基于對等網絡的醫學影像服務系統通訊平臺設計與應用

徐剛

（西安交通大學 口腔醫院，陜西 西安 710004）

醫學影像服務系統擁有很強的可擴展性，并能滿足社會對醫學影像應用的不同需求，由于醫學影像的數據量大，計算量也很大，因此醫學影像要建立高性能服務系統的關鍵是提高醫學影像的計算速度與傳輸速度[1]。但是投資高性能的計算機設備與網絡設備，不但要投入大量的資金，同時也會引起資源浪費。然而對等網絡的建立，不但能把網絡中閑置的資源進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[2]。因此文中為了便于研究對等網絡在各種醫學影像服務中的應用，特建立了一個醫學影像對等網絡通訊平臺。以便運用對等網絡技術，解決在醫學影像服務系統建設中所遇到的各種問題。

1 對等網絡的組織結構設計

醫學影像網絡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絡，它連接著各個醫院的影像系統，各醫院內部有很多獨立的子網絡構成，它在網絡上的運用都與醫學相關[3]。按照網絡組織結構的特點和分類可以看出：純分散式的網絡結構雖然能滿足安全性和穩定性的要求，但是不能滿足其可靠性的要求 。因其在節點的發現與管理方面還有很大的難度，集中目錄式的網絡結構隨著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[4]。當把醫學影像服務系統的應用范圍縮小到一個醫院時，隨著節點規模的縮小，不但容易發現和管理節點，同時還能滿足安全性、可靠性與穩定性的需要，當把應用范圍擴大到多個醫院時，集中目錄式的網絡結構會因其節點規模的迅速擴大，中心服務器的負擔增加而受到嚴重的影響[5]。文中通過對網絡組織結構的特點和分類的分析引入了超級節點，提出了混合式的網絡結構，如圖1所示，以便減輕中心服務器負擔，從而大大提高網絡穩定性。

圖1 醫學影像對等網絡組織結構Fig.1 Medical imaging P2P network structure

圖1是對醫學影像對等網絡組織結構的描述，由圖可知，對節點的管理除了中心服務器以外，各醫院內部也有一個超級節點負責對節點的管理。也可由超級節點組織產生集中目錄式的對等網絡，而不需要外部中心服務器的參與。因此，除了在醫院間建立對等通訊，需要中心服務器的參與外；若只是組建院內的對等通訊時，可直接由超級節點建立連接即可，而不需要中心服務器的參與。由此可知，醫學影像對等網絡組織結構不但提高了網絡的穩定性，通過超級節點的建立既能有效降低服務器的負擔，還保持了容易管理和發現節點的優勢，滿足了醫學影像對等網絡的需求。

2 網絡節點的管理

對等網絡節點管理是建設醫學影像對等網絡通訊平臺的一項重要內容。它的好壞將會影響對等網絡的可靠性，它包括節點的加入處理、退出處理與相互發現處理。

2.1 節點的加入

節點加入是在網絡中某個節點連接到網絡的過程，主要包括節點的索引列表更新、接入請求和新節點的加入通知3個方面。

1）節點的接入請求方面，新的節點應和哪一個超級節點相連是首先要確定的，本文采用的做法是：

①節點首次連接上網絡的情況下，中心服務器首先連接上節點，且節點通過中心服務器的選擇作用而轉接到最理想的超級節點上（大多是在相同的醫院內），節點成功連接上超級節點以后，節點就可以把超級節點上的網絡信息記錄下來。

②再次當節點接入網絡時，中心服務器將不再參與，而是直接連到最近一次連接的超級節點。

③采用人為的方法以保證其有效性和穩定性，既保證該節點在線，同時還有不變的IP地址，通訊端口等網絡信息。

2）節點在索引列表更新和新節點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，只要把超級節點上的節點索引列表進行更新即可，若收到新節點的連接請求時，把新節點的網絡信息加入到節點的索引列表中，并把新節點的加入通知發送給網絡中的其他節點。

②若醫院之間發生對等通訊時，不僅要更新本院的超級節點的節點列表，還要把節點的加入通知發送到中心服務器，并由它發送給參與對等通訊的其他各個醫院的超級節點，節點的加入任務由各個超級節點分別進行處理。

2.2 點退出

節點的退出包含兩個方面：即正常退出與異常退出。在節點正常退出時，它是由節點自身送退出通知到超級節點，并由超級節點實施節點退出任務；若異常退出時，在節點還未發出退出通知時就已經失效了，這時各個節點的狀態由超級節點負責進行檢測。

不管節點是異常退出還是正常退出，節點的退出處理都是由超級節點來執行的，主要有：

1）若只是在院內進行對等通訊的話，僅僅將超級節點里的索引列表做更新就可以了，在檢測到有節點退出的情況下，只需要移除節點索引列表中的該節點的網絡信息，并把節點的退出通知發送給網絡中的其他節點。

2）若醫院間發生對等通訊的話，不但需要對本院的超級節點的節點連接做出更新，與此同時還需要保證中心服務器能夠接收到節點的退出通知，并由它發送給參與對等通訊的其他各個醫院的超級節點，節點的退出任務由各個超級節點分別進行處理。

2.3 節點發現

當節點執行對等傳輸任務或者執行計算任務的情況下節點對整個網絡里另外的可以使用的對等節點做的搜索過程稱為節點發現。

因為運用混合式網絡結構，網絡節點狀態的管理與維護是由超級節點與中心服務器來執行的，所以節點的發現就比較容易，它有只執行醫院內和只執行醫院間對等任務兩種情況。

3 網絡節點的直接通訊方法

因IPv4地址的空間有限，為解決這一問題，網絡中采用了NAT的設備，它是通過共享少數的公網IP地址把私網IP地址的主機連接到公共網絡，但這也大大增加了對等網絡通訊的難度，容易引起處在不同區域的主機不能直接通訊[6]。實際上目前大多數的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 常見的網絡節點之間的區域關系

網絡里兩個節點相對于NAI設備的通訊關系就是網絡節點間的區域關系[7]，一般有下面5種情況：

1）兩個節點都有公網的IP地址：它們可通過各自的端口和公網IP直接進行相互訪問，兩節點之間沒有任何NAT設備。

2）兩個節點中一個有公網的IP地址，另一個在NAT后面，peerl節點有公網的端口與IP，Peer2節點擁有私網的端口和IP，它在NAT之后，若Peer2訪問公網時，則由NAT轉換成公網的端口與IP。因為NAT擁有保護隔離的作用，因此Peer2可直接訪問Peerl，但是Peerl不能直接訪問Peer2。

3）兩節點在不同NAT的后面，其中NATI在Peer1的前面，Peer2在NAT2的后面，在訪問公網時，它們都是經過NAT來轉換端口和IP地址的，并受NAT的保護與隔離，所以兩者之間不能直接相互訪問。

4）兩節點在相同的NAT的后面。IP地址與端口則由同一個NAT進行轉換，轉換后雖然它們的端口不一樣，但是它們擁有相同的公網IP。NAT如果支持回環映射的話，那么通過NAT轉換后的公網端口與IP兩節點可互相訪問。實際上，由于兩節點處在相同的內網，它們不需要NAT的參與，通過各自的私網端口與IP可直接進行訪問。

5）兩節點在多級NAT的后面時，服務器只了解與之最近NAT的網絡信息，依據其最外層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處在不同節點的網絡關系，因它類似于上面的第3種情況，因此它們不能進行直接訪問。圖2（b）顯示了最外層NAT處于相同節點上的網絡關系，因它類似于上面的第4種情況，所以通過各自的私網端口和IP兩節點不能相互訪問。

3.2 建立點對點通訊的連接

通過分析網絡節點的區域關系可知，當兩節點都在同一個NAT的后面或都擁有公網IP時，它們之間才能進行直接的對等通訊，否則兩節點就不能進行直接的對等通訊。

圖2 兩節點的網絡關系Fig.2 Network relationship between two peers

因目前大部分的NAT設備支持UDP穿洞技術，在建立兩節點的直接通訊時，讓連接的雙方都從內部發出請求，并通過一個擁有公網IP地址的服務器來連接介紹，以便避開NAT的隔離保護。所以把UDP作為其基本的通訊協議，在建立節點索引列表時要求中心服務器或超級節點，按照UDP穿洞技術的要求，不但要記錄公網的端口和IP地址，還要記錄節點的私網端口和IP地址。

假如分別用變量Peer1與Peer2來表示節點的網絡信息，用結構體來定義節點的網絡信息，就可使用用下面C++偽代碼來實現點對點的直接通訊。

以下兩種情況是在兩節點的私網IP與端口嘗試進行時適用的：

1）若節點在本機和服務器上的端口與IP地址相同，說明其采用的是公網的地址空間。兩節點如果都采用公網的地址空間那么這兩個節點就可通過私網或公網的端口和IP地址進行直接通訊。

2）若兩節點的外部IP是相同的，則表明兩節點最外層的NAT是相同的。若兩節點在不是多級NAT而是處在同一個局域網內的情況下，就可通過節點的私網端口和IP地址直接進行通訊。

由此可見，這兩種情況都可通過統一使用本地的通訊函數嘗試直接建立連接，至少可通過各自的私網端口和IP地址進行通訊，并用C++偽代碼來實現。

在實現點對點通訊的過程中，若嘗試采用兩節點的私網端口與IP連接通訊的方式失敗時，則要嘗試運用UDP穿透技術。由于NAT具有保護與隔離的作用，所以在一般情況下只有內部主機才能訪問外部主機，而外部主機則只能沿著內部主機發起的連接線路來訪問發起連接的主機，即通過逆向連接的方式來訪問內部特定的節點，因此需要兩節點一起從內部發起連接，并通過服務器進行中介，才能實現直接通訊。

若以上兩種情況皆不成功的話，那么就可以判斷出兩個節點之間存在不具有UDP穿透技術的NAT和設備以及別的因素，造成兩節點之間不能直接通訊。本文作者使用服務器數據轉發的方法，來保證對等任務的成功運行。在運用混合式對等網絡結構的情況下，只需對等網絡能夠被節點順利連接就說明節點和服務器之間的通訊是正常的。

如果兩節點之間想建立通訊時，例如Peer1想聯系PeerZ時，Peer1只需要把數據發送給中心服務器，然后由中心服務器轉發給PeerZ就可以了，然而在通訊過程中服務器都需要參與，會進一步加大服務器的負擔，所以應盡量減少使用。其實這種服務器數據轉發的方式在現實生活中已很少采用，因目前UDP穿透技術很多的NAT設備都支持。

4 對等網絡平臺應用

4.1 應用構架

醫學影像服務系統應用架構。

圖3 醫學影像服務系統應用架構Fig.3 Application architecture of medical imaging system

由圖3醫學影像服務系統應用架構可知，對等網絡通訊平臺是集圖像檢索服務、DICOM傳輸服務與影像會診服務等醫學影像服務為基礎的平臺，它是以應用程序接口的方式為其他影像服務程序提供通訊管理與節點管理的功能，并負責連接管理網絡與物理網絡中的節點計算機，以便實現其他醫學影像對等網絡的應用。

4.2 應用實例

筆者以醫學影像對等網絡通訊平臺為基礎，建立了醫學影像遠程會診系統（簡稱會診系統）。在醫學影像遠程會診系統中，當會診的用戶連接到網絡時，中心服務器將自動下載在線用戶列表，使得用戶可以清晰的看到在線用戶的狀態，若需要在線會診時，依據點對點通訊連接的建立方式，有其中的一個會診用戶發出請求，經由服務器輔助建立起兩個節點間的直接會診通訊。

在會診系統中通過醫學影像對等網絡通訊平臺，實現了視頻對話、雙向語音、電子教鞭、DICOM影像同步顯示與操作等會診功能，從而使得會診參與的雙方雖然處在不同的位置也能感受到現場影像討論的效果。

5 結束語

文中通過建立醫學影像對等網絡通訊平臺，針對點對點直接通訊與節點管理兩個方面提出了具體的解決方案，通過會診系統的成功使用可知，在實現其他對等任務方面醫學影像對等網絡通訊平臺提供了很大的方便，它也可當作其他對等應用的基礎平臺。

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