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医院信息系统的数据存储—NAS和SAN的融合

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医院信息系统的数据存储—NAS和SAN的融合

作者：未知文章来源：万博网点击数：更新时间：2006-7-15
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　　一前言
　　随着医学信息化的不断深入，医学信息数字化的步伐正在加快，电子化医疗数据的保存，分析应用，对医疗信息系统的性能、可靠性、可用性和整体拥有成本的要求在逐步提高。中国已加入WTO，医疗卫生行业竞争日益激烈，充分利用先进的数字化信息技术，为病人提供优质的服务和提高病人的满意度是适应市场竞争与医院生存的重要保证。
　　“存储你的信息，就是存储你的未来。对于那些没有对信息存储进行正确规划的企业，将在二年内消失于信息爆炸的尘埃中。”(摘自英国《经济学人》)对于医疗卫生事业来说，病人的各种数据是现在以及未来医疗卫生业充分服务于病人的基础，统一访问、共享和管理数据可以转化为一个有利的竞争优势。保护数据并加以合理的利用已成为未来医院发展的关键因素，数据的集中管理与备份已成为医疗信息系统(Hospital Information System，HIS)和医学影像存档与通信系统(Picture Archiving and Communication Systems，PACS)的重要任务之一，对信息存储进行正确规划已提到HIS的议事日程上。通过网络存储来提高HIS访问数据速度，使系统从以服务器为中心向以数据为中心转移。
　　二医院信息系统数据特点
　　医院信息系统是一个数据量大，数据类型复杂和事务并发多的实时系统。若将医院信息系统的门、急诊系统和超级市场的POS系统相比，虽然都是实时系统，但事务的处理量大得多，数据流复杂。顾客和超市仅发生一次事务处理(收费)，而病人一次常规就诊，发生的事务处理则至少五次(挂号、护士分诊，医生开电子处方、划价收费和发药)，有时还有化验、检查等事务发生。因此，一个就诊人次，发生的事务量则是一般业务的五倍左右，而且还有严格的操作流程。操作并发数大大增加，数据共享度高，数据操作复杂，对HIS提出了很高的要求。若将出入院管理系统同宾馆管理系统相比，不仅有住宿和记账等共同特点，还有入院首次病程录、手术记录，治疗、医嘱、护理、保健和出院小结等难度大且复杂的为医疗服务的特殊要求。
　　随着医院信息化水平的不断提高，HIS已从初期的以财务为主发展到现在以病人为中心，从单纯的文本数据扩展到有声音和图像等多媒体数据，存储的数据量逐年迅速增加。特别是医院PACS的发展，X片、CT和MR等大容量的数字图像，造成了医学信息量的急剧膨胀。表1为数字影像的数据量相当于三级甲等医院(门诊量5000人次/日)的数据量(以每人次门诊数据为1k计算，则为5000×1k=5M)。以三级甲等医院一天的数字影像为X片300人次、CT为150人次和MR为100人次计算，则一天数据容量大约为10G左右，数据备份10G，合计存储容量为20G，一年(以300天计算)需20G×300=6000G= 6T(1T=1000G)。若按照有关部门的要求数据保留十年，则是60T。按照无失真数据压缩要求，一般在3~5倍，则大约有10T左右(不包括动态图像)，这可是不小的存储容量。
　　综上所述，医院信息系统是一个数据量大、数据类型丰富、实时性强，精度高，安全性要求高的多媒体信息系统。因此，医院数据存储系统在一定程度上影响到HIS的性能。
　　三医院信息系统数据存储的要求和对策
随着病人对医疗服务质量的要求越来越高，要求医院信息系统(HIS)必需具有高可用性，完备可靠的数据存储、备份和容灾功能。
　　计算机应用越来越广泛，医院业务对计算机和网络的依赖也越来越强，而计算机应用从单机发展到网络，风险性也随之提高。数据是医院至关重要的资产之一，是系统运行的血脉，保护医院的关键数据已成为医院成功运作的基本保障。水灾、火灾、雷击、地震等自然灾害，断电、设备故障、病毒感染、黑客入侵及人为的操作故障都威胁着数据的安全。因此，提高计算机和网络的运行安全和系统的容灾能力，制定有效的存储备份策略，采用高级的异地实时灾难备份方案刻不容缓。特别是在基于PC服务器的系统中，对数据进行集中管理与备份是提高HIS性能的有效措施。
　　2001年在美国发生的“911”事件给人们以警示，公司受损失最大的是数据，“数据是企业的生命线”。由于数据丢失造成的损失大大超过物资损失，可使企业全面瘫痪，亡羊补牢为时晚也。人们不希望事故和灾难的出现，但是事故和灾难的出现是必然的。防止事故发生，减少灾难损失是医院信息系统的重要工作，但是医院必须有所准备，这种准备就是医院对数据存储的管理。
　　医院信息系统应具有大规模可伸缩性的、24×7连续可用性的、跨平台的、能够提供多种信息处理系统的连接、信息保护、信息管理、信息分享的医院存储系统。HIS的存储系统应为医院的所有应用提供无限的性能和容量，并成为医院整体战略的重要组成部分。
　　医院对数据进行备份是为了保证数据的一致性和完整性，消除系统的后顾之忧。备份是为系统提供一个数据保护的方法，稳定性和可靠性是最重要，当事故发生时，能够快速有效地恢复数据。为减少人为和不可预测的原因带来的潜在隐患，备份方案将提供定时的自动备份。在自动备份过程中，还有日志记录功能，并在出现异常情况时自动报警。
　　目前，我国医院信息系统所关注的重点仍为服务器和网络，对数据安全缺乏足够的重视和投资。但是随着数据的日益增长，HIS的注意点将逐渐转移到集中存储整合(Storage Consolidation)上，即网络直接存储(Network Attached Storage，NAS)和存储区域网络(Storage Area Network，SAN)上。对医院各种数据进行集中存储，管理与备份，并在此基础上充分利用现有数据，以适应市场需求，提高自身竞争力，保证医院在市场经济中稳固发展。
　　四信息系统的存储结构
　　1. 以服务器为中心的DAS
　　目前，我国医院信息系统存储体系大都是传统的以服务器为中心的存储结构，即直接附加存储(Direct Attached Storage，DAS)也可称之为服务器附加存储(Server Attached Storage，SAS)。DAS是将RAID硬盘阵列直接连接到网络系统的服务器的扩展接口下的数据存储设备。它以服务器为中心，完全依附于相应服务器。
　　各种IDE或SCSI存储设备通过I/O总线与服务器相连，存储设备的数据输入和输出由CPU管理。当客户机访问数据时，首先向服务器提出申请，经过I/O总线访问相应的存储设备，服务器实际上起到一种存储转发的作用。数据备份是通过服务器的CPU来实现，由于备份的数据量大，将严重影响HIS的运行。
　　现阶段医院信息系统的主要功能是数据的输入、输出和查询，数据操作频繁，当客户机连接数增多时，I/O压力大，I/O将会成为服务器一个潜在的瓶颈，直接影响服务器的性能，情况严重时甚至会导致系统的瘫痪。这种以服务器为中心的存储方式已不能适应数据量越来越大的HIS要求。
　　2. 以数据为中心的NAS
　　以数据为中心网络直接存储是一种任务优化的直接连在IP网络的存储设备，提供典型的CIFS(Windows)及NFS(UNIX)文件服务，专为网络终端客户及服务器提供数据共享服务而设计的。NAS不依赖于平台及操作系统(OS)，任何使用CIFS，NFS，FTP，HTTP或NetWare的客户端均可共享数据。在NAS结构中，存储系统不再通过I/O总线附属于某个特定的服务器或客户机，而是利用现有的以太网技术，通过以太网接口将存储设备连接到LAN，供用户通过网络访问，如图2所示。
　　NAS与传统的以服务器为中心的存储系统相比，数据不再通过服务器内存转发(这会引起额外延迟或阻塞)，数据直接在客户机和存储设备间传送(即所谓第三方传送)，服务器仅起控制管理的作用，因而具有更快的响应速度和更高的数据带宽。另外，对服务器的要求降低，可大大降低服务器开销，有利于HIS性能的提高。
NAS实际上是利用专用的硬件和软件构造的专用服务器，与其它资源独立，不会占用网络主服务器的系统资源，不需要在服务器上安装任何软件，不用关闭网络上的主服务器，就可以为网络增加存储设备。
　　NAS可以无需服务器直接上网，不依赖通用的操作系统，而是采用一个面向用户设计的、专门用于数据存储的精简操作系统，内置与网络连接所需的协议，因此使存储管理效率提高和设置简化。与传统的通用服务器不同，NAS专用服务器能在不增加复杂度、管理开销，使网络的存储容量增加，具有非常好的可扩展性。　　由于不需要服务器提供更多的硬件及服务，使服务器的可靠性和I/O性能大大提高，能充分利用可得到的10M~1000MB网络带宽，有较大的数据吞吐量。
　　NAS为用户提供了易于安装、易于使用和管理、可靠性高和可扩展性好的网络存储解决方案。但是NAS占用网络资源，增加了网络开销。为了保证高速传送数据，NAS应直接挂在HIS高速主干网上。NAS中数据备份是通过网络来实现，由于备份的数据量大，在备份过程中将消耗带宽，网络要同时满足备份和正常的数据访问。
　　3. 以网络为中心的SAN
　　SAN是一种基于光纤通道技术(Fibre Channel，FC)，由专用光交换机和存储设备组成的独立专用存储网络系统。服务器通过光纤与光交换机(或光集线器)直接相连，以数据块的形式进行存储。由于该系统使用光纤通道技术，可进行远距离(可达十公里)高速数据传输，它具有很强的可扩展性，可以让异地的服务器直接与存储着TB级数据的SAN相连，实现安全而可靠的数据共享。这项技术使数据和存储设备真正与服务器脱离开，而形成一个数据存储专用网络。
　　独立的专用网络存储方式SAN具有不少优势，可扩展性高，易管理，使网络性能不受数据访问的影响。存储硬件的效率不受LAN状况的影响。集中式管理软件使得远程管理和无人值守得以实现，容错能力强。光纤通道的数据传输错误率最低(最大错误率约1/1012)，这是SAN的最大优势。SAN主要用于存储量大、数据安全性要求高的场合，但SAN的开放性、适用性和通用性较差，在系统的安装和升级方面效率不高，成本也比较高。
　　备份工作将不影响数据的访问和存储，SAN则允许实时地把数据从存储设备直接备份起来，不会影响网络流量或要求关闭文件。对基于服务器的存储方案(DAS)和以数据为中心的存储方案(NAS)来说，是无法做到的。
　　由于SAN采用了专用存储网络结构，服务器可以访问专用存储网络上的任何一个存储设备。因此，用户可以自由增加磁盘阵列、带库和服务器等设备，使得整个系统的存储空间和处理能力得以按客户需求不断扩大。SAN采用了为大规模数据传输而专门设计的光纤通道技术，目前的传输速度为100MB，并会很快开发出传输速度为200MB和400MB的光纤通道开关，SAN具有更高的连接速度和处理能力。传统网络并不是为在可靠的链路上传输大批量数据而设计的，因此有很多传输校验，这些工作会消耗大量的CPU资源，增加客户机的负担。SAN可以适用于服务器集群、远程灾难恢复、因特网数据服务等多个领域。
　　五 HIS数据存储走向NAS和SAN的融合
　　NAS和SAN的出现，再次体现了把存储作为专门设备的趋势。随着医院数据量的增加，服务器的数据存储和操作越来越频繁，直接影响医院信息系统的性能，成为HIS的瓶颈。将存储服务器独立出来，可以减轻服务器的压力，提高HIS的响应速度和系统性能。
　　从表2存储结构比较表可见不同的存储结构有自己的特点。SAN的主要功能是数据的高速存储，适合作数据库服务器存储，而NAS则着重于文件共享，完成多台服务器文件系统级的共享，比较适合作文件服务器。
　　在医院信息系统中存在着不同的信息需求，例如电子病历和PACS系统中的医学影像是典型的文件系统，数据量大，而门急诊系统中的挂号、诊间、收费和发药系统是典型的数据库应用系统。因此，根据医院信息系统的信息特点，将SAN和NAS融合应用于HIS，是提高系统性能的有效途经。图4是医院信息的存储系统的一种结构，其中HIS采用SAN存储，而PACS则应用NAS储存，SAN和NAS通过网关进行异地备份，以确保数据安全和作为灾难恢复。
　　医院信息系统的发展已经由信息创造的时代、信息传输的时代迈入了第三个时代——信息存储时代。信息在医院的决策、经营和管理中发挥着重要作用，改变了医院评估信息的方式，信息已经成为一种超越其竞争对手的战略资产。信息对现代医院是如此的重要，在某些程度上甚至超过了医院的资金储备。丧失了病人、技术等宝贵信息资源的医院，将被残酷的市场经济无情地淘汰。我国已经加入WTO，对医院来说机遇和挑战并存。在国际化的新形势下，医院信息系统将以信息化和数字化带动医院的现代化，迎接21世纪的挑战，前途光明，任重道远。


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