徐剛
(西安交通大學(xué) 口腔醫(yī)院,陜西 西安 710004)
醫(yī)學(xué)影像服務(wù)系統(tǒng)擁有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性,并能滿足社會(huì)對(duì)醫(yī)學(xué)影像應(yīng)用的不同需求,由于醫(yī)學(xué)影像的數(shù)據(jù)量大,計(jì)算量也很大,因此醫(yī)學(xué)影像要建立高性能服務(wù)系統(tǒng)的關(guān)鍵是提高醫(yī)學(xué)影像的計(jì)算速度與傳輸速度[1]。但是投資高性能的計(jì)算機(jī)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,不但要投入大量的資金,同時(shí)也會(huì)引起資源浪費(fèi)。然而對(duì)等網(wǎng)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(yīng)用共享計(jì)算,搜索引擎,分布式存儲(chǔ)等[2]。因此文中為了便于研究對(duì)等網(wǎng)絡(luò)在各種醫(yī)學(xué)影像服務(wù)中的應(yīng)用,特建立了一個(gè)醫(yī)學(xué)影像對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái)。以便運(yùn)用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù),解決在醫(yī)學(xué)影像服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)中所遇到的各種問(wèn)題。
醫(yī)學(xué)影像網(wǎng)絡(luò)建設(shè)首先要考慮其安全性、可靠性和穩(wěn)定性。由于它是一種特殊的網(wǎng)絡(luò),它連接著各個(gè)醫(yī)院的影像系統(tǒng),各醫(yī)院內(nèi)部有很多獨(dú)立的子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,它在網(wǎng)絡(luò)上的運(yùn)用都與醫(yī)學(xué)相關(guān)[3]。按照網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和分類(lèi)可以看出:純分散式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)雖然能滿足安全性和穩(wěn)定性的要求,但是不能滿足其可靠性的要求 。因其在節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)與管理方面還有很大的難度,集中目錄式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨著使用范圍的不同其在穩(wěn)定性、可靠性和安全性方面也不一樣[4]。當(dāng)把醫(yī)學(xué)影像服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍縮小到一個(gè)醫(yī)院時(shí),隨著節(jié)點(diǎn)規(guī)模的縮小,不但容易發(fā)現(xiàn)和管理節(jié)點(diǎn),同時(shí)還能滿足安全性、可靠性與穩(wěn)定性的需要,當(dāng)把應(yīng)用范圍擴(kuò)大到多個(gè)醫(yī)院時(shí),集中目錄式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)因其節(jié)點(diǎn)規(guī)模的迅速擴(kuò)大,中心服務(wù)器的負(fù)擔(dān)增加而受到嚴(yán)重的影響[5]。文中通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和分類(lèi)的分析引入了超級(jí)節(jié)點(diǎn),提出了混合式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖1所示,以便減輕中心服務(wù)器負(fù)擔(dān),從而大大提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。
圖1 醫(yī)學(xué)影像對(duì)等網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)Fig.1 Medical imaging P2P network structure
圖1是對(duì)醫(yī)學(xué)影像對(duì)等網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)的描述,由圖可知,對(duì)節(jié)點(diǎn)的管理除了中心服務(wù)器以外,各醫(yī)院內(nèi)部也有一個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)節(jié)點(diǎn)的管理。也可由超級(jí)節(jié)點(diǎn)組織產(chǎn)生集中目錄式的對(duì)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(yī)院間建立對(duì)等通訊,需要中心服務(wù)器的參與外;若只是組建院內(nèi)的對(duì)等通訊時(shí),可直接由超級(jí)節(jié)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(yī)學(xué)影像對(duì)等網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)不但提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,通過(guò)超級(jí)節(jié)點(diǎn)的建立既能有效降低服務(wù)器的負(fù)擔(dān),還保持了容易管理和發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì),滿足了醫(yī)學(xué)影像對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的需求。
對(duì)等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理是建設(shè)醫(yī)學(xué)影像對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。它的好壞將會(huì)影響對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的可靠性,它包括節(jié)點(diǎn)的加入處理、退出處理與相互發(fā)現(xiàn)處理。
節(jié)點(diǎn)加入是在網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程,主要包括節(jié)點(diǎn)的索引列表更新、接入請(qǐng)求和新節(jié)點(diǎn)的加入通知3個(gè)方面。
1)節(jié)點(diǎn)的接入請(qǐng)求方面,新的節(jié)點(diǎn)應(yīng)和哪一個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)相連是首先要確定的,本文采用的做法是:
①節(jié)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(jié)點(diǎn),且節(jié)點(diǎn)通過(guò)中心服務(wù)器的選擇作用而轉(zhuǎn)接到最理想的超級(jí)節(jié)點(diǎn)上(大多是在相同的醫(yī)院內(nèi)),節(jié)點(diǎn)成功連接上超級(jí)節(jié)點(diǎn)以后,節(jié)點(diǎn)就可以把超級(jí)節(jié)點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò)信息記錄下來(lái)。
②再次當(dāng)節(jié)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(jí)節(jié)點(diǎn)。
③采用人為的方法以保證其有效性和穩(wěn)定性,既保證該節(jié)點(diǎn)在線,同時(shí)還有不變的IP地址,通訊端口等網(wǎng)絡(luò)信息。
2)節(jié)點(diǎn)在索引列表更新和新節(jié)點(diǎn)的加入通知方面主要的處理內(nèi)容有:
①若對(duì)等通訊只在院內(nèi)使用時(shí),只要把超級(jí)節(jié)點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)索引列表進(jìn)行更新即可,若收到新節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求時(shí),把新節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信息加入到節(jié)點(diǎn)的索引列表中,并把新節(jié)點(diǎn)的加入通知發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)。
②若醫(yī)院之間發(fā)生對(duì)等通訊時(shí),不僅要更新本院的超級(jí)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)列表,還要把節(jié)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(duì)等通訊的其他各個(gè)醫(yī)院的超級(jí)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的加入任務(wù)由各個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行處理。
節(jié)點(diǎn)的退出包含兩個(gè)方面:即正常退出與異常退出。在節(jié)點(diǎn)正常退出時(shí),它是由節(jié)點(diǎn)自身送退出通知到超級(jí)節(jié)點(diǎn),并由超級(jí)節(jié)點(diǎn)實(shí)施節(jié)點(diǎn)退出任務(wù);若異常退出時(shí),在節(jié)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(jié)點(diǎn)的狀態(tài)由超級(jí)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)進(jìn)行檢測(cè)。
不管節(jié)點(diǎn)是異常退出還是正常退出,節(jié)點(diǎn)的退出處理都是由超級(jí)節(jié)點(diǎn)來(lái)執(zhí)行的,主要有:
1)若只是在院內(nèi)進(jìn)行對(duì)等通訊的話,僅僅將超級(jí)節(jié)點(diǎn)里的索引列表做更新就可以了,在檢測(cè)到有節(jié)點(diǎn)退出的情況下,只需要移除節(jié)點(diǎn)索引列表中的該節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信息,并把節(jié)點(diǎn)的退出通知發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)。
2)若醫(yī)院間發(fā)生對(duì)等通訊的話,不但需要對(duì)本院的超級(jí)節(jié)點(diǎn)的節(jié)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(jié)點(diǎn)的退出通知,并由它發(fā)送給參與對(duì)等通訊的其他各個(gè)醫(yī)院的超級(jí)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的退出任務(wù)由各個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行處理。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行對(duì)等傳輸任務(wù)或者執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的情況下節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)里另外的可以使用的對(duì)等節(jié)點(diǎn)做的搜索過(guò)程稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)。
因?yàn)檫\(yùn)用混合式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的管理與維護(hù)是由超級(jí)節(jié)點(diǎn)與中心服務(wù)器來(lái)執(zhí)行的,所以節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)就比較容易,它有只執(zhí)行醫(yī)院內(nèi)和只執(zhí)行醫(yī)院間對(duì)等任務(wù)兩種情況。
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(shè)備,它是通過(guò)共享少數(shù)的公網(wǎng)IP地址把私網(wǎng)IP地址的主機(jī)連接到公共網(wǎng)絡(luò),但這也大大增加了對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通訊的難度,容易引起處在不同區(qū)域的主機(jī)不能直接通訊[6]。實(shí)際上目前大多數(shù)的NAT設(shè)備不但兼容了隔離與保護(hù)的防火墻的作用,還有地址轉(zhuǎn)換的作用。
網(wǎng)絡(luò)里兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于NAI設(shè)備的通訊關(guān)系就是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的區(qū)域關(guān)系[7],一般有下面5種情況:
1)兩個(gè)節(jié)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)行相互訪問(wèn),兩節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有任何NAT設(shè)備。
2)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中一個(gè)有公網(wǎng)的IP地址,另一個(gè)在NAT后面,peerl節(jié)點(diǎn)有公網(wǎng)的端口與IP,Peer2節(jié)點(diǎn)擁有私網(wǎng)的端口和IP,它在NAT之后,若Peer2訪問(wèn)公網(wǎng)時(shí),則由NAT轉(zhuǎn)換成公網(wǎng)的端口與IP。因?yàn)镹AT擁有保護(hù)隔離的作用,因此Peer2可直接訪問(wèn)Peerl,但是Peerl不能直接訪問(wèn)Peer2。
3)兩節(jié)點(diǎn)在不同NAT的后面,其中NATI在Peer1的前面,Peer2在NAT2的后面,在訪問(wèn)公網(wǎng)時(shí),它們都是經(jīng)過(guò)NAT來(lái)轉(zhuǎn)換端口和IP地址的,并受NAT的保護(hù)與隔離,所以?xún)烧咧g不能直接相互訪問(wèn)。
4)兩節(jié)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(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)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,那么通過(guò)NAT轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)端口與IP兩節(jié)點(diǎn)可互相訪問(wèn)。實(shí)際上,由于兩節(jié)點(diǎn)處在相同的內(nèi)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)行訪問(wèn)。
5)兩節(jié)點(diǎn)在多級(jí)NAT的后面時(shí),服務(wù)器只了解與之最近NAT的網(wǎng)絡(luò)信息,依據(jù)其最外層NAT是否一樣,可分如圖2所列的兩種情況。
圖2(a)顯示了最外層NAT處在不同節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系,因它類(lèi)似于上面的第3種情況,因此它們不能進(jìn)行直接訪問(wèn)。圖2(b)顯示了最外層NAT處于相同節(jié)點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系,因它類(lèi)似于上面的第4種情況,所以通過(guò)各自的私網(wǎng)端口和IP兩節(jié)點(diǎn)不能相互訪問(wèn)。
通過(guò)分析網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域關(guān)系可知,當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)都在同一個(gè)NAT的后面或都擁有公網(wǎng)IP時(shí),它們之間才能進(jìn)行直接的對(duì)等通訊,否則兩節(jié)點(diǎn)就不能進(jìn)行直接的對(duì)等通訊。
圖2 兩節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系Fig.2 Network relationship between two peers
因目前大部分的NAT設(shè)備支持UDP穿洞技術(shù),在建立兩節(jié)點(diǎn)的直接通訊時(shí),讓連接的雙方都從內(nèi)部發(fā)出請(qǐng)求,并通過(guò)一個(gè)擁有公網(wǎng)IP地址的服務(wù)器來(lái)連接介紹,以便避開(kāi)NAT的隔離保護(hù)。所以把UDP作為其基本的通訊協(xié)議,在建立節(jié)點(diǎn)索引列表時(shí)要求中心服務(wù)器或超級(jí)節(jié)點(diǎn),按照UDP穿洞技術(shù)的要求,不但要記錄公網(wǎng)的端口和IP地址,還要記錄節(jié)點(diǎn)的私網(wǎng)端口和IP地址。
假如分別用變量Peer1與Peer2來(lái)表示節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信息,用結(jié)構(gòu)體來(lái)定義節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信息,就可使用用下面C++偽代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直接通訊。
以下兩種情況是在兩節(jié)點(diǎn)的私網(wǎng)IP與端口嘗試進(jìn)行時(shí)適用的:
1)若節(jié)點(diǎn)在本機(jī)和服務(wù)器上的端口與IP地址相同,說(shuō)明其采用的是公網(wǎng)的地址空間。兩節(jié)點(diǎn)如果都采用公網(wǎng)的地址空間那么這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)就可通過(guò)私網(wǎng)或公網(wǎng)的端口和IP地址進(jìn)行直接通訊。
2)若兩節(jié)點(diǎn)的外部IP是相同的,則表明兩節(jié)點(diǎn)最外層的NAT是相同的。若兩節(jié)點(diǎn)在不是多級(jí)NAT而是處在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的情況下,就可通過(guò)節(jié)點(diǎn)的私網(wǎng)端口和IP地址直接進(jìn)行通訊。
由此可見(jiàn),這兩種情況都可通過(guò)統(tǒng)一使用本地的通訊函數(shù)嘗試直接建立連接,至少可通過(guò)各自的私網(wǎng)端口和IP地址進(jìn)行通訊,并用C++偽代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊的過(guò)程中,若嘗試采用兩節(jié)點(diǎn)的私網(wǎng)端口與IP連接通訊的方式失敗時(shí),則要嘗試運(yùn)用UDP穿透技術(shù)。由于NAT具有保護(hù)與隔離的作用,所以在一般情況下只有內(nèi)部主機(jī)才能訪問(wèn)外部主機(jī),而外部主機(jī)則只能沿著內(nèi)部主機(jī)發(fā)起的連接線路來(lái)訪問(wèn)發(fā)起連接的主機(jī),即通過(guò)逆向連接的方式來(lái)訪問(wèn)內(nèi)部特定的節(jié)點(diǎn),因此需要兩節(jié)點(diǎn)一起從內(nèi)部發(fā)起連接,并通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行中介,才能實(shí)現(xiàn)直接通訊。
若以上兩種情況皆不成功的話,那么就可以判斷出兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在不具有UDP穿透技術(shù)的NAT和設(shè)備以及別的因素,造成兩節(jié)點(diǎn)之間不能直接通訊。本文作者使用服務(wù)器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方法,來(lái)保證對(duì)等任務(wù)的成功運(yùn)行。在運(yùn)用混合式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下,只需對(duì)等網(wǎng)絡(luò)能夠被節(jié)點(diǎn)順利連接就說(shuō)明節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器之間的通訊是正常的。
如果兩節(jié)點(diǎn)之間想建立通訊時(shí),例如Peer1想聯(lián)系PeerZ時(shí),Peer1只需要把數(shù)據(jù)發(fā)送給中心服務(wù)器,然后由中心服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給PeerZ就可以了,然而在通訊過(guò)程中服務(wù)器都需要參與,會(huì)進(jìn)一步加大服務(wù)器的負(fù)擔(dān),所以應(yīng)盡量減少使用。其實(shí)這種服務(wù)器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方式在現(xiàn)實(shí)生活中已很少采用,因目前UDP穿透技術(shù)很多的NAT設(shè)備都支持。
醫(yī)學(xué)影像服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)。
圖3 醫(yī)學(xué)影像服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)Fig.3 Application architecture of medical imaging system
由圖3醫(yī)學(xué)影像服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)可知,對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái)是集圖像檢索服務(wù)、DICOM傳輸服務(wù)與影像會(huì)診服務(wù)等醫(yī)學(xué)影像服務(wù)為基礎(chǔ)的平臺(tái),它是以應(yīng)用程序接口的方式為其他影像服務(wù)程序提供通訊管理與節(jié)點(diǎn)管理的功能,并負(fù)責(zé)連接管理網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī),以便實(shí)現(xiàn)其他醫(yī)學(xué)影像對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。
筆者以醫(yī)學(xué)影像對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái)為基礎(chǔ),建立了醫(yī)學(xué)影像遠(yuǎn)程會(huì)診系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)會(huì)診系統(tǒng))。在醫(yī)學(xué)影像遠(yuǎn)程會(huì)診系統(tǒng)中,當(dāng)會(huì)診的用戶(hù)連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí),中心服務(wù)器將自動(dòng)下載在線用戶(hù)列表,使得用戶(hù)可以清晰的看到在線用戶(hù)的狀態(tài),若需要在線會(huì)診時(shí),依據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊連接的建立方式,有其中的一個(gè)會(huì)診用戶(hù)發(fā)出請(qǐng)求,經(jīng)由服務(wù)器輔助建立起兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的直接會(huì)診通訊。
在會(huì)診系統(tǒng)中通過(guò)醫(yī)學(xué)影像對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了視頻對(duì)話、雙向語(yǔ)音、電子教鞭、DICOM影像同步顯示與操作等會(huì)診功能,從而使得會(huì)診參與的雙方雖然處在不同的位置也能感受到現(xiàn)場(chǎng)影像討論的效果。
文中通過(guò)建立醫(yī)學(xué)影像對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái),針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接通訊與節(jié)點(diǎn)管理兩個(gè)方面提出了具體的解決方案,通過(guò)會(huì)診系統(tǒng)的成功使用可知,在實(shí)現(xiàn)其他對(duì)等任務(wù)方面醫(yī)學(xué)影像對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái)提供了很大的方便,它也可當(dāng)作其他對(duì)等應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺(tái)。
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