基于對等網(wǎng)絡(luò )的醫學(xué)影像服務(wù)系統通訊平臺設計與應用

摘要：通過(guò)建立醫學(xué)影像時(shí)等網(wǎng)絡(luò )通訊平臺，以便于研究對等網(wǎng)絡(luò )在各醫學(xué)影像服務(wù)中的應用，描述了其組織結構設計與節點(diǎn)管理，闡述了對等節點(diǎn)間在不同區域建立通訊連接的方法，通過(guò)遠程在線(xiàn)會(huì )診為實(shí)例，把醫學(xué)影像對等網(wǎng)絡(luò )通訊平臺的使用方法進(jìn)行了詳細的介紹。
關(guān)鍵詞：醫學(xué)影像；對等網(wǎng)絡(luò )；通訊平臺；設計；傳輸；計算

醫學(xué)影像服務(wù)系統擁有很強的可擴展性，并能滿(mǎn)足社會(huì )對醫學(xué)影像應用的不同需求，由于醫學(xué)影像的數據量大，計算量也很大，因此醫學(xué)影像要建立高性能服務(wù)系統的關(guān)鍵是提高醫學(xué)影像的計算速度與傳輸速度。但是投資高性能的計算機設備與網(wǎng)絡(luò )設備，不但要投入大量的資金，同時(shí)也會(huì )引起資源浪費。然而對等兩絡(luò )的建立，不但能把網(wǎng)絡(luò )中閑置的資源進(jìn)行有效的利用和組織，還能很好的應用共享計算，搜索引擎，分布式存儲等。因此文中為了便于研究對等網(wǎng)絡(luò )在各種醫學(xué)影像服務(wù)中的應用，特建立了一個(gè)醫學(xué)影像對等網(wǎng)絡(luò )通訊平臺。以便運用對等網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，解決在醫學(xué)影像服務(wù)系統建設中所遇到的各種問(wèn)題。

1 對等網(wǎng)絡(luò )的組織結構設計
醫學(xué)影像網(wǎng)絡(luò )建設首先要考慮其安全性、可靠性和穩定性。由于它是一種特殊的網(wǎng)絡(luò )。它連接著(zhù)各個(gè)醫院的影像系統，各醫院內部有很多獨立的子網(wǎng)絡(luò )構成，它在網(wǎng)絡(luò )上的運用都與醫學(xué)相關(guān)。按照網(wǎng)絡(luò )組織結構的特點(diǎn)和分類(lèi)可以看出：純分散式的網(wǎng)絡(luò )結構雖然能滿(mǎn)足安全性和穩定性的要求，但是不能滿(mǎn)足其可靠性的要求。因其在節點(diǎn)的發(fā)現與管理方面還有很大的難度，集中目錄式的網(wǎng)絡(luò )結構隨著(zhù)使用范圍的不同其在穩定性、可靠性和安全性方面也不一樣。當把醫學(xué)影像服務(wù)系統的應用范圍縮小到一個(gè)醫院時(shí)，隨著(zhù)節點(diǎn)規模的縮小，不但容易發(fā)現和管理節點(diǎn)，同時(shí)還能滿(mǎn)足安全性、可靠性與穩定性的需要，當把應用范圍擴大到多個(gè)醫院時(shí)，集中目錄式的網(wǎng)絡(luò )結構會(huì )因其節點(diǎn)規模的迅速擴大，中心服務(wù)器的負擔增加而受到嚴重的影響。文中通過(guò)對網(wǎng)絡(luò )組織結構的特點(diǎn)和分類(lèi)的分折引入了超級節點(diǎn)，提出了混合式的網(wǎng)絡(luò )結構，如圖1所示，以便減輕中心服務(wù)器負擔，從而大大提高網(wǎng)絡(luò )穩定性。

圖1是對醫學(xué)影像對等網(wǎng)絡(luò )組織結構的描述，由圖可知，對節點(diǎn)的管理除了中心服務(wù)器以外，各醫院內部也有一個(gè)超級節點(diǎn)負責對節點(diǎn)的管理。也可由超級節點(diǎn)組織產(chǎn)生集中目錄式的對等網(wǎng)絡(luò )，而不需要外部中心服務(wù)器的參與。因此，除了在醫院間建立對等通訊，需要中心服務(wù)器的參與外；若只是組建院內的對等通訊時(shí)，可直接由超級節點(diǎn)建立連接即可，而不需要中心服務(wù)器的參與。由此可知，醫學(xué)影像對等網(wǎng)絡(luò )組織結構不但提高了網(wǎng)絡(luò )的穩定性，通過(guò)超級節點(diǎn)的建立既能有效降低服務(wù)器的負擔，還保持了容易管理和發(fā)現節點(diǎn)的優(yōu)勢，滿(mǎn)足了醫學(xué)影像對等網(wǎng)絡(luò )的需求。

2 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的管理
對等網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)管理是建設醫學(xué)影像對等網(wǎng)絡(luò )通訊平臺的一項重要內容。它的好壞將會(huì )影響對等網(wǎng)絡(luò )的可靠性，它包括節點(diǎn)的加入處理、退出處理與相互發(fā)現處理。
2．1 節點(diǎn)的加入
節點(diǎn)加入是在網(wǎng)絡(luò )中某個(gè)節點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò )的過(guò)程，主要包括節點(diǎn)的索引列表更新、接入請求和新節點(diǎn)的加入通知3個(gè)方面。
1)節點(diǎn)的接入請求方面，新的節點(diǎn)應和哪一個(gè)超級節點(diǎn)相連是首先要確定的，本文采用的做法是：
①節點(diǎn)首次連接上網(wǎng)絡(luò )的情況下，中心服務(wù)器首先連接上節點(diǎn)，且節點(diǎn)通過(guò)中心服務(wù)器的選擇作用而轉接到最理想的超級節點(diǎn)上(大多是在相同的醫院內)，節點(diǎn)成功連接上超級節點(diǎn)以后，節點(diǎn)就可以把超級節點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò )信息記錄下來(lái)。
②再次當節點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò )時(shí)，中心服務(wù)器將不再參與，而是直接連到最近一次連接的超級節點(diǎn)。
③采用人為的方法以保證其有效性和穩定性，既保證該節點(diǎn)在線(xiàn)，同時(shí)還有不變的IP地址，通訊端口等網(wǎng)絡(luò )信息。
2)節點(diǎn)在索引列表更新和新節點(diǎn)的加入通知方面主要的處理內容有：
①若對等通訊只在院內使用時(shí)，只要把超級節點(diǎn)上的節點(diǎn)索引列表進(jìn)行更新即可，若收到新節點(diǎn)的連接請求時(shí)，把新節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )信息加入到節點(diǎn)的索引列表中，并把新節點(diǎn)的加入通知發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )中的其他節點(diǎn)。
②若醫院之間發(fā)生對等通訊時(shí)，不僅要更新本院的超級節點(diǎn)的節點(diǎn)列表，還要把節點(diǎn)的加入通知發(fā)送到中心服務(wù)器，并由它發(fā)送給參與對等通訊的其他各個(gè)醫院的超級節點(diǎn)，節點(diǎn)的加入任務(wù)由各個(gè)超級節點(diǎn)分別進(jìn)行處理。
2. 2 點(diǎn)退出
節點(diǎn)的退出包含兩個(gè)方面：即正常退出與異常退出。在節點(diǎn)正常退出時(shí)，它是由節點(diǎn)自身送退出通知到超級節點(diǎn)，并由超級節點(diǎn)實(shí)施節點(diǎn)退出任務(wù)；若異常退出時(shí)，在節點(diǎn)還未發(fā)出退出通知時(shí)就已經(jīng)失效了，這時(shí)各個(gè)節點(diǎn)的狀態(tài)由超級節點(diǎn)負責進(jìn)行檢測。
不管節點(diǎn)是異常退出還是正常退出，節點(diǎn)的退出處理都是由超級節點(diǎn)來(lái)執行的，主要有：
1)若只是在院內進(jìn)行對等通訊的話(huà)，僅僅將超級節點(diǎn)里的索引列表做更新就可以了，在檢測到有節點(diǎn)退出的情況下，只需要移除節點(diǎn)索引列表中的該節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )信息，并把節點(diǎn)的退出通知發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )中的其他節點(diǎn)。
2)若醫院間發(fā)生對等通訊的話(huà)，不但需要對本院的超級節點(diǎn)的節點(diǎn)連接做出更新，與此同時(shí)還需要保證中心服務(wù)器能夠接收到節點(diǎn)的退出通知，并由它發(fā)送給參與對等通訊的其他各個(gè)醫院的超級節點(diǎn)，節點(diǎn)的退出任務(wù)由各個(gè)超級節點(diǎn)分別進(jìn)行處理。
2．3 節點(diǎn)發(fā)現
當節點(diǎn)執行對等傳輸任務(wù)或者執行計算任務(wù)的情況下節點(diǎn)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )里另外的可以使用的對等節點(diǎn)做的搜索過(guò)程稱(chēng)為節點(diǎn)發(fā)現。
因為運用混合式網(wǎng)絡(luò )結構，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)狀態(tài)的管理與維護是由超級節點(diǎn)與中心服務(wù)器來(lái)執行的，所以節點(diǎn)的發(fā)現就比較容易，它有只執行醫院內和只執行醫院間對等任務(wù)兩種情況。

3 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的直接通訊方法
因IPv4地址的空間有限，為解決這一問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò )中采用了NAT的設備，它是通過(guò)共享少數的公網(wǎng)IP地址把私網(wǎng)IP地址的主機連接到公共網(wǎng)絡(luò )，但這也大大增加了對等網(wǎng)絡(luò )通訊的難度，容易引起處在不同區域的主機不能直接通訊。實(shí)際上目前大多數的NAT設備不但兼容了隔離與保護的防火墻的作用，還有地址轉換的作用。
3．1 常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間的區域關(guān)系
網(wǎng)絡(luò )里兩個(gè)節點(diǎn)相對于NAI設備的通訊關(guān)系就是網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間的區域關(guān)系，一般有下面5種情況：
1)兩個(gè)節點(diǎn)都有公網(wǎng)的IP地址：它們可通過(guò)各自的端口和公網(wǎng)IP直接進(jìn)行相互訪(fǎng)問(wèn)，兩節點(diǎn)之間沒(méi)有任何NAT設備。
2)兩個(gè)節點(diǎn)中一個(gè)有公網(wǎng)的IP地址，另一個(gè)在NAT后面，peer1節點(diǎn)有公網(wǎng)的端口與IP，Peer2節點(diǎn)擁有私網(wǎng)的端口和IP，它在NAT之后，若Peer2訪(fǎng)同公網(wǎng)時(shí)，則由NAT轉換成公網(wǎng)的端口與IP。因為NAT擁有保護隔離的作用，因此peer2可直接訪(fǎng)問(wèn)Peer1，但是Peer1不能直接訪(fǎng)問(wèn)Peer2。
3)兩節點(diǎn)在不同NAT的后面，其中NATI在Peer1的前面，Peer2在NAT2的后面，在訪(fǎng)問(wèn)公網(wǎng)時(shí)，它們都是經(jīng)過(guò)NAT來(lái)轉換端口和IP地址的，并受NAT的保護與隔離，所以?xún)烧咧g不能直接相互訪(fǎng)問(wèn)。
4)兩節點(diǎn)在相同的NAT的后面。IP地址與端口則由同一個(gè)NAT進(jìn)行轉換，轉換后雖然它們的端口不一樣，但是它們擁有相同的公網(wǎng)IP。NAT如果支持回環(huán)映射的話(huà)，那么通過(guò)NAT轉換后的公網(wǎng)端口與IP兩節點(diǎn)可互相訪(fǎng)問(wèn)。實(shí)際上，由于兩節點(diǎn)處在相同的內網(wǎng)，它們不需要NAT的參與，通過(guò)各自的私網(wǎng)端口與IP可直接進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。