軟件定義網(wǎng)絡的發(fā)展及其在醫(yī)院網(wǎng)絡中的應用

周晨爍，魏德健，曹慧

山東中醫(yī)藥大學 理工學院，山東 濟南 250355

軟件定義網(wǎng)絡的發(fā)展及其在醫(yī)院網(wǎng)絡中的應用

周晨爍，魏德健，曹慧

山東中醫(yī)藥大學 理工學院，山東 濟南 250355

隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，醫(yī)院的網(wǎng)絡系統(tǒng)也趨于復雜，主要存在管理困難、安全性低、更新復雜等問題。軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN）通過使數(shù)據(jù)平面和控制平面分離，提高了網(wǎng)絡的靈活性和擴展性，把SDN應用到醫(yī)院網(wǎng)絡中能很好的解決醫(yī)院網(wǎng)絡的問題。因此，本文首先對SDN體系進行了簡單的介紹，包括SDN的基本體系與關鍵組件。其次，結合國內(nèi)外的研究進展，本文綜述了SDN在醫(yī)院網(wǎng)絡中的應用現(xiàn)狀，并總結了醫(yī)院網(wǎng)絡現(xiàn)存的問題以及解決辦法。最后，本文對未來SDN在醫(yī)院中的應用做出了展望。

軟件定義網(wǎng)絡；OpenFlow交換機；醫(yī)院網(wǎng)絡；網(wǎng)絡安全；SDN控制器

引言

現(xiàn)如今，網(wǎng)絡已經(jīng)成為醫(yī)院、商業(yè)、家庭、學校等地方的一個重要基礎設施。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡結構較為僵化，由大量的網(wǎng)絡硬件設備組成，如路由器、交換機、防火墻等，這些設備都具有許多復雜的協(xié)議，控制平面和數(shù)據(jù)平面都緊密耦合在這些網(wǎng)絡設備上[1]，網(wǎng)絡工程師需要配置策略來應對各種網(wǎng)絡事件和應用場景，而他們只能通過非常有限的工具來完成這些復雜的任務。因此，網(wǎng)絡管理控制和性能調(diào)優(yōu)具有很大的挑戰(zhàn)性并且出錯率較高。

另一方面，現(xiàn)在網(wǎng)絡更新?lián)Q代非?？?，更換大量硬件會耗費許多時間和精力，而如果能用軟件來定義網(wǎng)絡，只需要升級軟件就能完成對網(wǎng)絡的更新，所以為了解決現(xiàn)有網(wǎng)絡的僵化問題，軟件定義網(wǎng)絡（Software De fined Network，SDN）技術應運而生。2006年，SDN誕生于美國GENI項目資助的斯坦福大學Clean Slate課題[2]，以斯坦福大學Nick McKeown教授為首的研究團隊提出了OpenFlow的概念，用于校園網(wǎng)絡的試驗創(chuàng)新，后續(xù)基于OpenFlow給網(wǎng)絡帶來可編程的特性，SDN的概念被提出。Clean Slate項目的最終目的是要重新配置互聯(lián)網(wǎng)，僅僅改變設計并不能滿足當前發(fā)展，且難以進化發(fā)展現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎架構。

2009年，SDN概念入圍Technology Review年度十大前沿技術[3]。2011年，在Nick Mckeown教授等人的推動下，開放網(wǎng)絡基金會（Open Networking Foundation，ONF）[4]成立，ONF主要引導最新的SDN的研究，致力于推動SDN架構、技術的發(fā)展工作，規(guī)范SDN架構的關鍵元素如OpenFlow等。這種新型的網(wǎng)絡架構將網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)平面與控制平面分離開來，數(shù)據(jù)平面主要負責數(shù)據(jù)的轉發(fā)，而控制平面負責制定相應的轉發(fā)規(guī)則并指導數(shù)據(jù)平面。通過使流量和接口具有編程性，SDN網(wǎng)絡可以比傳統(tǒng)網(wǎng)絡更加的靈活和有效。把SDN應用到醫(yī)療系統(tǒng)中，醫(yī)院或其他機構的網(wǎng)絡系統(tǒng)能獲得前所未有的可編程性、自動化和網(wǎng)絡控制，也使他們能夠構建高度可伸縮的、靈活的網(wǎng)絡，迅速適應不斷變化的業(yè)務需求。本文先介紹了SDN的結構及組成，然后探討了其在醫(yī)院網(wǎng)絡中的應用，最后對SDN的發(fā)展做出了展望。

1 SDN體系

有研究者對SDN的整體結構做出了具體的調(diào)查研究[5-7]。目前主流SDN技術是以OpenFlow為基礎的，OpenFlow是第一個專門為SDN所設計的標準化接口，它能提供高性能和細粒度的流量控制。

1.1 SDN的基本結構

SDN的基本結構主要分為3層：最上層是應用層，中間是控制層，最下層是基礎設施層，SDN的框架，見圖1[6]。

圖1 SDN的框架

應用層包括各種不同的業(yè)務和應用；控制層包含SDN控制器，主要負責處理數(shù)據(jù)平面資源的編排，維護網(wǎng)絡拓撲、狀態(tài)信息等；基礎設施層負責基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉發(fā)和狀態(tài)收集，由網(wǎng)絡元素和裝置組成，包含了特定的轉發(fā)平面抽象。在此結構中網(wǎng)絡信息被集中在SDN控制器的軟件上，控制器可以維護網(wǎng)絡的全局視圖。應用SDN，企業(yè)和運營商可以獲得獨立于供應商的一個單一邏輯點來控制整個網(wǎng)絡，從而大大簡化了網(wǎng)絡設計及操作。同時，SDN也簡化了網(wǎng)絡設備本身，因為它們不再需要處理成千上萬的協(xié)議標準，只需要SDN控制器的指令就可以了[7]。

除了這3大層面，SDN的整體結構中還包含兩個接口[8]：北向接口和南向接口。連接控制層與應用層的是北向API（Application Program Interface）接口，它是應用層上各種業(yè)務的運營商控制網(wǎng)絡的渠道，運營商能以軟件編程網(wǎng)絡的形式調(diào)用網(wǎng)絡資源，同時它也是控制器向上層業(yè)務應用開放的接口，通常稱為開放的API接口，SDN向上提供網(wǎng)絡資源，上層網(wǎng)絡的業(yè)務應用可以通過北向接口控制整個網(wǎng)絡資源的狀態(tài)。連接控制層與基礎設施層的是南向接口，ONF在SDN的南向接口上定義了開放的OpenFlow協(xié)議，允許交換機與控制器間的通信，南向接口除了OpenFlow，還有ForCES[9]、POF[10]、OpenState[11]等。

1.2 SDN的關鍵組件

SDN的關鍵組件有兩個：一個是OpenFlow交換機；另一個是SDN控制器。

1.2.1 OpenFlow交換機

OpenFlow交換機是基于以太網(wǎng)的交換機，它內(nèi)部帶有流表和一個用來增加或刪除流條目的標準化接口。OpenFlow交換機負責數(shù)據(jù)的轉發(fā)，主要由3部分組成：流表、安全信道和OpenFlow協(xié)議[12]。

流表告訴交換機如何產(chǎn)生流量；安全信道是連接交換機與控制器的接口，可以使指令和數(shù)據(jù)包在控制器與交換機之間傳送；OpenFlow協(xié)議則是提供控制器與交換機的交流方法，用來描述控制器和OpenFlow交換機之間交互信息的接口標準。它們之間的關系是交換機運行OpenFlow協(xié)議，基于流表轉發(fā)數(shù)據(jù)，并通過安全信道連接控制器。每個流表由很多流條目組成，它由頭域、計數(shù)器和操作組成。頭域有10個元祖，是流條目的標識，計數(shù)器用來收集不同流的統(tǒng)計信息，操作可以將數(shù)據(jù)包轉發(fā)到指定的端口，頭域用作流表的查找，當每個數(shù)據(jù)包匹配到流條目時，計數(shù)器就會隨之更新。

1.2.2 SDN控制器

控制器可以添加或 移除流表的流條目，它是SDN的核心，負責對底層網(wǎng)絡設備的統(tǒng)一控制，訪問底層設備的所有資源，當傳入的數(shù)據(jù)包在交換機上和一個流條目相匹配時，交換機會更新計數(shù)器并應用相應的動作，如果數(shù)據(jù)包沒有匹配到流條目，它將會被送到控制器去處理。對于不同的業(yè)務，控制器也會給不同的業(yè)務給予不同粒度的訪問權限，從而對流進行不同程度的處理，實現(xiàn)對流的操作。

NOX是斯坦福大學在2008年提出的最早的OpenFlow控制器，它有C++和Python這兩種語言，相比早期版本的NOX，現(xiàn)在的NOX由于增加了多線程的支持，其性能得到極大的提升[13]?？刂破魈峁┫鄳木幊探涌冢_發(fā)人員可以使用C++或者Python語言在這些接口上實現(xiàn)自己的應用。NOX整體結構是由一組OpenFlow交換機，一個運行NOX控制器的服務器和一個包含整個網(wǎng)絡視圖的數(shù)據(jù)庫組成，NOX軟件在這些服務器上運行，它可以構建網(wǎng)絡視圖，并且決定是否轉發(fā)流量，如果轉發(fā)流量，然后決定選擇哪個協(xié)議。NOX的網(wǎng)絡視圖包括交換層面的拓撲結構，用戶位置，主機和其它網(wǎng)絡元素，還有一些所提供的服務。

目前，控制器除了NOX還有Maestro[14]、Beacon[15]、Onix[16]等，但應用最廣泛的還是NOX。在應用NOX的OpenFlow中，OpenFlow是操作實體，NOX是控制核心，能對網(wǎng)絡進行更好的管理，為OpenFlow網(wǎng)絡提供通用的API基礎控制平臺。

2 SDN在醫(yī)院網(wǎng)絡中的應用

2.1 國內(nèi)醫(yī)院網(wǎng)絡現(xiàn)狀

國內(nèi)醫(yī)院的網(wǎng)絡大體分為兩塊，分別是內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)[17]。內(nèi)網(wǎng)主要是完整的醫(yī)療信息系統(tǒng)，它是醫(yī)院網(wǎng)絡的核心，包括醫(yī)院信息系統(tǒng)、實驗室信息管理系統(tǒng)、醫(yī)學影像存檔與通訊系統(tǒng)和放射信息管理系統(tǒng)。內(nèi)網(wǎng)是承載醫(yī)院信息化業(yè)務應用系統(tǒng)的網(wǎng)絡，為醫(yī)療系統(tǒng)提供基本的網(wǎng)絡環(huán)境，是關鍵業(yè)務網(wǎng)絡。外網(wǎng)是指一般的互聯(lián)網(wǎng)，是為醫(yī)護人員、患者提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務的網(wǎng)絡，用于瀏覽網(wǎng)頁和資料查詢等，它是非關鍵業(yè)務網(wǎng)絡。醫(yī)院的內(nèi)外網(wǎng)有兩種模式，分別是內(nèi)外合一和內(nèi)外分離[18]，這兩種模式都有各自的優(yōu)缺點。內(nèi)外網(wǎng)合一是指醫(yī)院的內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)被設為一個整體，這一整套網(wǎng)絡包含著醫(yī)院的醫(yī)療信息業(yè)務，同時為工作人員和病人提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務。它的優(yōu)點是網(wǎng)絡建設方便，不需要復雜的設施，防火墻等設備也不用分開布置，節(jié)約成本，進行維護維修時也比較方便。但同樣的它的缺點也比較明顯，因為與外網(wǎng)合并，內(nèi)網(wǎng)存在的網(wǎng)絡信息安全風險要比單一的內(nèi)網(wǎng)大許多。內(nèi)外網(wǎng)分離指的是內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)作為兩套網(wǎng)絡相互獨立的存在，分別提供各自的服務，兩套網(wǎng)絡都有自己的交換機、路由器等設備。這種模式最大的優(yōu)點就是保護了醫(yī)院數(shù)據(jù)信息的安全，內(nèi)網(wǎng)只供本院工作人員及醫(yī)護人員使用，外人無法訪問此網(wǎng)絡。缺點是獨立建設兩套網(wǎng)絡成本開銷增加，路由器等關鍵設備得分別配備，后期維護也比另一種模式更為復雜。

因為醫(yī)療數(shù)據(jù)信息需要極大的保護，目前國內(nèi)大部分醫(yī)院采用的是內(nèi)外網(wǎng)分離模式，內(nèi)網(wǎng)僅供本院的醫(yī)護工作人員使用。但由于移動醫(yī)療的發(fā)展，網(wǎng)上掛號、遠程會診等技術的出現(xiàn)，醫(yī)院網(wǎng)絡還需考慮病患等外部人員的接入，整個網(wǎng)絡的接入情況隨之變得復雜，安全問題也變得極其重要。國內(nèi)醫(yī)院對網(wǎng)絡安全問題作出了相應的解決措施，如虛擬局域網(wǎng)（VLAN）劃分[19]，按地理位置業(yè)務功能等進行VLAN劃分，并控制它們之間的訪問；引入CA認證服務[20]，在醫(yī)院信息系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)數(shù)字簽名服務，對醫(yī)療數(shù)據(jù)進行加密、認證，加強了信息安全；引用虛擬化技術[21]，應用了虛擬化的網(wǎng)絡系統(tǒng)，數(shù)據(jù)信息不經(jīng)過授權是無法訪問的，確保數(shù)據(jù)的安全性。此外，醫(yī)院網(wǎng)絡趨于復雜，也就越來越難管理，會出現(xiàn)網(wǎng)絡連接故障和網(wǎng)絡堵塞等問題[22]。醫(yī)院設備不斷更新補足，新設備連接到網(wǎng)絡需要進行復雜的設置和重新布線[23]，增加了管理工作量也提高了成本。

2.2 醫(yī)院網(wǎng)絡問題的解決方法

綜合以上問題及解決措施，把SDN應用到醫(yī)院網(wǎng)絡，是解決醫(yī)院網(wǎng)絡問題的一個很好的方法（圖2）。

圖2 應用SDN的醫(yī)院網(wǎng)絡

在此結構中，每個科室部門都可以創(chuàng)建自己的虛擬局域網(wǎng)絡（Virtual Local Area Network，VLAN），對科室進行基于端口的VLAN劃分，由于一個端口就是一個獨立的局域網(wǎng)，所以當數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳輸?shù)臅r候，交換機就不會把數(shù)據(jù)包轉發(fā)給其他的端口，如果用戶需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到其他的虛擬局域網(wǎng)中，就需要先由交換機發(fā)往路由器，再由路由器發(fā)往其他端口，這樣就對數(shù)據(jù)信息加強了保護。整個網(wǎng)絡基礎設施可以形象化，加強了網(wǎng)絡的管控和監(jiān)控，給醫(yī)院網(wǎng)絡帶來高度的靈活性和安全性。在新設備進行連接時，OpenFlow交換機能應用適當?shù)膮f(xié)議，不必進行復雜的設置，實現(xiàn)了連接的通用性，簡便了設備更新時所帶來的問題。

2012年，日本的Kanazawa University Hospital在他們醫(yī)院新建的臨床科室和教員室內(nèi)引進了SDN網(wǎng)絡，作為醫(yī)院的內(nèi)部局域網(wǎng)，OpenFlow交換機和控制器由NEC公司所提供，此外，NEC公司還在Nagoya City University Hospital及Keio University Hospital這兩家醫(yī)院內(nèi)應用了SDN網(wǎng)絡[24]。在國內(nèi)，華為公司是第一個提出把SDN應用到醫(yī)院網(wǎng)絡中的公司，他們設計了敏捷網(wǎng)絡[25-27]，在醫(yī)療機構的有線、無線、外網(wǎng)3張網(wǎng)上面增加了敏捷控制器，控制器的出現(xiàn)將網(wǎng)絡的管理和數(shù)據(jù)轉發(fā)分層，控制器能夠管理全網(wǎng)的設備，所有的網(wǎng)絡虛擬成一臺超級交換機，接入層的交換機零配置部署。敏捷網(wǎng)絡能夠為不同的用戶、不同的設備、不同的接入地點定制不同的接入權限、帶寬、服務質(zhì)量等。華為敏捷網(wǎng)絡已應用于國內(nèi)多家三甲醫(yī)院，并不斷推動創(chuàng)新，為醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)提供更好的解決方案。

SDN在醫(yī)院網(wǎng)絡的應用綜合了內(nèi)外網(wǎng)合一與分離兩種模式的優(yōu)點，它提升了醫(yī)院網(wǎng)絡的靈活性和安全性，在邏輯上實現(xiàn)了網(wǎng)絡的集中控制與管理。我們對它作出以下兩方面的展望：一方面SDN將會提高硬件資源效率，運營商可以部署通用的硬件和軟件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的價格昂貴的設備，對網(wǎng)絡進行更新?lián)Q代時也不必進行大量的硬件設備的升級，這樣可以節(jié)省運營商的一大筆開銷并提高效率；另一方面SDN將會提高服務的靈活性，用軟件來定義服務，控制層與數(shù)據(jù)層的分離，使網(wǎng)絡能夠靈活的提供各種服務。但隨著應用范圍的不斷擴大和網(wǎng)絡流量的增加，網(wǎng)絡擁塞、帶寬不足等問題也會隨之出現(xiàn)，這將降低醫(yī)療應用的質(zhì)量。國內(nèi)SDN技術還處于初級研究階段，同時醫(yī)院的數(shù)字化也不夠普遍，所以使SDN廣泛的應用于醫(yī)院網(wǎng)絡還需要一定的時間。

3 總結與展望

無論在校園、企業(yè)、醫(yī)院網(wǎng)絡中，SDN技術的廣泛應用都給我們的生活帶來許多便利，它是一種新興的網(wǎng)絡架構，它的集中控制和軟件編程特性給網(wǎng)絡帶來巨大的變革，但由于SDN技術發(fā)展不久，很多方面都需要完善提高，如OpenFlow協(xié)議的完善、傳統(tǒng)網(wǎng)絡與SDN網(wǎng)絡的共存問題等等。SDN在醫(yī)院網(wǎng)絡中的成功應用，也使得它在醫(yī)療的發(fā)展中有著光明前景，不過目前SDN在醫(yī)療系統(tǒng)中還沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范，SDN如果想廣泛的應用到醫(yī)院網(wǎng)絡，也有許多要改進的地方，如網(wǎng)絡安全、可兼容性、可擴展性等問題。我們要發(fā)揮好SDN的優(yōu)勢，不斷提高它的安全性和靈活性，使其更好的在醫(yī)院網(wǎng)絡中發(fā)展。

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本文編輯 王婷

Development and Application of Software De fined Network in Hospital Network

ZHOU Chenshuo, WEI Dejian, CAO Hui
Institute of Science and Technology, Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan Shandong 250355, China

With the development of network technology, the hospital network system tends to be complex, which raises a series of problems, such as the management dif ficulty of hospital network, low safely, update complexity and so on. Software de fined network (SDN) improved the flexibility and extensibility of the network by making the data plane and control plane separation. The problems of network can be solved well as SDN is applied to hospital network. In the present study, first of all, the SDN system, including the basic system and key components of SDN, was brie fly introduced. Secondly, based on the research progress of SDN at home and abroad, this paper stated the application status of SDN in hospital network, and summarized the existing problems and solving methods of the hospital network. Finally, this paper made an outlook on the application situation of the SDN in the future.

software de fined network; OpenFlow interchanger; hospital network; network security; SDN controller

TP393

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.09.026

1674-1633(2017)09-0103-04

2017-03-15

2017-03-26

國家自然基金面上項目（81473708）；山東省高?？蒲邪l(fā)展計劃項目（J15LN21）

曹慧，教授，主要研究方向為醫(yī)學虛擬現(xiàn)實，醫(yī)學信息處理與分析。

通訊作者郵箱：2971128627@qq.com