管理特点，提出一种基于NAS的色谱质谱实验数据管理解决方案，该方案配置便捷、快速，解决了传统数据管理模式存储空间不足、安全性差、共享性差、无法集中管理、管理效率低等问题，在可接受的预算范围内实现了多台仪器数据的数字化、网络化统一管理。但NAS 系统功能强大，本方案只利用了其小部分功能，在今后的实践中，我们期望能探索出NAS更大的应用价值，在现有硬件条件下实现更多功能（如构建多用户协作环境、多层次数据保护体系等）。总之，该系统提高了数据传输和存储效率，改变了传统的数据管理模式，对平台管理发挥积极作用，具有一定的推广价值。