郝尚永

承載PACS的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造設(shè)計(jì)與實(shí)踐

郝尚永

目的：為適應(yīng)影像歸檔與傳輸系統(tǒng)（picture archiving and communication systems，PACS）的建設(shè)需要，利用萬(wàn)兆以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，對(duì)醫(yī)院原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)改造。方法：通過對(duì)某院網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和PACS網(wǎng)絡(luò)需求的分析，設(shè)計(jì)了萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造3個(gè)方案，通過綜合對(duì)比分析3個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際情況和預(yù)算按照第3方案進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)改造的實(shí)施。結(jié)果：滿足了PACS萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)的需要，從整體上消除了網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)的可靠性、安全性以及可擴(kuò)展性。結(jié)論：萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造為醫(yī)院提供了高帶寬、高穩(wěn)定性和高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

影像歸檔與傳輸系統(tǒng)；萬(wàn)兆以太網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)性能；網(wǎng)絡(luò)改造

0 引言

為提高診療效率、提升綜合競(jìng)爭(zhēng)力，隨著醫(yī)院信息化建設(shè)水平的不斷提高，我院開始實(shí)施全院級(jí)的影像歸檔與傳輸系統(tǒng)（picture archiving and communication systems，PACS）。由于PACS主要傳輸圖像和視頻信息，其需要處理和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比傳統(tǒng)醫(yī)院信息系統(tǒng)（hospital information system，HIS）中傳輸?shù)奈谋拘畔⒍喑鰩资踔翑?shù)百倍，因此對(duì)承載PACS應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提出更高要求，即承載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在性能、高可用性、安全性、可擴(kuò)展能力以及可管理性等方面均要有所加強(qiáng)，以保證PACS順利實(shí)施[1]。

1 醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

我院的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)始建于1996年，為百兆主干網(wǎng)絡(luò)，于2007年新的住院大樓投入使用時(shí)進(jìn)行了改造升級(jí)，網(wǎng)絡(luò)主干采用千兆以太網(wǎng)技術(shù)。當(dāng)時(shí)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，考慮了未來(lái)隨著應(yīng)用發(fā)展對(duì)設(shè)備擴(kuò)展能力的要求，所選用的核心設(shè)備采用模塊化的體系結(jié)構(gòu)，能夠支持10 GE（萬(wàn)兆）技術(shù)，現(xiàn)有核心設(shè)備采用雙機(jī)雙引擎結(jié)構(gòu)，通過冗余的光纖鏈路連接分布在各個(gè)分配線間的接入交換機(jī)，并且采用了多種保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高可用的技術(shù)手段。內(nèi)網(wǎng)整體采用動(dòng)態(tài)開放式最短路徑優(yōu)先（open shortest path first，OSPF）路由模式，雙核心采用HSRP（熱備份路由器協(xié)議）雙機(jī)設(shè)備保證雙鏈路的冗余穩(wěn)定。我院網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)現(xiàn)狀如圖1所示。

2 PACS網(wǎng)絡(luò)帶寬計(jì)算

PACS主要存儲(chǔ)和傳輸醫(yī)療影像數(shù)據(jù)，包括超聲（ultrasonic，US）、電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、計(jì)算機(jī)X線成像（computed radiog raphy，CR）、數(shù)字化 X線攝影（digital radiography，DR）等，這些圖像的數(shù)據(jù)量一般都比較大。表1是這些圖像數(shù)據(jù)的常見大小和分別在快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)上的傳輸時(shí)間，根據(jù)實(shí)際情況，其中可用帶寬均按理論帶寬的50%計(jì)算（以太網(wǎng)本身的特點(diǎn)決定）。

由于很多設(shè)備支持將圖像進(jìn)行無(wú)損壓縮后的傳輸，因此大部分設(shè)備上傳PACS服務(wù)器都可以控制在10 s以內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生過多的網(wǎng)絡(luò)瓶頸[2]。但在閱片時(shí)，如果同一時(shí)刻內(nèi)有很多閱片工作站（假定高峰時(shí)為20個(gè)）從PACS服務(wù)器上下載圖像數(shù)據(jù)，線速的百兆端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為0.1488Mpps，調(diào)閱1個(gè)40MB的圖像數(shù)據(jù)時(shí)，需要大約6 s，因此在使用百兆帶寬時(shí)，打開一個(gè)圖像的時(shí)間會(huì)超過1 min或更長(zhǎng)，這在實(shí)際應(yīng)用時(shí)幾乎是無(wú)法忍受的。因此，通過計(jì)算使PACS達(dá)到良好的使用效果，千兆的端口帶寬需求是必須的。

圖1 我院網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)現(xiàn)狀拓?fù)鋱D

表1 常見醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)量和傳輸時(shí)間

通過調(diào)研，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中已上線的PACS比較普遍的均是使用千兆以太網(wǎng)連接工作站。而在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的參考規(guī)范中，主干帶寬往往要求比接入帶寬大一個(gè)數(shù)量級(jí)[3]。因此，在我院PACS承載網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，計(jì)劃采用千兆以太網(wǎng)技術(shù)連接接入工作站，采用大一個(gè)數(shù)量級(jí)的10 GE以太網(wǎng)作為主干傳輸技術(shù)。

3 PACS承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案

針對(duì)PACS對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，計(jì)劃采用如下3種具體方法設(shè)計(jì)PACS承載網(wǎng)絡(luò)。

3.1 方案1：PACS單獨(dú)構(gòu)建承載網(wǎng)

在本方案中，在現(xiàn)有核心設(shè)備Cisco 7609上配置1塊8端口10 GE接口卡。在PACS服務(wù)器前端，增加2臺(tái)PACS專用的核心交換機(jī)Catalyst 4506E，在其上配置1塊24口千兆光接口板用于連接各個(gè)PACS服務(wù)器，另外配置1塊6口10 GE接口卡用于上聯(lián)核心Cisco 7609和下聯(lián)分布在放射科室的接入交換機(jī)。在放射科室，用能夠支持10 GE上聯(lián)的Catalyst 3750E或Catalyst 3560E替換現(xiàn)有的Catalyst 2960，通過千兆以太網(wǎng)連接PC終端。本方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

采用此方案明顯的優(yōu)勢(shì)在于為PACS構(gòu)建了單獨(dú)的承載網(wǎng)絡(luò)，使PACS相對(duì)物理獨(dú)立于其他應(yīng)用，能夠保證PACS的數(shù)據(jù)流量單獨(dú)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，不給核心設(shè)備增加額外的負(fù)荷，而且可用性較高，可以保證即使出現(xiàn)2臺(tái)核心交換機(jī)同時(shí)故障的極端情況，PACS也不會(huì)受到影響[4]。

圖2 PACS單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

采用此方案的缺點(diǎn)在于設(shè)備投入較大，因?yàn)樾枰~外增加2臺(tái)PACS核心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

3.2 方案2：PACS承載網(wǎng)共用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

在本方案中，在現(xiàn)有核心設(shè)備Cisco 7609上配置1塊8端口10 GE接口卡。在PACS服務(wù)器前端，增加2臺(tái)PACS專用的核心交換機(jī)Catalyst 4506E，在其上配置1塊24口千兆光接口板用于連接各個(gè)PACS服務(wù)器，通過引擎上自帶的2個(gè)10 GE端口上聯(lián)核心Cisco 7609。在放射科室，用能夠支持10 GE上聯(lián)的Catalyst 3750E或Catalyst 3560E替換現(xiàn)有的Catalyst 2960，通過10 GE上聯(lián)端口連接到核心設(shè)備，通過千兆以太網(wǎng)連接PC終端。本方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

采用此方案的優(yōu)勢(shì)在于為PACS構(gòu)建了單獨(dú)的承載網(wǎng)絡(luò)，使PACS相對(duì)邏輯獨(dú)立于其他應(yīng)用，利用核心設(shè)備的高性能指標(biāo)保證PACS對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)性能的要求，利用保證核心設(shè)備的高可用性的技術(shù)手段保證PACS的高可用性[5]。此外，采用本方案可以使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加清晰，便于以后的應(yīng)用擴(kuò)展，而且設(shè)備投資相對(duì)于方案1能降低一些。

3.3 方案3：直接在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上擴(kuò)展

在本方案中，在現(xiàn)有核心設(shè)備Cisco 7609上配置1塊8端口10 GE接口卡用于連接放射科的接入交換機(jī)，再配置1塊24口千兆光接口板用于連接各個(gè)PACS服務(wù)器。在放射科室，用能夠支持10 GE上聯(lián)的Catalyst 3750E或Catalyst 3560E替換現(xiàn)有的Catalyst 2960，通過10 GE上聯(lián)端口連接到核心設(shè)備，通過千兆以太網(wǎng)連接PC終端。本方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

采用此方案的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于部署，且最為經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)在于使PACS對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的依賴性加強(qiáng)，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

4 PACS承載網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

圖3 PACS共用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)拓?fù)鋱D（PACS承載網(wǎng)共用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)）

圖4 PACS共用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)拓?fù)鋱D（直接在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上擴(kuò)展）

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是受經(jīng)費(fèi)限制的，因此在考慮網(wǎng)絡(luò)解決方案時(shí)必須考慮性能價(jià)格的平衡。而不同的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)側(cè)重各不相同，如：國(guó)家政府、國(guó)防部門更側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)安全存取控制強(qiáng)度；金融部門側(cè)重于身份認(rèn)證、審計(jì)、網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)等[6]；而醫(yī)療衛(wèi)生部門側(cè)重于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠。通過復(fù)核，現(xiàn)有2臺(tái)Cisco 7609核心交換機(jī)在上午高峰時(shí)期CPU利用率為5%、內(nèi)存利用率為15%，在性能、高可用性等方面均能滿足PACS的擴(kuò)展要求。因此，此次在建設(shè)PACS承載網(wǎng)絡(luò)時(shí)，計(jì)劃采用在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上擴(kuò)展的方式，以期達(dá)到投資相對(duì)較小、見效相對(duì)較快的目的，保證PACS的順利上線。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房到放射科架設(shè)1條多模萬(wàn)兆光纖，2臺(tái)Cisco 7609核心交換機(jī)都增加萬(wàn)兆模板，為放射科交換機(jī)、PACS服務(wù)器提供雙上連核心交換機(jī)萬(wàn)兆接口。通過安裝10GE接口卡，即可實(shí)現(xiàn)向10 GE骨干的平滑過渡。匯聚層設(shè)備利用千兆鏈路匯集本區(qū)內(nèi)接入交換設(shè)備，同時(shí)匯聚交換設(shè)備也負(fù)責(zé)終結(jié)本區(qū)用戶業(yè)務(wù)VLAN，并進(jìn)行VLAN間數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。出于網(wǎng)絡(luò)高可用性的考慮，匯聚設(shè)備之間利用一條獨(dú)立的千兆鏈路互聯(lián)構(gòu)成環(huán)路結(jié)構(gòu)，利用路由協(xié)議來(lái)控制路由路徑和冗余鏈路，從而保證當(dāng)本區(qū)內(nèi)匯聚的上行鏈路發(fā)生故障時(shí)可路由選擇相鄰備份路徑傳輸數(shù)據(jù)[7]。

5 實(shí)際效果

通過此次改造，醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)收到了明顯的實(shí)際效果，實(shí)現(xiàn)了PACS的主要科室萬(wàn)兆主干千兆到桌面的訪問速度，且核心交換機(jī)的CPU、內(nèi)存等的占用并不是特別高。由于充分考慮到系統(tǒng)的先進(jìn)性，改造后的“核心+匯聚+接入”3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置及帶寬在能很好地滿足PACS和醫(yī)療業(yè)務(wù)需要的同時(shí)，也增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。雙核心+雙匯聚+雙接入的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)架構(gòu)，為我院網(wǎng)絡(luò)提供了高穩(wěn)定性和可靠性的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，保證了網(wǎng)絡(luò)能夠提供高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，可為醫(yī)院提供健壯的數(shù)據(jù)傳輸神經(jīng)中樞。

6 結(jié)語(yǔ)

醫(yī)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)改造是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，我院通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)改造的精心準(zhǔn)備、合理規(guī)劃、設(shè)計(jì)方案、分步實(shí)施，加之醫(yī)院領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，使得該項(xiàng)目的實(shí)施取得了預(yù)期的效果[8]。本次網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)改造使得醫(yī)院信息系統(tǒng)的帶寬、穩(wěn)定性、安全性、可靠性以及可管理性得到大幅度提高，為HIS、LIS、電子病歷等系統(tǒng)提供了穩(wěn)定運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，有效地保證全院級(jí)PACS、手術(shù)示教系統(tǒng)等的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求，為我院實(shí)現(xiàn)數(shù)字化醫(yī)院奠定了堅(jiān)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，滿足了我院未來(lái)信息化發(fā)展的需要，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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（收稿：2014-09-16 修回：2014-12-20）

Network upgrade for PACS

HAO Shang-yong
（Center for Computer Network,Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital,Tianjin 300060,China）

ObjectiveTo upgrade the original hospital network with 10 gigabit network technology to promote the development of PACS.MethodsThe present situation of some hospital network and requirements of PACS were analyzed,and three schemes were put forward based on 10 gigabit network.The advantages and disadvantages of the schemes were compared,and the third scheme was selected based on considerations on the practice and budget.ResultsThe hospital network was enhanced in reliability,safety and extendibility.ConclusionNetwork upgrade with 10 gigabit network technology provides a high-bandwidth,high-stability and high-reliability data transmission platform.[Chinese Medical E-quipment Journal，2015，36（9）：58-62]

PACS;10 gigabit Ethernet network;network performance;network modification

R318；TP393.07

A

1003-8868（2015）09-0058-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.09.058

郝尚永（1977—），男，主任，信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理師（高級(jí)），主要從事醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)與管理工作，E-mail：hao_shy@126. com。

300060天津，天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中心（郝尚永）