陳武鑫

(中國人民解放軍第一七四醫(yī)院 信息中心，福建 廈門 361003)

醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

陳武鑫

(中國人民解放軍第一七四醫(yī)院 信息中心，福建 廈門 361003)

為了確保醫(yī)院環(huán)境下數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)的安全、穩(wěn)定的運行，需要對數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計;采用當(dāng)前方法進(jìn)行數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，未考慮到數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)路徑傳輸能耗、路徑傳輸距離等影響，會造成網(wǎng)絡(luò)壽命減少，影響數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)的生存時間;為此，提出一種基于數(shù)據(jù)傳輸速度優(yōu)化的醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法;該方法對數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)供配電系統(tǒng)、機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)和VPN虛擬系統(tǒng)等三大子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，在醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸過程中，考慮醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量優(yōu)化理論對數(shù)據(jù)節(jié)點進(jìn)行分簇，以需要傳輸?shù)尼t(yī)療數(shù)據(jù)節(jié)點為初始節(jié)點，匯聚節(jié)點作為醫(yī)療數(shù)據(jù)接收目標(biāo)節(jié)點，采用蟻群優(yōu)化方法對數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多路徑搜索，搜索過程中考慮了數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)路徑傳輸能耗、路徑傳輸距離以及醫(yī)院網(wǎng)帶寬等因素，最終選擇滿足多種條件的數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸最優(yōu)路徑，完成醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計;實驗結(jié)果表明，所提方法設(shè)計的醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境下數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)具有耗能低、擴(kuò)展靈活、周期短等優(yōu)點。

醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境；數(shù)據(jù)中心；中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)

0 引言

近年來，隨著醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行和醫(yī)療數(shù)據(jù)資源的有效利用、存儲對目前國內(nèi)醫(yī)院發(fā)展具有重要作用，因此,作為醫(yī)療數(shù)據(jù)存儲中心的醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計顯得非常重要[1-2]。為使目前數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器設(shè)備安全穩(wěn)定的運行，要求這些數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備具有良好的運行環(huán)境[3]。而現(xiàn)有的醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已難以適應(yīng)醫(yī)院信息化管理發(fā)展的需求，在這種情況下，如何有效改善數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與性能，利用數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更好地為醫(yī)院醫(yī)療、科研教學(xué)提供服務(wù)，已成為該領(lǐng)域目前亟待解決的首要問題，受到了廣泛的關(guān)注[4-5]。

現(xiàn)行的醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法有：文獻(xiàn)[6]提出一種基于GSM的數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，對數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了設(shè)計。統(tǒng)一監(jiān)控數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境和數(shù)據(jù)中心機(jī)房動力設(shè)備，結(jié)合數(shù)據(jù)中心機(jī)房相關(guān)測試?yán)碚搶3C S6506交換機(jī)作為數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)匯聚層，啟用STP實現(xiàn)對中心機(jī)房的控制。中心機(jī)房將使用原有的H3CS1526交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)接入層，并開啟VLAN功能，將中心機(jī)房全部數(shù)據(jù)劃分至不同的

VLAN中。該技術(shù)減少數(shù)據(jù)中心機(jī)房維護(hù)人員的負(fù)擔(dān),保障了醫(yī)院網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的安全可靠運行，但建設(shè)周期較長。文獻(xiàn)[7]提出一種基于ICP的數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，該方法在數(shù)據(jù)中心機(jī)房中采取雙機(jī)主從式備份，將機(jī)房主機(jī)的UPSl輸出端口與另一主機(jī)的UPS2的旁路相連，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)資源分配，同時利用DRS進(jìn)行數(shù)據(jù)中心機(jī)房資源調(diào)度，依照數(shù)據(jù)中心機(jī)房負(fù)載情況調(diào)整，提升醫(yī)療數(shù)據(jù)利用率，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)速度，但隨著數(shù)據(jù)中心機(jī)房自身的耗能量不斷提高，散熱量也隨之增大。文獻(xiàn)[8]提出一種基于Java SNMP4J的數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，對數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管控，通過輪詢的方式，對數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行查詢，并與已授權(quán)接入中心機(jī)房的MAC進(jìn)行核對，發(fā)現(xiàn)非授權(quán)接入情況；該方案可以顯著地提高數(shù)據(jù)中心機(jī)房中服務(wù)器等核心區(qū)域網(wǎng)絡(luò)安全管控能力，但數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為不安全。

針對上述問題，提出一種基于數(shù)據(jù)傳輸速度優(yōu)化的醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法。實驗仿真證明，所提方法設(shè)計的醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境下數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)具有耗能低、擴(kuò)展靈活、周期短等優(yōu)點。

1 醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法

1.1 醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境下數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計

醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境下數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)總體規(guī)劃就是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的流程、規(guī)?；倪\作，優(yōu)質(zhì)、快速規(guī)劃機(jī)房工程建設(shè)方案。數(shù)據(jù)中心機(jī)房總體建設(shè)方案由供配電系統(tǒng)、機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)和VPN虛擬系統(tǒng)等三大部分組成，由對供電系統(tǒng)的提升達(dá)到穩(wěn)定的供電要求。機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)可以做到“三防范”以及“雙保險”確保醫(yī)院數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的正常運行。VPN虛擬系統(tǒng)連接中心系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和各個節(jié)點的連接系統(tǒng)。醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)中體設(shè)計如圖1所示。

圖1 醫(yī)院數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計

由圖1可知，醫(yī)院選用了UPS配電柜，UPS配電箱主要負(fù)者計算機(jī)電設(shè)備、應(yīng)急設(shè)備等供電口，UPS采用放射式配電方式。監(jiān)控系統(tǒng)采用分散監(jiān)控，集中管理的模式。VPN系統(tǒng)不僅連接各個分支，且對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，使提取數(shù)據(jù)速度提高。

圖2 醫(yī)院社區(qū)VPN網(wǎng)絡(luò)拓展規(guī)劃圖

本文設(shè)計方法通過VPN虛擬系統(tǒng)對醫(yī)院社區(qū)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推展型分析，利用VPN系統(tǒng)連接各個服務(wù)器，達(dá)到所有數(shù)據(jù)的共享。

1.2 醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境下數(shù)據(jù)中心機(jī)房的專網(wǎng)系統(tǒng)

醫(yī)院中心機(jī)房的供配電系統(tǒng)采用UPS供配電系統(tǒng)，UPS配電系統(tǒng)中不但要解中心機(jī)房計算機(jī)等微電子設(shè)備的用電問題，而且要解決其他用電設(shè)備的用電問題。醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境下數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電系統(tǒng)設(shè)計具體如下：

(1)醫(yī)院數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)插座分為二種：醫(yī)院中心機(jī)房中不間斷供電UPS配電柜的中心機(jī)房主機(jī)和重要微電子設(shè)備專屬插座；市電直接供電的輔助設(shè)備使用標(biāo)準(zhǔn)插座。

(2)UPS電配電箱，主要包括中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)主機(jī)設(shè)備、應(yīng)急照明等配電，應(yīng)分開設(shè)計回路，每個回路都要有單獨的電源開關(guān)。

(3)機(jī)房設(shè)專用 UPS 配電柜，配電方式采用放射式。

(4)醫(yī)院數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)每個機(jī)柜位置要有2個UPS供電專用座，由UPS通過配電箱為每個機(jī)柜組提供一個UPS回路。回路中使用ZR-BV-3×4 mm 2阻燃電線，采用25A空開控制。所有插座要安裝于地板下并且要做墊高處理。

醫(yī)院中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是機(jī)房運行的“守護(hù)神”。以確保達(dá)到“三防犯”及“雙保險”。數(shù)據(jù)中心機(jī)房使用數(shù)字硬盤錄像系統(tǒng)，對醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)24小時全天監(jiān)控。結(jié)構(gòu)上使用B/S結(jié)構(gòu)框架，使用分散監(jiān)控，集中管理的模式。由數(shù)據(jù)中心機(jī)房控制平臺同一對各個軟件系統(tǒng)進(jìn)行控制。

醫(yī)院每個分支都需要與中心機(jī)房數(shù)據(jù)連接，因此需要構(gòu)建VPN專網(wǎng)系統(tǒng)，主要鏈接點設(shè)置該數(shù)據(jù)中心機(jī)房。所有的分支都要建立VPN系統(tǒng)隧道，支持網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)中心機(jī)房即可訪問所有分支網(wǎng)絡(luò)。在醫(yī)院數(shù)據(jù)中心機(jī)房建立一臺廣域網(wǎng)優(yōu)化設(shè)備，建立連接分支的廣域網(wǎng)優(yōu)化設(shè)備，實現(xiàn)VPI的組網(wǎng)加速，同一時間優(yōu)化VPN里的各個應(yīng)用系統(tǒng)的訪問，提升數(shù)據(jù)中心機(jī)房讀取數(shù)據(jù)的速度，通過管理平臺達(dá)到對數(shù)據(jù)中心機(jī)房的管理，減輕中心機(jī)房管理人員的維護(hù)壓力。經(jīng)過VPN系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的壓縮、沉積數(shù)據(jù)的消減、傳輸速度的優(yōu)化，減少數(shù)據(jù)在中心機(jī)房的傳送量，加快傳送速度，減少網(wǎng)絡(luò)寬帶的消耗，降低中心機(jī)房數(shù)據(jù)同步時的寬帶壓力，保證中心機(jī)房數(shù)據(jù)同步時網(wǎng)絡(luò)速度。

1.3 醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境下中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

考慮減短醫(yī)院網(wǎng)各個分支節(jié)點提取數(shù)據(jù)的時間，提出了簇點算法，首先選用一條主線為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)主要輸送線路，在選用一條線路為備用輸送線路，并在后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。因要實現(xiàn)數(shù)據(jù)提取速度快且穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹骶€路能量要足夠大。為了剩余能量被選為備用線路概率增大，對T(i)作如下改進(jìn)：

(1)

醫(yī)院數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)分支節(jié)點的個數(shù)對網(wǎng)絡(luò)的速度存在影響，為了減少能耗，需要在選擇分支節(jié)點，階段確定理想分支節(jié)點個數(shù)，同時確定分支節(jié)點的數(shù)據(jù)流量。結(jié)合先驗知識提取理想分支節(jié)點數(shù)目：

(2)

在VPN中采用式(3)計算候備選線路數(shù)據(jù)流量：

(3)

(4)

；j∈[1,m]

(5)

(6)

其中：τij表示si、sj在t時刻的數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息素濃度。ηij表示si、sj間數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)傳送信息，定義為si、sj間的鏈路帶寬bandwidthij與si、sj間鏈接延時delayij的比值：

(7)

(8)

式中，φ、α、β、γ、φ分別代表了醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)各個因子的主要系數(shù)。在實際數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑搜索過程中，依據(jù)實際數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能耗模型計算出醫(yī)療數(shù)據(jù)接收能耗以及至下一跳數(shù)據(jù)傳輸能耗總和，采用蟻群算法更新螞蟻攜帶的信息包中的總能耗能量，通過多次迭代搜索直至找出滿足數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)路徑。

2 實驗結(jié)果與分析

為了驗證本文提出的基于數(shù)據(jù)傳輸速度優(yōu)化的醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法的有效性，實驗數(shù)據(jù)取自于南寧市某醫(yī)院網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，機(jī)房網(wǎng)絡(luò)支持平臺為WindowsXP，對不同醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行仿真實驗分析，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為TCP負(fù)載，各個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包最大包含2 501字節(jié)。

為了驗證本文所提設(shè)計方法在醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境中VPN系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的壓縮、沉積數(shù)據(jù)的消減、傳輸速度的優(yōu)化性能，依據(jù)表1給出的4K醫(yī)療數(shù)據(jù)包的吞吐量為基礎(chǔ)，推測出128字節(jié)和256字節(jié)醫(yī)療數(shù)據(jù)包同步傳輸?shù)耐掏铝?Mbps)，推測結(jié)果用表1進(jìn)行表示。

表1 不同數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法的性能

分析表1可知，本文所提設(shè)計方法利用VPN虛擬系統(tǒng)建立醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸隧道，支持網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)可訪問所有分支，可在同一時間優(yōu)化VPN里的各個應(yīng)用系統(tǒng)的訪問，提升數(shù)據(jù)中心機(jī)房讀取數(shù)據(jù)的速度，提高醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)吞吐量。根據(jù)公式(9)和表1可以求出4KB數(shù)據(jù)包在不同醫(yī)院網(wǎng)類型下，使用不同設(shè)計方法獲得的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)加速比(%)。計算結(jié)果分別如表2所示。

S=TIP/(TE+TH+TVPN)

(9)

式中，TIP和TVPN分別代表原始醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包經(jīng)過封裝處理后的傳輸和接收時間，TE和TH分別代表數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)原始數(shù)據(jù)包在發(fā)送方的計算時間和資源存儲量。

表2 不同方法對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)加速比

分析表2知，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷增加，文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]方法對整體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的加速比影響很接近，而當(dāng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包達(dá)到一定大小時，對于較小的網(wǎng)絡(luò)類型，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)加速比性能明顯下降，而本文所提設(shè)計方法能夠保持較好的網(wǎng)絡(luò)加速比，對提升醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)性能效果明顯。

為了便于比較，選取文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[9]方法分別描述在各種長度醫(yī)療數(shù)據(jù)包在不同醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，利用不同方法的VPN性能曲線如圖3所示。

圖3 不同方法VPN性能對比

分析圖3以及表1和表2結(jié)果可得，當(dāng)醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包大小一定時，對于較小的網(wǎng)絡(luò)類型，VPN的性能較高，隨著醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷提高，對應(yīng)的VPN性能逐漸下降，由于在醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境實施VPN子系統(tǒng)模塊時，通過對數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的壓縮、沉積數(shù)據(jù)的消減、傳輸速度的優(yōu)化，減少數(shù)據(jù)在中心機(jī)房的傳送量，減少網(wǎng)絡(luò)寬帶的消耗，降低中心機(jī)房數(shù)據(jù)同步時的寬帶壓力，并在數(shù)據(jù)傳輸過程中利用蟻群優(yōu)化算法對數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行多路徑搜索，充分考慮了醫(yī)院網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)路徑傳輸能耗、傳輸距離以及所選路徑帶寬等因素，從而有效保證了網(wǎng)絡(luò)性能。

3 結(jié)束語

針對當(dāng)前數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法存在的問題，提出一種基于數(shù)據(jù)傳輸速度優(yōu)化的醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法。實驗仿真證明，所提方法能夠有效提升醫(yī)院網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)中心機(jī)房網(wǎng)絡(luò)吞吐量，醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸速率較快。

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Design of Hispital Network Environment Data Center Computer Room Network

Chen Wuxin

(The 174th Hospital of PLA, Information Center,Xiamen 361003,China)

In order to ensure the safe and stable operation of the data center network in the hospital environment, it is necessary to optimize the design of the data center network. The current method is used to design the data center of the data center, which does not take into account the influence of the energy consumption and path transmission distance of the data center network, which will cause the network life to decrease and affect the survival time of the data center network. In this paper, a network design method of hospital network environment data center based on data transmission speed optimization is proposed. This method is used to optimize the three subsystems of the power supply system, the room monitoring system and the VPN virtual system of the data center. In the process of medical data transmission, the data node of the hospital network node is considered to be clustered to The data node needs to be transmitted as the initial node and the convergence node as the medical data receiving target node. The ant colony optimization method is used to search the data center network of the data center. The search process takes into account the energy consumption, Distance and hospital network bandwidth and other factors, the final choice to meet a variety of conditions of the data center room network data transmission optimal path to complete the hospital network environment data center room network design. The experimental results show that the network of the data center in the hospital network environment has the advantages of low energy consumption, flexible expansion and short cycle.

hospital network environment; data center; central computer room network

2017-03-13；

2017-03-24。

陳武鑫(1979-)，男，福建亳州人，工程師，主要從事數(shù)據(jù)挖掘方向的研究。

1671-4598(2017)05-0247-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.068

TP391

A