（计算机科学与技术专业论文）北京市远程医疗咨询系统白板部分设计与实现.pdf

北京邮电大学研究生毕业论文 北京市远程医疗咨询系统白板部分设计与实现 摘要 随着计算机网络技术，多媒体技术和通讯技术的发展，远程医 疗的应用越来越广泛和深入。 本文基于这一背景，着重研究了远程医疗咨询系统在设计和实 现中涉及的系统架构、实时通讯、协同工作等关键技术，解决了原 北京市远程医疗咨询系统存在的问题。远程医疗咨询属于计算机支 持的协同工作的一个具体应用，作者结合目前存在的网络通信模型 与远程医疗咨询的切实需求提出了一个合适的框架体系。 远程医疗咨询系统的数据通信部分一电子白板是远程协同 工作的重要工具之一。本文在对整个系统分析和设计的基础之上， 详细地阐述了电子白板的开发实现及其关键技术。在电子白板的开 发实现过程中，采用了自定义的通信协议集，数据按照自定义的协 议格式封装在r t p 数据包中。将电子白板数据封装到r t p 中主要有 三个原因：第一，使得电子白板数据与其他的r t p 媒体数据( 音频 流和视频流) 格式一致，易于统一处理；第二，利用r t p 中的时间 戮很容易实现多种媒体( 包括白板媒体数据) 信息的同步和回放： 第三，r t p 通过r t c p 还可以实现轻量级的会话控制。在封装的过 程中，底层通过对象序列化进行数据信息的传递。电子白板服务器 端采用多线程处理技术，分级线程。二级线程池提高了白板服务器 的处理能力。电子自板客户端的并发控制采用了在服务器端集中排 队的技术。， 关键词远程医疗电子自板协同咨询 计算机支持的协 同工作r 阿r t c p 北京邮电大学研究生毕业论文 d e s i g na n di m p l e m 哐n t a t i o no fw h i t e b o a r di n t e l e m e d i c i n ec o n s u ii t a t i o ns y s t e m o fb e i j i n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t so ft h et e c h n o l o g i e so f c o m p u t e rn e t w o r k m u l t i m e d i aa n d c o m m u n i c a t i o n s ，t h ea p p l i c a t i o n s o ft e l e m e d i c i n e b e c o m ew i d e r b a s e do nt h es c e n a r i o ，w ed os o m er e s e a r c h e so ns o m ei m p o r t a n t t e c h n o l o g i e s o ft h et e l e m e d i c i n e s y s t e m i nt h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n ，s u c h a sa r c h i t e c t u r e ，r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n sa n d c o o p e r a t i v ew o r k w ef i n d as o l u t i o nt od e a lw i t ht h e p r o b l e m so f p r e v i o u st e l e m e d i c i n ec o n s u l t a t i o ns y s t e mo fb e i j i n g t e l e m e d i c i n e c o n s u l t a t i o ni sa s p e c i f i ca p p l i c a t i o n o f c o m p u t e rs u p p o r t e d c o l l a b o r a t i v e w o r k ( c s c w ) i nt h i s t h e s i s t h ea n t h o r p r e s e n t s a 疗a m e w o r kt or e s o l v et h er e q u i r e m e n t so f t e l e m e d i c i n ec o n s u l t a t i o n w h i t e b o a r d ，a st h ed a t ac o m m u n i c a t i o n st o o lo ft h et e l e m e d i c i n e c o n s u l t a t i o n s y s t e m i so n eo ft h e i m p o r t a n tt o o l s o fc s cw a f t e r s y s t e ma n a b r s i sa n dd e s i g n ，t h ea u t h o rd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n t so f t h ew h i t e b o a r da n dt h et e c h n o l o g i e su s e di ni t d u r i n gt h ec o u r s e ，t h e p a p e ri n t r o d u c e sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sd e f i n e db ym y s e l f t h ed a t a i se n c a p s u l a t e di nr t p p a c k e t sa c c o r d i n gt ou s e r - d e f i n e dp r o t o c 0 1 t h e w h i t e b o a r dm e d i ap a c k e t sa r et h ep a y l o a do fr t p p a c k e t s 肿i su s e d f o rt h r e er e a s o n s ：f i r s t i ti s e a s yt oo p e r a t et h em e d i as t r e a m sw h i c h h a v et h eu n i f o r l t lf o r m a to fd a t ab a s e do ni 盯p s e c o n d r t pp a c k e t s c o n t a i nt i m e s t a m p s t h a ta l l o wf o r s y n c h r o n i z a t i o n t oo t h e r r t p - c o m p a t i b l ed a t as t r e a m s ( i np a r t i c u l a r a u d i oa n dv i d e o ) t h i r d ， r t p p r o v i d e sl i g h t w e i g h ts e s s i o nc o n t r o lt h r o u g he 盯c p i nt h ep r o c e s s u 北京邮电大学研究生毕业论文 o fe n c a p s u l a t i o n ，t h ew h i t e b o a r dm e d i ad a t ai st r a n s m i t t e db yo b j e c t s e r i a l i z a t i o n t h ew h i t e b o a r d s e r v e r a d o p t s m u l t i t h r e a da n d c l a s s i f i e d - t h r e a d l i g h tt h r e a dp o o l sc a ni m p r o v et h ec a p a b i l i t yo ft h e s e r v e r t h ec o n c u r r e n c yc o n t r o lm e c h a n i s mi sb a s e do nt h a ta l lm e d i a s t a n d si nai i n ei nt h ew h i t e b o a r ds e r v e r k e yw o r d st e l e m e d i c i n ew h i t e b o a r d c o o p e r a t i v e c o n s u l t a t i o nc s c wr t p 肛u p 独创性( 或创薪性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：殛挞日期：盘竺壁! 墨： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被 查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此 规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期 日期 巡：墨：! j p 呼 士丢 一 北京邮电大学研究生毕业论文 1 1 引言 第一章绪论 当今世界，计算机和信息技术飞速发展，人类正面临着一场信息革命。随 着计算机、图像声音编码以及通信等领域技术突飞猛进的发展，许多发达国家 在远程医疗方面进行了广泛的研究，并取得了丰硕的成果。 居住在全球农村或是偏远地区的人们，医疗服务质量低下，健康护理水平 达不到基本的需求水平。主要原因在于随着经济和文化的发展，城市建设有非 常好的医疗基础设旅，医生专家多数也居住在城市，为人们提供良好的医疗服 务：而偏远农村基础设施落后，医疗专业水平差，缺少专家人物等诸多的方面 限制了它不可能提供良好的服务。但是人们也正在寻求问题的解决方法，希望 获得及时而高质量的医疗服务。随着计算机和通讯领域的技术革新，给偏远地 区和缺乏高质量医疗服务的地区提供远程医疗咨询会诊已经成为现实，并且随 着技术的发展与进步，远程医疗的应用日臻成熟。 远程医疗是一种跨领域、跨学科的综合性技术。所谓远程医疗是采用远程 通信和计算机多媒体技术，提供医学信息和服务的系统。它包括远程诊断、远 程医疗咨询、远程教育、远程信息服务等多种功能，是以计算机和网络通信为 基础针对医疗资料( 包括数据、文本、图片和声像资料) 的多媒体技术，以及 进行远距离的视频、音频、数据的传输显示等等。 远程医疗在结构上可以分为三个部分： 1 医疗服务的提供者，即医疗服务源所在地，一般位于大城市的医疗中 心，具有丰富的医疗资源，包括经验丰富的专家医生。 2 远地寻求医疗服务的需求方，当地不具备足够医疗能力或条件的机构， 例如郊区地方医院，卫生所等。 3 联系两者的通信网络及诊疗装置。其中传输网络的形式多种多样，可 北京邮电大学研究生毕业论文 以是日常生活使用的普通电话网络( p s t n ) 、无线通信网络、卫星通信网络、 同轴电缆和光纤等等。所用设备包括计算机软硬件、诊疗仪器。 远程医疗给人们带来了许多好处，使医疗服务水平低下的偏远农村享受到 高水平医疗服务，提高了紧急处理能力，减少了病人的差旅费用。远程医疗同 时也给信息闭塞的人们提供远程医疗教育培训，节省偏远农村的医疗开支。它 的诸多好处主要包括： 1 远程医疗将使拥有家庭远程医疗设备终端的人们节省时间和差旅费 用。 2 把图像传输到远程医疗中心，经过医学专家的会诊咨询，可以更好的 管理分配偏远农村紧急医疗服务。 3 尽管相隔万里，世界医学专家可以交互进行临床研究，共享病历和诊 断图像。 4 可以联网主办医疗学校、社区医院以及进行远程教学培训，提高农村 医疗专业人员的专业素质。 随着远程医疗的广泛应用和发展，人们的医疗保障将得到不断的提高，距 离已经不是问题了。 1 2 远程医疗研究现状及发展趋势 1 2 1 远程医疗应用的意义 随着社会的发展和技术的进步，远程医疗应用在现实社会中有着非常重要 的意义。医学专家利用远程医疗系统可以实现远程的医学检测、诊断、监控和 咨询等等。 人们生活水平的提高使得人口老龄化，人1 ：3 增多。这些都导致了医疗资源 相对短缺的问题。针对我国的特殊国情：地域辽阔、人口众多、医疗发展不平 衡：医疗专家和设施主要位于人口稠密的大城市：居住在农村和偏远城市的人 们常常得不到正常的医疗服务。通过远程医疗可以有效地缓解这些问题。 1 9 9 5 年，杨哓霞手臂腐烂国内无法医治，通过i n t e m e t 国际求援成功。2 0 0 3 年的s a r s 事件，通过远程医疗可以获得s a r s 专家的诊断。可见，远程医疗 北京邮电大学研究生毕业论文 已经与人们的生活和社会的发展分不开了。 1 2 2 远程医疗的研究现状及发展趋势 远程医疗是对传统医疗的发展和补充，同时，也是对传统医疗发展带来了 巨大的冲击。它打破了传统医疗的种种局限，是以其开放性，灵活性，共享性 和经济等特点而为传统医疗所不可比拟。 远程医疗发展到今天已经有5 0 多年的历史了，国外的发展比较早，技术 相对来说比较先进。我国起步较晚，但是发展较快。 目前，正在使用的绝大多数远程医疗系统采用了两种不同技术类型。一种 是存贮和传输，用于将数字图像从一个地方传到另一个地方。这是一种非实时 的典型应用，诊断结果在2 4 2 8 小时后传回得到。另外一种越来越广泛的应 用是双向交互的、面对面的可视化技术。这种应用经常在病人、医疗设备提供 者和专家或多个组合之间。各点视频会议终端允许他们相互实时的交流会诊咨 询。这种技术在过去的几年中，随着成本的不断降低使用越来越方便，已经运 用在桌面、机顶盒等视频会议系统终端中。这种模式有多种交互式会诊形式， 其中城市医疗中心到偏远农村交互会诊最为典型，它意味着患者不需要到城市 看医生和专家就可以得到许多先前没有的专业医疗。 远程医疗应用在各个方面越来越有创造性，不仅可以存储传输，双方的交 互式，而且还有声音、视频、静态图像的传输，数据的共享，以及其他各种不 同的综合应用等。 1 国外的发展与研究现状 美国和欧洲远程医疗发展的比较早，技术上也处于领先的地位。 美国是世界上医疗网络最发达的国家。医学领域使用的是高级的网络资 源，为远程医疗的发展提供极有利的条件。近些年，美国启动了好多相关项目 例如远程机器人辅助手术、农村远程医疗国家试验基地、基于w 曲的家庭交 互式远程医疗保健、军队远程医疗和远程医疗标准等等。 开展远程医疗较早的还有欧洲各国。随着世界范围信息联网的升温，远程 医疗纷纷被欧洲各国列入信息基础设施建设计划，各国争相投入人力物力开发 远程医疗系统，如法国的流行病统计网、葡萄牙采用个人电脑开发的医院心电 脑电图传输系统、西班牙的远程血压监测系统和危急报警系统等。目前欧洲提 出了许多项目，这些项目有些只是用于研究或处于运作阶段；其他一些用于推 广，提供了一种远程医疗的理想模型。然而，市场上有不同的发展，几乎有三 分之二用于远程咨询，其次是远程电话服务，远程教学，远程图像显示。 北京邮电大学研究生毕业论文 2 国内的发展与研究现状 我国人口的8 0 分布在县以下医疗卫生资源欠发达地区，而我国医疗卫生 资源8 0 分布在大、中城市。随着西部大开发的进程加快，在我国，远程医疗 有着更为广阔的前景。 我国远程医疗的研究与应用起步较晚，但发展较快。 1 3 课题的目标 在1 9 9 8 年设计开发的北京市远程医疗咨询系统已经应用至今，给医疗单 位带来了很多好处。但是目前也存在着一些不足，需要做进一步的改进，重新 设计体系结构满足新的需求。 原系统的不足之处主要有以下三点： 1 ) 原系统实现代价太大，经济费用太高( 使用了v c o n 公司的软硬件支 持) ； 2 ) 原系统不能支持多点通信； 3 ) 原系统采用了过多的第三方软件和硬件的支持，系统的整体性较差。 由于这些不足，导致了原系统不能满足特定条件下的远程医疗咨询活动， 同时减少系统的实现代价和经济费用也有利于远程医疗咨询系统的发展，有利 于提高经济不发达地区的医疗水平。 在新系统的设计实现中将解决上述这些问题。在对新系统体结构分析设计 的基础之上，本人将着重研究远程医疗咨询系统中的数据通信部分，并实现数 据通信的相关模块。 课题主要研究内容：c s c w ( c o m p e e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ew o r k ) 在 远程医疗咨询系统中的应用；完善北京市远程医疗咨询系统；电子白板在远程 医疗咨询系统中应用的研究与实现：p 2 p 在远程医疗中的应用。 1 4 论文组织安排 尽管远程医疗已经进入热潮阶段，其所涉及的相关技术已日趋成熟。然而， 远程医疗毕竟还是一个新兴的研究领域，如何利用现有的通信技术与最新的计 算机技术相结合，来解决现实中所面临的种种问题还有待进一步研究和解决。 本文是以北京市远程医疗咨询系统项目为背景，针对其应用过程中的问题 阱及提出的新需求作为二期原型解决的主要问题。 北京邮电大学研究生毕业论文 本文具体的组织安排概括如下： 首先，在第一章中概括的介绍了远程医疗及其国内外发展现状，以及本文 研究和实现的目标，论文组织安排。 第二章中介绍了远程医疗咨询系统的相关原理和技术。主要包括c s c w 原 理，网络通信模型，p 2 p 在远程医疗咨询系统中的应用以及网络传输技术。 第三章远程医疗咨询系统白板部分设计和实现，提出了远程医疗咨询系统 的一个新框架。本人着重研究数据通信部分电子白板协同工具，实现了框 架中电子白板子系统，并详细描述了电子白板开发过程，分析和解释了开发过 程中采用的思想和技术方法。 第四章对研究生期间工作和论文进行了总结，并对远程医疗咨询系统进行 了展望。 本文在电子白板的实现过程中，采用的新思想和技术方法主要有以下几 点： 自定义通信协议集： 自板数据采用r t p 协议封装，利用u d p 进行传输； 目前现有的电子白板或是基于t 1 2 0 的或是自定义封装。本文中 提出了r 1 p 封装和u d p 传输的方式。 对象序列化网络传输： 多线程处理。 本文作者在电子白板的具体实现中将进行详细的阐述以上这几点。 在研究生期间，作者还参加某公司的中国教师研修网系统项目的部署和开 发项目。 北京邮电大学研究生毕业论文 第二章相关原理和技术 远程医疗系统涉及到很多方面的知识和原理。目前其开发技术也正在趋于 成熟。但是对于一个特定环境下的系统，需要论证系统采用的相关技术。下面 将简单介绍一下远程医疗咨询系统相关的技术原理以及在系统中的作用。 c s c w 计算机支持的协同工作是远程医疗咨询的理论基础。远程医疗的协 同咨询是c s c w 在远程医疗应用中研究的主要内容和实现对象。远程医疗咨 询是基于网络通信的，采用何种网络开发模型将会对系统有深远的影响。r t p 是实时传输协议，用于远程医疗咨询系统中实时数据的传输。我们将针对原系 统的不足，结合现有的原理和技术解决原系统中存在的问题。 2 1 计算机支持的协同工作 计算机支持的协同工作并不是一个很新的东西，研究关于如何利用计算机 进行协同工作方面的问题，在c s c w 这个词出现之前就已经开始了。2 0 世纪 6 0 年代，德国的哈肯教授已经提出了协同学的基本理论和观点。美国的 d e n g l e b a r t 开发的n l s 系统实际上就是一个c s c w 的原型系统，该系统各成 员可以进行相互的对话，已经体现了c s c w 领域的协作和通信概念。7 0 年代 出现了基于电视会议系统的c s c w 系统。8 0 年代后期，计算机网络和通信技 术的发展使得c s c w 的研究进入了一个迅速发展的阶段。以后随着网络和技 术的进一步发展，人们对协作的需求越来越多，c s c w 研究的领域也越来越广 泛。远程医疗系统就是c s c w 研究的一个重要领域。 2 1 1c s c w 定义与分类 c s c w 出现虽然很早，但是一直以来也没有个准确的定义。随着c s c w 研究发展，研究人员从不同的侧面给出了不同的定义。 g r e i f 对其定义为“一个关于计算机在群体工作中的角色的独特研究领域”。 b a n n o n 和s c h r n i d t 的定义是“c s c w 应致力于研究协同工作的本质和特征，并 以此为基础来设计出具有足够的计算机技术支持的协同工作的信息系统”。 清华大学史美林教授对c s c w 的定义是“地域分散的一个群体借助计算 6 北京邮电大学研究生毕业论文 机及其网络技术，共同协调与协作来完成一项任务。它包括群体工作方式研究 和支持群体工作的相关技术研究、应用系统的开发等部分”。 c s c w 可以按照以下两种方式来分类： 1 按照协作的方式主要分为两类：同步协作系统和异步协作系统。 同步协作系统就是群组成员在同一时刻使用该系统，实时地进行协同 合作。协同合作的活动同时进行，同时完成，其典型的例子是电视会议系 统，涉及到的技术有同步技术，多媒体传输技术等。 异步协作系统是群组成员不完全同时的利用该系统进行协同合作，协 作合作活动的完成往往需要较长的时间。电子邮件系统就是一个典型的异 步协作系统。 有些系统既可以有同步协作功能也有异步协作功能。 2 按照地理位置主要分为两类：同地系统和异地系统。 同地系统所有参与的用户在同一地理位置例如同一个局域网内部。 异地系统所有的参与用户分布在不同的地理位置例如分布在广域网 各地的用户。 随着网络技术的发展和通信带宽的提高，异地系统和同地系统之间的 差异会越来越小。 近些年来，c s c w 在远程同步协作，也就是同步异地系统方面的发展比较 迅速。 2 1 2c s c w 与远程医疗 随着计算机技术和网络技术的不断发展，计算机支持协同工作的应用领域 也在不断的扩大。远程医疗咨询系统就是属于计算机支持协同工作的应用之 一，以c s c w 的理论为基础，远程医疗咨询系统的发展正在不断的完善。 c s c w 在远程医疗中得到了广泛应用。远程医疗从广义上讲是使用远程通 信技术和计算机多媒体技术提供医学信息和服务。从狭义上讲，就是在计算机 网络环境下，在医疗管理信息系统的基础上，对异地开展远程医疗咨询与诊断、 远程专家会诊、远程手术指导、医学信息服务以及远程医学教学活动等。远程 医疗系统的协同合作模式可分为通过电子邮件进行医疗咨询或会诊的异步非 实时模式和通过视频会议、电子白板系统进行的远程实时协作模式。 北京邮电大学研究生毕业论文 2 1 3c s c w 工作原理 在当前的c s c w 研究中，计算机和网络通信技术是c s c w 系统的主要技 术基础，广泛的应用需求是c s c w 发展的主要动力。c s c w 具有大规模协作 的特性，即交互群体地域范围的分散性、协作环境的异构性、业务和学术领域 的广泛交叉、信息的多样性等。因此c s c w 的研究内容涉及很多方面，主要 包括群体协作模式、c s c w 模型和体系结构、协作控制机制、协作同步机制、 c s c w 应用开发环境以及群组通信支持等等。 c s c w 中有两个基本的概念是共同任务和共同环境。所谓共同任务就是合 作者共同完成的任务。所谓共同环境，从时间和空间的角度来考虑就是能即时 的将各地的信息传送到所有协作者的某个共享环境中，使协作者能有效地进行 交流合作。在c s c w 系统中使用的基本工具和支撑环境包括：电子邮件系统、 电子布告栏、会议系统、电子白板和文字讨论系统等。c s c w 应用很广泛，其 中可分为远程医疗系统、远程教育系统、协同设计和协同决策系统等等。 从系统的开发角度来理解，c s c w 的体系结构模型大体上可分成4 层第一 层为网络通信环境，它是c s c w 系统的最底层信息交流的支撑平台；第二层 是协同工作支撑平台，主要包括协同工作进行的主要机制和所需工具；第三层 提供协同工作的应用接口即编成接口、人际接口和人机接口，从而使上层的应 用系统和下层的支撑平台具有相对的独立性。第四层是各种c s c w 应用系统， 对应于不同的应用领域。 图2 - 1c s c w 系统框架 c s c w 系统结构模型的分类主要有集中式、复制式和混合式三类。 1 集中式结构 这种结构一般是基于c l i e n t s e r v e r 模式。客户端接收用户的输入 并将最后结果反馈给用户，任何用户的命令都要传到服务器上，由运 行在服务器上的应用程序接收并处理，之后把结果传送到所有客户端。 一一一一 北京邮电大学研究生毕业论文 在这种结构中，任何命令都要经过服务器很容易保证一致性。但是， 也因此使得当用户数目较多时，服务器的网络负载过重，网络上的延 迟会使系统响应变慢。 图2 2 集中式结构 2 复制式结构 在复制式结构中，所有客户机上都同时运行着同一个应用程序。只要 将每一个用户的输入命令发送到其他客户机结点上的应用程序，这些应用 程序就会去执行相同的命令，从而保证各客户机显示的一致。由于本地应 用程序负责对本地用户输入做出反应，因而能够快速的响应用户的操作。 命令的数据量远小于显示信息的数据量，复制式结构能够减轻网络负载， 提高系统的性能。但是这种结构在处理多用户同时操作时的并发控制比较 困难。 图2 - 3 复制式结构 3 混合式结构 混合式结构是集中式结构和复制式结构的综合，以发挥这两种结构各 自的优点，避免 e t l q 的缺点。在混合式结构中，复制部分使系统具有较好 北京邮电大学研究生毕业论文 的灵活性和较短的响应时间，集中式部分能保证数据的一致性。但是混合 式结构实现比较复杂。 2 2 网络通信模型 远程医疗咨询系统集多媒体技术、网络通信技术和医疗技术为一体。在实 施远程医疗咨询系统时，必须要对远程医疗的特点、总体结构和功能进行分析 和研究，而远程医疗咨询系统平台主要是针对医疗单位的用户和些医学资料 ( 例如医学图像等) 。 软件的总体架构对软件的功能和性能是至关重要的。本次系统的架构是在 原有系统架构的基础上以及现有的条件下分析比较后提出来的。这一架构既弥 补了原有系统的不足又适应新的需求。 目前，网络中c l i e n t s e r v e r 和b r o w s e r s e r v e r 是普遍存在的两种通信模型。 各个模型都有自己的特点。 传统的分布式系统结构是c l i e n t s e r v e r 模式。c s 指的是c l i e n f f s e r v e r 模 式的简称，它是一种典型的二层结构，具有较高的数据操纵和事务处理能力， 是对数据完整性和安全性要求较高的一种模式。按照各自实现功能的不同，将 应用程序分为两大部分：一部具有更高的处理能力称之为服务器部分；另外一 部分是用于处理应用程序请求服务的，称之为客户部分。相对与b r o w s e r s e r v e r 模式，c s 模式反应速度快，更利于处理大量数据。一旦服务器程序被启动， 就随时等待响应客户程序发来的请求。这种结构最大的优点就是系统结构简 单，便于管理。 b s 模式指的是b r o w s e r s e r v e r 模式。它是随着h a t e m e t 技术的兴起，对 c s 模式进行改进后得到模式。在b s 模式下，用户界面完全通过浏览器实现， 一部分事务逻辑在前端实现，主要事务逻辑在服务器端实现。在b s 模式中， 为了使客户端不再受平台的约束，只需在所有客户端装上操作系统。网络协议 软件、浏览器即可。而用通用的浏览器实现了原来需要复杂专用软件才能实现 的强大功能，并节约了开发成本，是一种全新的软件构造技术。这种模式是基 于t c p i p 协议和h t t p 协议，以w e b 技术为基础的。相对c s 旧模式，它有以 下优点：简化了客户端，只需要在客户端安装浏览器软件即可，不用在不同的 客户端上安装客户应用程序：简化了系统的开发和维护，使用户的操做使用更 加简单，适用于网上信息的发布。 总之，c s 通信模型的客户端是胖客户端，虽然开发和维护比较复杂，但 北京邮电大学研究生毕业论文 是它能够提供更复杂的功能，很适合远程医疗咨询系统中的协同工作应用。b s 通信模型的客户端是浏览器，是瘦客户端，开发成本和维护成本比较低适合远 程医疗咨询系统管理应用。 2 3 p 2 p 在远程医疗咨询系统中的应用 p 2 p 是p e e r t o p e e r 的简称，也叫对等网。p 2 p 系统由若干互联协作的计算 机构成，且至少具有如下特征之一：系统依存于边缘化( 非中央服务器) 设备 的主动协作，每个成员直接从其他成员而不是从服务器的参与中受益，系统中 成员同时扮演服务器与客户端的角色，系统应用的用户能够意识到彼此的存 在，构成一个虚拟或实际的群体。 在p 2 p 模型当中，p e e r 之间可以直接互连。对于每一个p e e r ，它既可以作 为客户机，又可以作为服务器，这使得传统意义上的服务器概念被削弱了。下 图是一个简单的p 2 p 的应用模型： 图2 - 4 纯p 2 p 模式 p 2 p 模型的主要形式及其系统结构： 1 集中式p 2 p 集中式p 2 p 形式是目前应用比较成熟和普遍的一种模型，从本质上 来说它并不是纯的p 2 p 模型。它有一个中心服务器来负责记录共享信息 以及回答这些信息的查询。每一个对等实体对它将要共享的信息以及进行 的通信负责，根据需要下载它所需要的其他对等实体上的信息。这种形式 具有中心化的特点，但是中心服务器又不同于传统意义上的服务器。传统 的服务器上存放客户机需要的资料，客户机只能被动的从服务器上读取信 息，并且客户机之间不具有交互能力。而这里的服务器只是记录共享的索 北京邮电大学研究生毕业论文 引信息，并不提供客户机或说对等实体所需要的资料。这部分的资料都分 别存放在提供该资料的客户机上，对等实体之间具有交互能力。这里的服 务器起到的主要作用是定位找寻功能。 2 分布式p 2 p 分布式p 2 p 形式是一种纯p 2 p 模式，这种形式不需要有中心服务器， 对等网络上的每一个p e e r 都作为对等实体，地位完全平等。每一个p e e r 既可以作为客户机又可作为服务器，并且它们与相邻的p e e r 有相同的能 力。具体的说它有两种路由结构，一种是分布式的目录结构，另外一种是 直接消息传递。这中模式很好的解决了中心化的问题，但是搜索请求要经 过整个网络或者至少是一个很大的范围才能得到结果。这种模式占用很多 带宽，而且需要花费很长时间才能返回结果。同时，这种纯分布式的p 2 p 模式还缺少对网络上的用户结点数以及他们提供的资源的一个总体把握。 3 混合p 2 p 集中式p 2 p 有利于网络资源的快速检索，而且只要服务器能力足够 强大就可以无限扩展，但是其中心化的模式容易遭到直接的攻击：分布式 p 2 p 形式解决了抗攻击的问题，但是缺乏快速的搜索和可扩展性。混合 p 2 p 形式结合了集中式和分布式p 2 p 形式的优点，在设计思想上和处理能 力上都得到进一步优化。它在分布式模式的基础上将用户结点按照能力进 行分类，使某些结点担任特殊的任务。包括三种结点：用户结点、搜索结 点和索引结点。用户结点就是普通的结点，不具有任何特殊的功能。搜索 结点处理搜索请求，从它们的孩子结点中搜索文件列表，这些结点必须有 较好的网络连接速度。索引结点保存可以利用的搜索结点信息、搜集状态 信息以及尽力维护网络的结构。一个结点可以既是搜索结点又是索引结 点。用户结点可以选择三个搜索结点作为它的父结点，如果父结点接受该 用户结点作为它的孩子的话，那么该用户结点就可以提交它要共享的列表 给它的父结点。缺省的情况下，搜索结点最多可以维护5 0 0 个孩子结点。 p 2 p 在网络共享资源的分发中有很大的优势，而远程医疗活动中存在着大 量数据( 医学资料，医学信息等) 的网络分发。利用p 2 p 的优势，将会使系统 的分发变得更加稳定可靠。 2 4 网络传输 网络应用程序离不开网络通信技术。但是各项技术的特点不同，适应的场 2 北京邮电丈学研究生毕业论文 合不同，在特定的场合下，我们需要选择合适的技术阻达到理想的效果。下面 将讨论一下项目中涉及到的相关技术，以便提出一个适合的模型框架。， 2 4 1 单播与组播 以t c p i p 协议为基础的网络，其数据传输的方式有单播，组播和广播三 种( 这里指的是i p v 4 ) 。广播会造成网络资源的浪费，容易造成网络阻塞。 单播方式 单播主要完成数据从一方传送到另一方的任务，传送数据的时候必须在发 送方和接收方建立通道。单播方式既可以利用t c p ，也可以利用u d p 作为传 输层协议。如果一台主机同时给少量的接收者传输数据，一般没有什么问题， 但是如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝却很难实现。这将导致发送 者负担沉重、延迟长和网络拥塞。为保证一定的服务质量需增加硬件和带宽等 资源。 单播通信模型如图： - - b 图2 - 5 单播通信 单播的通信较为简单，目前的大多数应用都是采用单播模型。图中一个主 机作为数据源需要将数据发送到网络中的其他主机。对于单播数据源主机需要 分别和每个接收主机建立连接，然后发送数据到目的主机，每个连接都是独立 的，它们之间没有任何关系，只是共享网络带宽。 单播的应用一般是把主机分为服务器和客户机，上图中的数据源主机就是 起服务器作用，为其他的客户机提供数据信息，接收主机就是客户机。考虑到 服务器和客户机之间的数据交互，双方必须获得对方准确的i p 地址信息。因 北京邮电大学研究生毕业论文 为这些地址信息随着运行的网络环境的变化而变化，不是固定的。一种普遍的 处理方法是服务器的i p 地址相对固定，客户端通过设置服务器地址信息。当 客户机发送数据到服务器上时，服务器软件可以获得客户机的i p 地址信息， 一般会有多个客户机连接到服务器，服务器必须维持一个客户机地址信息列 表。客户机的加入和退出都会引起列表的变化。 服务器可以直接和客户机进行准确的数据通信，那么客户机之间如何通信 呢? 解决办法有两种：一种是采用服务器中转方式，所有客户机数据都发送到 服务器，由服务器把这些数据转发到相应的客户机。这种方法对于网络资源的 耗费较大，同时也增加了服务器的负担，这需要在设计服务器的时候进行优化。 第二种是采用客户机直接连接方式，需要进行数据传送的双方之间直接跳过服 务器进行连接和数据传送，同时要解决客户机之间如何得到对方的地址信息的 问题。可以通过从服务器获得所有用户信息列表来获得对方地址信息的方法。 这种方法不是最优，可以改进。采用查询服务器的方式，每次客户机需要跟另 外一个客户机进行数据传送的时候，都向服务器查询对方客户机地址信息。 组播方式 组播网络体系结构比较复杂，主要包括组播的基本工作原理、实现组播的 条件，组播的地址问题以及其他的相关支撑协议。 组播是一种允许一个或多个发送者( 组播源) 发送单一的数据包到多个接 收者( 一次的，同时的) 的网络技术。组播采用u d p 作为传输层，因为u d p 是无连接的，t c p 是面向连接的，u d p 组播源把数据包发送到特定组播组， 而只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。组播可以大大节省网络带宽， 因为无论有多少个目标地址，在整个网络的任何一条链路上只有传送单一的数 据包。 组播通信模型如图： 图2 - 6 组播通信模型 北京邮电大学研究生毕业论文 组播通信比较复杂，涉及到许多的机制。实现组播有自己的条件： 组播的组播源和接收者以及它们的底层网络都必须要支持组播。 主机的t c p i p 实现支持发送者接收i p 组播； 主机的网络接口支持组播； 有一套用于加入、离开、查询的组管理协议( i g m p v iv 2 ) ： 有一套碑地址分配策略，并能将第三层i p 组播地址映射到第二层 m a c 地址： 支持i p 组播的应用软件。 所有介于组播源和接收者之间的路由器、集线器、交换机、t c p i p 栈、 防火墙均需要支持组播。 目前许多的设备厂商都开发了自己支持组播的产品，但是在现有的网络 上，尤其是广域网上，还没有做到一整套完整的支持组播的协议和设备。i p v 4 地址的本身问题也阻碍了广域网上组播的应用。 在组播通信中，我们需要两种地址：一个是i p 组播地址和另外一个是以 太网组播地址。其中，m 组播地址标识一个组播组。由于所有i p 数据包都封 装在以太网帧中所以还需要一个组播以太网地址。为使组播正常工作，主机 应能同时接收单播和组播数据，这就意味着主机需要多个i p 和以太网地址。 i p 地址方案专门为组播划出一个地址范围，在i p v 4 中为d 类地址，范围 从2 2 4 0 0 0 到2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 。并将d 类地址划分为局部链接组播地址、预 留组播地址、管理权限组播地址；在i p v 6 中为组播地址提供了许多新的标识 功能。如下图： 口蛙翻戢t 格式 b i tol23 3 1 臣变 二莼殛口 i tot8l ll ii st 6 1 2 7 匝巫氢丑互五珏囹 图2 7 组播格式 在多点传输中和单播相比，组播有很大优势，但是组播的实现条件比较苛 刻。远程医疗咨询系统的现实网络环境很难满足要求，本系统中我们将采用基 于服务器中转的单播传输方式。 北京邮电大学研究生毕业论文 2 4 2r t p 与r t c p 协议 在t c p i p 协议体系结构中，t c p 和u d p 是处于传输层的协议。t c p 是面 向连接的传输层协议，它提供全双工的和可靠交付的服务。t c p 的通信双方在 通信之前，首先要通过三次握手来建立连接，之后才能进行数据的通信。t c p 发送端的应用进程按照自己产生数据的规律，不断的将数据块写入到t c p 的 发送缓存中。t c p 再从发送缓存中取出一定数量的数据，将其组成t c p 报文 段逐个传送给i p 层，然后发送出去。接收端从碑层收到t c p 报文段后，先将 其暂存在接收缓存中，然后让接收端的应用进程从接收缓存中将数据块逐个读 取。这就是t c p 的数据传输的简单过程。t c p 传输保证了数据传送的可靠、 按序、无丢失和不重复，为此它引入了很多机制，如流量控制、拥塞控制和重 传控制等等。对实时音视频传输来说，减少传输延时是十分重要的。t c p 的各 种复杂处理机制，占用了太多的资源，破坏了媒体流的连续性。所以t c p 并 不适合用于实时数据的传输。一般用于传输通信过程中可靠性要求较高的控制 信息。 用户数据报协议u d p 只是在i p 的数据报服务之上增加了很少一点的功 能，这就是端口功能和差错检测功能。u d p 发送数据之前不需要建立连接，并 且没有拥塞控制，简单高效。u d p 的简单和高效性使得它比t c p 的实时性要 好，很适合实时应用。但是它是无连接协议，不提供可靠的数据传输，对实时 传输的q o s 不利。 1 r t p 协议 r t p 协议是实时传输协议，用于i n t e m e t 上针对多媒体数据流的传输。 i n t e m e t 是一个共享数据报的网络，因此数据报在i n t e m e t 中传输时会存在不可 预期的延迟和不稳定性。但是多媒体数据的传输恰恰需要精确的时间控制，以 保证多媒体内容最终能够正常地回放。r t p 正是在这种需求下产生的协议，它 在数据传输的时间性上制定了特别的机制。r t p 协议主要完成对数据包进行编 号，加盖时间戳，丢包检查，安全与内容认证等工作。通过这些工作，应用程 序会利用r t p 协议的数据信息保证流数据的同步和实时传输。 r t p 协议设计采用了c l a r k 和t e r m e n h o u s e 提出的应用层组帧a l f ( a p p l i c a t i o nl e v e lf r a m i n g ) 和集成层处理i l p ( i n t e g r a t e dl a y e rp r o c e s s i n g ) 原则。这也就是说，r t p 协议不是一个独立的协议层实现，而是集成到应用层 中去了，是一个协议框架，应用程序可以根据实际需要实现其中的某些部分。 r t p 数据包由固定报头和有效载荷两个部分组成，其中固定报头又包括时 间戳、顺序标号、同步源标识、贡献源标识等，有效载荷就是传输的音频或是 6 北京邮电大学研究生毕业论文 视频等多媒体数据。 t i m es t a m p i n g ( 时间戳) 是实时应用中的一个重要概念，发送端会在数据 包中插入一个即时的时间标记。这个时间标记就是所说的时间戳，时间戳会随 着时间的推移而增加。当数据包抵达接收端后，接收端会根据时间戳重新建立 原始音频或视频的时序。时间戳也可以用于同步多个不同的数据流，帮助接收 方确定数据到达时间的一致性。 s o u r c ei d e n t i f i c a t i o n ( 源标识) 可以帮助接收端利用发送端生成的唯一数 值来区分多个同时的数据流，得到数据的发送源。 p a y l o a dt y p e ( 有效载荷类型) 对传输的音频视频等数据类型给予说明， 并晓明数据的编码方式，接收端从而知道如何破译和播放负载数据。 r t p 报头格式如下： v = 2p i x ：c cm阿 s e q u e n c en u m b e r 【t