（生物医学工程专业论文）远程医学系统中虚拟存储技术的研究.pdf

远程医学系统中虚拟存储技术的研究a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i t i s p o s s i b l e f o rt h e s t o r a g es y s t e mt o b ef a r t h e rd e s i g n e da n di m p r o v e di nt h e t e l e m e d i c i n e s y s t e m t h e v i r t u a l s t o r a g et e c h n o l o g yp e r m i t s c l i e n tt os t o r e i n f o r m a t i o ni nt h ed i s k sa n dt a p si na t r a n s p a r e n ta n d e f f i c i e n tf o r ms ot h a tt h ec l i e n t c a nh a v ea ne f f i c i e n t u s a g e o ft h e i r s t o r a g es p a c e i t n o t o n l y s u i t sf o rt h e c o m p l i c a t e dm e d i c a ld a t ab u ta l s oe n s u r e st h es e c u r i t yo f t h em e d i c a li n f o r m a t i o n b r i n gt h e v i r t u a l s t o r a g et e c h n o l o g y i n t ot h et e l e m e d i c i n es y s t e mt os o l v et h e p r o b l e mo f t h em a s ss t o r a g eo ft h em e d i c a li n f o r m a t i o na n dh a v i n ga ni n f o r m a t i o n s h a r ec a ng i v ea na c t i v ee f f e c to nt h ev i r t u a l i z a t i o na n dg l o b a l i z a t i o no f t h ef u t u r e h o s p i t a l t h ev i r t u a ls t o r a g ew i l l s u b s t i t u t ef o rt h ef o r m e rs t o r a g em e t h o d si nt h e t e l e m e d i c i n es y s t e ms o o n e ro rl a t e r i nt h i s p a p e r , w es t u d yt h ep r i n c i p a l o ft h ev i r t u a l s t o r a g e s u c ha sv i r t u a l m a p p i n g ，d a t aa c c e s s ，e v e n tm o n i t o r , a n ds t o r a g em a n a g e m e n ta n da n a l y z e t h e i r a p p l i c a t i o ni nt h ec o n s t r u c t i o no f t h ew h o l es y s t e m w ea l s og i v et h ed e s i g np r o j e c t o ft l l ew h o l es y s t e ma n dr e a l i z et h es t o r a g e ，i n q u i r ya n dt h em o d i f i c a t i o no ft h e m e d i c a ld a t ai nt h eo p t i c a lf i b e rn e t w o r kt h es y s t e mc a nc o n c e n t r a t et h ed i f r e r e n t s t o r a g ed e v i c e sa n d r u ni ti no r d e rs ot h a tt h em e d i c a li n f o r m a t i o ng a dh a v eas h a r e ， t h es t o r a g ee f f i c i e n c yc a nb ei m p r o v e d ，t h ec o s t sc a nb es a v e da n dt h er e c e n td e v i c e s c a nb ef u l l yu s e d w ec a ns e et h ei n n o v a t i v ea n dd i f f i c u l tp o i n t so ft h es y s t e m ：w ep r e s e n tan e w a p p r o a c ho f t h ec o n s t r u c t i o n so ft h ev i r t u a ls t o r a g es y s t e mf o rm e d i c a li n f o r m a t i o n s y s t e m ；w ef o r mt h ev i r t u a lm a p p i n g w i t ht h ec e n t r a ld a t a b a s e ；w ea l s of i n df lg o o d m e t h o dc a l l e dt h et h i r dp a r t yt r a n s f e rt or e a l i z et h ed a t at r a n s f e ra n dm e a n w h i l e r e d u c et h et r a n s f c rt i m e t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h o s em e t h o d sw ep r o v i d ea r e p r a c t i c a la n d t h ee f f e c ti sp r e t t yg o o d w eh a dat r y o u ti nt h em e d i c a ln e t w o r ko fo v e rs i x t yh o s p i t a l si ns h a n g h a iw i t h t h es u p p o r to f t h es v a j i a n y a n g n e t w o r kc o ，l t da n df i n a l l yg o tt h e i rc e r t i f i c a t i o n k e y w o r d s ：t e l e m e d i c i n e ；v i r t u a ls t o r a g e ；v i r t u a lm a p p i n g ；t h i r dp a r t y t r a n s f e r ； s t o r a g em a n a g e m e n t 1 1 远程医学系统中虚拟存储技术的研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的医学与工程背景 1 1 1 国内外远程医学的发展和研究应用现状 远程医疗作为一种新兴的医疗服务方式，它利用现代通讯和计算机技术，传 输多媒体医疗信息来实现远距离的医疗活动【“。其主要形式有远程医疗咨询、远 程医疗会议、远程医学教育、远程医疗、医药、器械信息检索与服务、远程手术 支持、远程家庭病床监护等一切与医学相关的多媒体交互式服务。 远程医疗的目的是增加医疗服务和医学教育的可能，减少因地区差异、贫富 差别、种族差异等造成医疗水平的不平等，使患者以负担得起的价格获得高水平 的医疗服务。 在远程医疗中，医学信息系统的地位是通过运用计算机在多个方面得以体现 的，包括：通过使用计算机数据库为医疗卫生机构提供有关病人的特定信息；医 疗数据库中的传染病学和统计学信息有助于提高医学决策和治疗水平；实现医疗 过程的标准化和监控。医学信息系统和远程医疗的结合使得在人员稀少和偏远地 区能够应用医学信息学提高医疗水平。此外，使用计算机技术能够实现复杂医学 知识库的建构，乡村医生也能够远程地获取丰富的计算机信息。计算机化的病人 纪录使得全社会范围内病人的识别和跟踪成为可能，进而实现数据驱动自动医嘱 系统以及诊疗过程标准化。 早在六十年代，远程通讯就用于美国城市与农村间进行医学信息交换。美国 n e b r a s k a 大学就是最早应用远程医疗技术的地方，它用双向闭环微波电视进行精 神病学会诊。美国国家航空航天管理局( n a s a ) 在国家医药图书馆的指导下， 也在六十年代利用卫星支持了一个远程医疗项目，它在洛矶山和阿拉斯加地区之 间进行远程医疗服务。在七十年代，n a s a 也资助了在印地安保留区实现了远程 医疗信息系统。虽然远程医疗信息系统发展了3 0 多年，但是由于技术和经费的 限制，远程医疗系统发展的并不是很快，一般认为它还处于发展的初期。近年来， 随着光纤网络、综合业务数字网( i s d n ) 、异步传输模式( a t m ) 、数据压缩等 新技术的出现及各种相关技术的发展，使远程医疗系统进入了相对实用阶段。 我国幅员辽阔，人口众多，医疗水平发展不平衡，从而造成一些偏远地区患 有疑难、危急病症的病人不能及时获得合理医治，给病人和家属造成损失；即便 在城市里，医生的总体医疗水平也亟待提高，来减少医疗事故的发生。各地医院 远程医学系统中虚拟存储技术的研究 第一章绪论 确实很需要有专家的远程支持来提高业务水平。因此，我国远程医疗在1 9 9 6 年 起就有了一定数量的应用，到目前将近有4 0 0 5 0 0 家医院与上海、北京等大城市 的高级医院建立远程医疗会诊关系。 国内由于一些基本条件的限制( 长期缺乏大规模的高速通讯网、高性能p c 、 多媒体操作系统) ，直到九十年代才涉及该领域，起步较晚，但发展较快，许多 方面已跟上了国际潮流。目前，国内从事远程医疗开发的共有十几家高校、研究 所、公司，例如上海医科大学、上海交通大学、北京金卫公司、南京军区南京总 医院、上海科技投资公司等，都己独立或合作开发出自己的远程医疗系统，并已 投入实用。 如果回顾和总结这几年远程医疗在各地开展的情况，可以发现这种医疗形式 能够使不少病人的困难获得又好又快的解决，有十分重大的意义。但是也存在一 些诸如海量数据的存储等急需解决的问题，只有这些问题的逐一得到解决才能使 这一新的医疗形式获得更好的发展。 1 1 2 虚拟存储的意义与发展现状 现在，越来越多的企业发现，在数据的存储和管理方面面临着两大难题：一 方面，随着数据的爆炸性增长，企业在存储设施方面的投资正在急剧膨胀。据i d c 调查，到2 0 0 3 年，未来存储将占据企业7 5 的i t 预算，而且客户的大容量存 储的要求每年都会翻一番，存储市场正在成长为比服务器更大的市场。另一方面， 数据每年成倍增加，管理费用也成倍增加，同样根据i d c 的调查，用户每投1 美元在存储上，就再得投入8 美元用于管理。有一件事是肯定的，企业都有存储 并保护数据的需求，i t 部门被要求既要节省费用又要满足它的需求。而按照传 统的存储管理方式需要投入大量的人力和时间并需要不断增加昂贵的物理存储 容量。这就像是一个无底洞，更多的数据意味着用户需要购买更多的存储容量， 而更多的存储容量又意味着更大的管理难度和成本。 对于用户来说，随着要存储的数据量的急剧膨胀，问题也显著增多：数据存 储设备总是不够：访问它会很复杂；要充分利用它几乎是不可能的；并且作备份 会很棘手这些只是与数据存储有关的问题的一部分。 利用基于网络的存储技术可以解决一部分的问题，因为它模糊了网络和本地 资源之间的界限，配以合适的一层硬件和软件支持，就有可能使网络资源看上去 是本地资源，因而散布在网络各处的存储设备就如同是常驻在本地计算机上那 样，能够被访问。这就有可能更充分地利用分布在局域网和广域网上的数据存储 设备。但这同时也带来了新的问题：虽然网络资源看上去像本地资源，但并不一 定会使利用网络数据存储变得容易，访问不同的存储设备仍有不同的协议，保持 2 远程医学系统中虚拟存储技术的研究 第一章绪论 对各处不固定的以兆字节计的数据进行跟踪，是有困难的。随着向存储虚拟化方 向转移，这些问题可能会迎刃而解。这是因为虚拟存储技术具有如下两个主要优 势： 1 更充分地发挥存储硬件的能力和提高存储效率，降低用户存储硬件开销 目前存储业界面i 临的最大问题之一就是物理存储的效率非常低。比如现在用 户为了保护数据，经常需要不断地建许多镜像和进行大量的备份工作，这需要占 用大量的物理存储空间，针对这一问题的传统技术解决方案是增加更多的磁盘。 现在大多数客户的情况是，在他们的磁盘中，只有3 0 得到了真正有效的利用， 其他的都浪费到镜像方面。 丽虚拟存储技术允许客户以透明有效的方式在磁盘和磁带上存储数据，让用 户对他们的存储空间进行更加有效的使用。可以说，虚拟化并不是一个新平台， 而是一种新的方式，它为存储资源管理提供了更好的灵活性，可以将不同类型的 存储设备集中管理使用，保障了用户以前购买存储设备的投资。 2 削减总体存储的管理和运行成本，包括硬件费用、维护费用以及操作人员费 用等 虚拟存储提供了一个大容量存储系统的集中管理手段，由网络中的一个环节 ( 如服务器) 进行统一管理，避免了由于存储设备扩充所带来的管理方面的麻烦。 例如，使用一般的存储系统，当增加新的存储设备时，整个系统( 包括网络中的 诸多用户设备1 都需要重新进行繁琐的配置工作，才可以使这个“新成员”加入 到存储系统之中。而使用虚拟存储技术，增加新的存储设备时，只需要网络管理 员对存储系统进行较为简单的系统配置更改，客户端无需任何操作，感觉上只是 存储系统的容量增大了。 此外，虚拟存储技术可以通过管理软件，为网络系统提供一些其他有用的功 能，如无需服务器的远程数据镜像、数据快照( s n a p s h o t ) 等【i 圳【j 。 虚拟不只是一种先进的存储技术，它是信息管理的战略方式，是存储发展的 必然趋势。从它的发展史我们可以看到，虚拟存储还是一个新兴的技术，它的发 展和应用将带来存储业界的一次革命”。 1 9 9 4 年，s t o r a g e t e k 发明世界上第一个虚拟磁盘产品，i c e b e r g 1 9 9 8 年，推出虚拟磁带产品，v s m ，虚拟存储管理系统 1 9 9 8 年，基于i c e b e r g ，推出s v a 9 5 0 0 共享虚拟磁盘阵列 2 0 0 0 年，推出世界上第一套虚拟网络产品( v s a n ) ，s n 6 0 0 0 2 0 0 1 年，推出虚拟磁盘的最新一代产品v 9 6 0 现今，虚拟存储应用的主要领域包括：虚拟磁盘和磁盘阵列，虚拟磁带以及 虚拟s a n 等。 1 ) 虚拟磁盘和磁盘阵列 远程医学系统中虚拟存储技术的研究 第一章绪论 已经安装的一些虚拟存储系统是面向磁盘的，向用户提交一个像磁盘的接 口，并可从多个网络磁盘中配置实际的存储。在讨论面向磁盘的系统中经常提到 一个术语是存储池。 从用户的眼光看，存储池就是一个存储设备库，用户可以从中申请不超过限 定最大值的任何容量的磁盘空间。介入软件和硬件层的目的是管理不连在一起的 磁盘空间，使它看上去和工作起来像单一磁盘一样【3 0 】。 面向磁盘的范例除使用简单外还具有很多优势。当一系列异构网络磁盘的接 口被统时，系统管理员就有可能实施单的政策，覆盖所有的数据存储。这也 使实现单一的全面备份方案更加容易。这种虚拟接口有助于确保充分使用散布在 网络各处的数据存储设备的全部容量。而且系统是可扩充的：增加磁盘对用户来 说是透明的。 比如象康柏公司用于w i n d o w sn t 和w i n d o w s 2 0 0 0 的s t o r a g ew o r k sv i r t u a l r e p l i c a t o r ，它能让用户将物理存储阵列分成与真正的磁盘类似的逻辑虚拟存储 池。这样，系统管理人员能根据用户和应用的需求分配磁盘空间，使公司能根据 自己的实际需求扩缩存储空间。s t o r a g ew o r k s 的另一主要特点是“瞬态”能力， 即了解虚拟磁盘的瞬时状态。管理人员可以利用瞬态特性来进行存储器备份或恢 复工作，不必费时去拷贝存储器或使之脱机。 另个例子是美国存储( s t o r a g e t e k ) 公司的v s a 系列虚拟磁盘阵列，它的优 势主要表现在两个方面：第一，用大量的硬盘组成单一连续存储空间的虚拟存储 器，支持多个主机的并发访问；第二，把主机和物理存储器完全隔离，使主机看 到的只是分配到的存储空间，并带有数据保护和数据镜像功能，而不必关心具体 的存取操作。由于存储容量和主机的分配完全是在逻辑上进行的，这就带来了以 下好处： 存储区可由多个主机共享( 可支持4 8 个不同平台的主机并发共享) ； 各主机所使用的存储容量可任意设置： 可跨越多个磁盘甚至整个磁盘阵列进行奇偶校验计算，从而将奇偶校验 计算开销降至3 ； 可根据需要随时增减物理磁盘； 可在数据集( 而不是磁盘) 一级设置数据保护和镜像级别； 可随时改变数据保护和镜像级别，不必进行任何硬件配置更改。 2 ) 虚拟磁带 面向磁带的虚拟存储方案主要是解决用户数据的备份问题。比如象i b m 和 s t o r a g e t e k 公司的虚拟磁带库系统。 虚拟技术的引入为传统的备份工作带来了巨大的变革，它可以有效缩短备份 时间，提高备份工作的效率，节省用户的投资，特别适合于像数据中心、金融、 4 远程医学系统中虚拟存储技术的研究 第一章绪论 电信等业务种类繁多，需要频繁进行大批量备份作业的行业用户使用。 对商业用户来说，数据备份不是目的，备份的目的是为了恢复快速恢复。 而要实现这一目标，备份时必须采取特殊的方式，即所谓精细备份。比如象银行 这样的用户，有很多种业务，一个业务对应一些文件，可能有几千上万个文件。 传统备份方式是个磁盘或一个卷备份，这样即使只有一个文件损坏也要把整个 磁盘或整个卷的数据都进行恢复，难以做到快速恢复。因此精细备份把各份作业 分得很细，每个应用更改的是哪个文件，只备份这个文件，这样恢复时只需要恢 复损坏的文件，大大提高了恢复的速度。但这同时也带来另外一些问题，由于每 个备份作业的数据量可能不是很大，许多的磁带空间被浪费掉了；并且由于作业 数量很多，大量备份作业需要逐个排队等待磁带机空闲下来，备份的时间拖得很 长。传统的解决方法是买更多的磁带机，这意味着一大笔投资，同时配套的机房 空间、耗电量也随之加大。 传统的存储环境下，客户选择磁带和自动磁带库主要用于备份，但是越来越 多的客户考虑到价格因素，开始用磁带代替磁盘用于某些应用。不幸的是，主机 系统的本身设计造成磁带介质的使用率低下。当将数据存入磁带盒时，只能存入 一组数据。根据数据量的大小，没被使用起来的磁带盒容量可高达9 9 。如果 再把那盘磁带盒放入带库，造成的浪费就更大了。所以，即便客户使用自动磁带 库，他们也只能将2 0 到5 0 的并经常使用的磁带盒放入磁带库自动操作，其 它的仍放在手工操作的架子上。 采用虚拟磁带技术则可以有效解决这些问题。比如s t o r a g e t e k 公司的虚拟磁 带库系统，它通过在主机和磁带库系统之间增加一组高速的磁盘缓存，并把他们 仿真成多个虚拟磁带机驱动器。对主机来说，它看上去好像是把数据写到了物理 磁带设备上，实际是中间的磁盘缓存，该缓存在数据写到备份的盒式磁带上之前 处理数据，并最终把一个一个虚拟带迁移到物理的磁带上。 这样做的好处主要有三个：( 1 ) 通过利用虚拟磁盘技术，可以根据备份文件的 大小灵活地分配虚拟磁带的存储空间，大大节省磁带用量：( 2 ) 由于虚拟磁带机 不需要像真实磁带机那样找带、装带，大大缩短了备份时间；( 3 ) 一个虚拟磁带 库系统可以虚拟多个( 比如s t o r a g e t e k 公司的产品可以虚拟6 4 或更多个磁带机) ， 而其费用却比购买同样数量的真实磁带机便宜得多，可大大降低用户的硬件投 资。 3 ) 虚拟s a n i j 3 】f 1 卅 虚拟技术目前也广泛地应用于s a n 当中，据v e r i t a s 公司的技术人员介绍： 随着s a n 备受关注，如何管理这种新的s a n 网络成为存储管理软件的一大热点。 对s a n 而言，虚拟存储技术能够使最终用户很方便地使用、改变存储而不必去 了解存储的生产厂商、位置和型号等。特别是对于现在越来越复杂的存储环境， 远程医学系统中虚拟存储技术的研究 第一章绪论 企业为了管理好s a n 的网络环境，需要雇用了解各种存储设备特性的专业管理 人士。而采用虚拟存储技术，可以使在主机端对物理资源的管理变得很简单。 由于当前用于配置和管理存储设备的费用比起购买存储设备的花费越来越 昂贵，当一个公司采取高度集中的内部网结构，对存储容量和持续可用的需求越 来越迫切。同时，由于每个管理员都需要了解许多产品的特性，有经验的管理员 价格昂贵而且很少，导致公司管理s a n 网络的成本上升。在这个时候，s a n 结 构已经和服务器结合得特别紧密，虚拟存储技术可以用于减少管理存储的费用。 虚拟存储技术实际上是一个可以用来建立存储服务的平台工具。随着越来越多的 厂商都在发展各自的虚拟存储技术，虚拟存储技术已经融合到s a n 结构中的各 个环节中。 1 2课题的提出 i n t e m e t 时代，随着信息成为生产力的核心，企业对信息的存储与管理需求 正在飞速地增长，存储设备正在从服务器体系中独立出来，成为企业信息基础设 施的中心。有调查表明，在未来的2 3 年之间，7 5 的公司会重组以支持存储 的这种改变。 因此，如何有效地利用现有的存储容量以削减物理硬件投资、简化管理以降 低运营维护成本成为当务之急。虚拟存储技术的出现和应用将有助于企业实现这 一目标，作为存储技术未来的发展趋势之一，业界分析人士认为，到2 0 0 3 年， 9 0 的公司会将存储虚拟化。 同时，在现今的远程医学系统中，医学数据包括文档( 如专家个人资料、病 人个人资料等) 、图形图像( 如心电图、脑电图、x 光片、c t 图像、超声、胃镜 等) 、报表( 如病人的病历表等) 以及一些医学演示、教学的音频、视频数据等， 医学信息量大、复杂，并且要大范围的实现信息共享，使得传统的大型存储库无 法满足真正的信息共享，如何解决医学数据的海量存储引出了医学信息存储技术 的新课题。 远程医疗中传送的医学信息主要有数据( d a t a ) 、文字( t e x t ) 、视频( v i d e o ) 、 音频( a u d i o ) 和图像( i m a g e ) 等形式。其中数据和文字信息的数据量小，对通 信要求不高。视频和音频信号数据量较大，而且在远程会诊和交互式会议中需要 同时传送视频和音频信号，因此对通信要求较高。医学影像信息根据实际应用要 求的不同分为静止图像和运动图像。静止图像一般为一幅或几幅医疗影像，如x 光片或c t 图像，传输的实时性要求不高；运动图像要求显示一系列变化的图像， 实时性要求高，对通信网的带宽和传输速度都有较高的要求。表1 1 显示了不同 类型医学数据的大小，从图中我们可以了解到解决医学数据海量存储的必要性。 6 远程医学系统中虚拟存储技术的研究第一章绪论 应用分类内容大小 医学图像c t 0 1 0 4 m b m m8 0 k b 超声 2 5 0 k b 核磁共振成像 1 6 k b 数字x r a y 1 5 m b 胶片x r a y 7 m 医学文档 ， 病历几十k 几百k 报表几十k 一几百k 资料几十k - 一几百k 医学音频远程监护心音1 0 - 7 6 8 k b p s 远程会诊及远程教育语音 6 4 k b p s 医学视频远程会诊及远程教育视频图像6 4 7 m b p s 表1 1 医学数据量【” 随着计算机和通信技术的高速发展，应用医学与信息技术、计算技术相结合， 进行医学数据的数字化存储是目前研究的热点之一。随着向存储虚拟化方向转 移，医学信息的海量存储问题可能会迎刃而解。目前国内外把虚拟存储技术应用 于远程医疗系统的研究还不多。 把虚拟存储技术应用于远程医学系统中，解决医学信息的共享问题，可以极 大地提高医院目前的事务处理能力，加强对病人数据的管理、实现海量数据的存 储和查询，是位于各处的医师们可以同时观看病人的x 光片、m 和c t 扫描 图片等数据，以及提高有价值的医学信息的共享利用，为未来医院走向虚拟化， 服务走向全球化提供更有力的手段。在不远的将来，通过计算机网络，医生可以 在任何时间、任何地点轻而易举地获得一个病人的所有医疗信息。 论文将从以下几个方面阐述虚拟存储技术在远程医学系统中的应用： 第一章远程医学平台构架：介绍本系统运行的网络平台的总体构架及其 特点； 第二章虚拟存储原理及接口框架：针对本系统的特点，提出将在系统中 应用的技术方法，如虚拟映射、事件监视、数据访问，存储管理 等虚拟存储相关原理以及相关接e l 的定义； 第三章系统的设计与实现：系统的总体框架流程，并讨论其分步的实现 过程； 第四章结果和讨论：给出系统在远程医学网络平台上的运行结果，并进 行讨论，最后给出结论与展望。 7 远程医学系统中虚拟存储技术的研究第二章远程医学平台构架 1 引言 第二章远程医学平台构架 本课题的实验平台是上海六十多家医院的光纤互连平台【2 i 】，主干采用基于 d w d m 光传输和波长路由的全光通信技术，具有固定的低延迟传输性能，不仅 提供高速的数据通道，并且有限制提供包括声音和影像服务的多媒体服务，用户 可选择使用互联网络进行远程会诊，远程教育以及远程监护等【2 2 】。核心层有内环 线和三根中央线组成，环线总长8 0 公里左右，贯穿三个主节点，结点间通过八 根( 四收四发) 主干光纤进行通信，结点通信带宽为4 1 5 5 m ，拓扑结构见图2 - 1 。 该网于2 0 0 1 年底建成，为上海市众多医疗机构提供了通畅、便利的信息服务。 中山医院( o a d m ) 中心网管 x c l 通大学宽带光网研究开发中心于上海全光网络科技股份有限公司联合开发蝗娄 结赢设蕃。a 4 0 0 、x 8 0 0 整个机架由各个子架组成，分为复用段层子架、通孽量 子架、风扇子架、电源子架、走线槽等部分。复用段层子架完成光纤、复曩1 磐 的控制管理功能，包括中心网管或网元网管，光放大，复用段保护，。譬譬警咎， 光监控信道等单盘。通道层子架进行波长级的控制管理，完成光交叉火光分插， 远程医学系统中虚拟存储技术的研究 第二章远程医学平台构架 波长转换，光复接分接，功率均衡等功能。为适应将来更密集的波长信道数目通 信要求，可另外增加扩展机架。每种子架的具体数量将根据实际的需要来安装。 主要技术指标见表2 - 1 ： 项目特征描述 实用光纤类型支持g 6 5 2 ，g 6 5 3 ，g 6 5 4 ，g 6 5 5 光纤 组网方式点到点、线型网和2 纤及4 纤环网 波长数目和通信最大信道数为1 6 歌，最高传输速率2 5 g b p s ，通道间隔1 0 0 g h z ，中心波 能力长符台c - 6 9 2 标准及相关国家标准，中心频率漂移小于5 g h z 配置能力 o a d m 设备具有1 6 个上下路信道数的能力，o x c 具有6 4 x 6 4 光交叉和 本地1 6 个上下路信道数的能力 波长配置动态波长级带宽管理，提供对端到端通道业务的配置和保护 光接口速率提供速率从1 0 0 m 至2 5 g 的自适应光接口 网络监控监控信道中心波长1 5 1 0 n m q - 1 0 n m ，c m i 编码，传输速率为4 0 9 6 m b p s ， 接收及灵敏度4 5 d b m ，提供一路公务电话 性能管理提供1 6 个可用波长信道，对所配置的每个波长信道都有自动功率均衡控 制功能，并可对各信道波长、光功率及信噪比进行实时监控 保护方式提供o - b l s r 和o u p s r 保护( 或其中一种) 自语恢复能力 具有抗光纤线路和网络节点故障的自愈保护恢复能力，提供通道层保护、 复用段保护( 保护时间 5 0 m s ) 升级方式灵活的模块化结构使系统可以很容易地从一个波长扩展到最大容量，并 且支持在线升级 3 组网方式 表2 - 1o a d m 和o x c 主要技术指标 a 4 0 0 ( o a d m ) 和x 8 0 0 ( o x c ) 均适合多种灵活的组网方式，包括h u b 结构， 多纤环网，如构建二纤单向或双向光复用段保护环，四纤双向环等，以及m e s h 结构，并且通过开放式接口与不同厂家，不同类型的电层设备相连。用o a d m 设备组网，构建二，四纤单向，双向光复用段保护环，如图2 - 2 所示。 远程医学系统中虚拟存储技术的研究第二章远程医学平台构架 图2 - 2o a d m 组成环网示意图 不同厂家的电层设备，例如s d h ，a t m ，i p 路由器等标准接口可以与o a d m 设 备的开放式光接口直接相连，转换成i t u 标准光信道后在光网中运行。光复用 段自愈环采用自动保护倒换协议( a p s ) ，在光层面上对多个波长同时进行保护， 使得光传送网具有较高的保护效率和可靠性。图2 - 3 是利用x 8 0 0 构造m e s h 网。 在网管系统的参与下，用o x c 实时恢复算法，通过波长路由建立新的光信道， 在m e s h 网中的实现保护恢复。 图2 - 3 x 8 0 0 构造m e s h 网示意图 远程医学系统中虚拟存储技术的研究 第三章虚拟存储的实现方法及接口框架 第三章虚拟存储的实现方法及接口框架 虚拟存储的实质和核心就是使用较少的真正存储硬件，但是表现为多个虚拟 存储硬件。虚拟存储技术【l 钉( s t o r a g ev i r t u a l i z a t i o n ) 将物理上的存储设备和操作系 统中的文件独立开来，在它们之间建立起一个虚拟层。虚拟层将文件系统映射到 相应的存储设备上，并对存储设备进行管理。用户不再需要知道存储设备是如何 配置的、它们在什么地方和容量有多大。 在虚拟存储技术中，虚拟映射、事件监视、数据访问，存储管理等虚拟存储 的相关实现方法以及相关接口的定义【1 7 】【25 1 ，都是应用于本系统的关键技术，本 文对这些技术进行了研究和探讨，下面对它们进行详细论述。 3 1 虚拟存储的实现方法 虚拟存储定义了两种主要的客户：数据访问和存储管理【”。数据访问客户可 能是一个文件系统或数据库管理器。管理客户可能是一个策略管理应用程序或一 个管理实体。虚拟存储定义了一种所有需要大量存储的操作系统都支持的v s s ( v i r t u a ls t o r a g es e r v i c e ) 接口。而v s s 接口的集成在不同的操作系统中也不同。 3 1 1 在传统系统中的观察虚拟存储1 3 从表面看，虚拟存储表现为虚拟容量，二进制文件或一些数据。v s s 成分提 供了a p i 接口，用户应用程序可以通过a p i 接口进行请求。v s s 不为传统的数 据管理软件提供外部接口，取而代之的是，传统的数据管理器将依赖于传统的设 备适配器来实现对于客户环境最简便的虚拟存储形式。 图3 1 显示了传统的数据访问应用程序可能与v s s 服务器相连，传统的数据 管理器( 1 ) 运用传统的设备适配器( 3 ) 来访问数据( 4 ) 。管理应用程序( 2 ) 可以直接对v s s 服务器作出管理请求( 5 ) 。 远程医学系统中虚拟存储技术的研究 第三章虚拟存储的实现方法及接口框架 3 1 1 重要对象 图3 - 1 ：传统数据管理器的适配器 虚拟存储定义了三类重要的对象：存储池、存储组和存储服务器。下面简单 地描述了这些重要对象。 1 存储池 永久存储就像目标的集合一样称作存储池。永久存储是指当出现系统错误或 关机时数据不丢失。存储池是一个抽象的物体，客户应用程序可以存储或取回数 据。v s s 由基本的物理媒介存储池和其他存储池组成 4 】。 v s s 标准单独处理接口和存储池功能，不处理特殊的客户系统的语义。一个 存储池是一个线性空间，它由以下几点描述： 标识符提供了存储池的独一无二的标识 元数据描述了存储池的特性 服务类别确定了有效性，性价比和安全等目标 一个存储池是数据块或字节的有序组合。写入存储池的数据的格式取决于数 据访问客户端。客户端可以利用它选择的任何格式，也可自己在存储池的地址空 间上添加自己的逻辑分区配置。存储在物理媒介上时，数据可以被内在的压缩， 假设对于v s s 客户应用程序来说，内在的物理压缩是完全隐藏的。 2 存储组 。 存储池组合起来称作存储组。存储组在一些指定的物理源如服务器系统和媒 介位置中限制了存储池的物理位置。确切地说，存储池是存储组的一个组成部分。 存储组可递归地含有存储组。一个存储组包括： 标识符提供了存储组的独一无二的标识 垩堡垦堂墨竺主皇垫壹堕塑查塑堑塞第三章虚拟存储的实现方法及接口框架 元数据包含了成员表，访问控制列表，组特性等 成员 存储池以及附属的存储组( 可以为空) 图3 - 2 说明了存储组和存储池之间的关系： 图3 - 2 ：存储组 已知存储组中的存储池可以给其他存储组提供存储空间或利用其他存储组 的存储空间。一个存储组如果既不包含利用其他存储空间的存储池也不提供给存 储组存储空间，则它是一个独立的存储组。独立的存储组包含了所有可独立操作 的元数据和媒介。 3 元数据存储 元数据是描述数据形式的数据。内部映射和属性是元数据的一个例子。虚拟 存储有两种主要的元数据的种类：内在的和外在的。虚拟存储把两种元数据分成 若干类。每一个元数据类都有一个名称和一系列定义在这个类中元数据格式和语 义的属性。v s s 标准定义了所有的内在元数据类。v s s 也为客户端提供了自己 定义他们外在元数据类的方法。 每个存储组都包含了一个特殊的号码，称为元存储。一个存储组的元存储 包含r 所有内在的和外在的描述已知存储组内容的元数据。内在元数据包括从虚 拟到物理的传输映射，成员存储池的内在属性和存储组的永久状态。独立存储组 的成员存储池和元存储是一个自包含的操作单元。由于对存储池的访问依赖于对 元存储的访问，元存储最大可能地提供了有效性，完整性，合作性和最优性能。 4 存储服务器 存储服务器是一个或一类对一个或多个存储组提供数据访问和管理控制的过 程。存储服务器是一个根据需要创建和终结短暂的目标。存储服务器和存储组之 间的关系是暂时的，所以一个存储组可以作为一个自包含单元从一个存储服务器 移到另一个。 远程医学系统中虚拟存储技术的研究 第三章虚拟存储的实现方法及接口框架 3 1 2 数据访问 1 基础类 每一个存储池都是一个基础类和子类的一个实例。基础类决定对存储池进行 哪些操作。 一个存储池属于下列基础类的一种： 二进制文件一种支持随机数据或连续数据访问的虚拟存储池，以精细单元增 长或收缩。 物理随机一种支持随机和连续访问方式的物理存储池。支持物理随机存 储池的存储媒介可能是可移动的或不移动的。存储服务器可能用连续物理媒介来 支持物理随机存储池，例如磁带。物理随机存储池的寻址范围是一个连续值。 物理连续一种仅能支持连续访问方式的物理存储池。支持物理连续存储池 的物理媒介被假设成不可移动的。物理连续存储池的大小无固定上限。 物理流一种仅支持流访问的物理存储池。支持存储池的存储媒介可能是 可变得或永久的。物理流存储池的大小无固定上限。 远程内存一种由处理器内存支持的可变存储池，不可本地寻址。 虚拟媒介一种支持随机或连续数据访问的虚拟存储，以粗糙单元增长或收 缩。 子类代表一个已知基础类的特定的服务器执行程序。例如，一个子类的存储 池可根据服务器的复杂性，运用r a i d ( 冗余磁盘阵列) 技术，结构化指令分配 等技术来执行。 2 目标标识o i d 存储池，存储组和存储节点对于它们的目标标识符( o i d s ) 来说是已知的。每 一类目标的o i d 是： n o i d 存储节点标识符是一个独一无二的值，在一个企业中不重复利 用。 一g o i d 存储组标识符在一些环境中是独一无二的值。最高级别的存储组 的g o l d 是独一无二的，且在一个企业中不可重复利用。子存储组中的 o o i d 也是独一无二的，且不可在它的母存储组中重复利用。 一s o i d存储池标识符在一个存储组中是独无二的，且不可重复利用。 一个o i d 包括一个3 2 位的酋部和紧接着的正文部分。首部包括一个标记数， 正文类型( c h a r , b y t e ，u n s i g n e d 3 2 ) ，成分类型( 例如p v l ，v s s ) 和目标类( 存储 池，媒介和服务器) 。o l d 的常规格式如下： 一旦一个目标相对于客户端来说已知，它的o i d 无限期的保留，直到它报废 为止。就是说o l d 是虚拟不可变的。虚拟不可变意味着客户端可以通过目标的 垩堡垦兰墨竺! 堡型堡储技趟研究第三章虚拟存储的实现方法及接口框架 o i d 来确定目标的位置，即使目标从一个环境中移到另一个环境中。虚拟不可变 允许目标移动时，获得一个新的o i d ，但仍然以它原始的o d 作为参考。原始 的0 i d 可直接或间接地向前给新的0 1 d 提供参考。一个直接的前向参考是以前 的0 i d 给现在的0 1 d 提供参考。一个间接的前向参考是以前的o i d 通过第三个 o i d 给现在的o 提供参考。间接参考o i d 的能力使得最多运用两个间接参考 来完全解决任何前向参考成为可能。 3 访问方式 访问方式支持存储池中客户对数据的处理。一个已知存储池可支持一种或多 种访问方式。总的来说，一个物理存储池支持单个的访问方式而一个虚拟存储池 支持所有的访问方式。标准的访问方式如下： 连续方式 连续访问方式支持相关位置上的读、写、跳过和删除概念。相关位置是 指和上一个读过或写过的块相关的块号码。定位指令明确地建立了现在的位 置和方向。方向即可向前也可向后。读、写、跳和删除指令不具体指定块号 码和方向，但指定了现在的位置。 一个读指令根据现在的方向，隐含地开始传输最近读过的块之前或之后 的块。跳过是一个特殊的阅读指令，所到之处无目标数据。 写指令是以向前方向从原存储池向目标存储池传送一块或多块数据。所 有可读的块都可被写入。此外，紧跟最近被写过的块之后的块也可被写入。 删除是一个特殊的写指令，是无源数据的写。在虚拟存储池中进行删除操作， 将导致对基础媒介的存储单元重新分配。 连续访问方式允许客户巴数据流的开始和结尾划分开。在客户应用程序 发出数据尾信号之前，被写入的数据不必要是永久的。永久程度依赖于基础 媒介。客户可结合数据为保存定位信息，以便于以后的重新定位。数据尾为 存储池建立了一个高位标志。高位标志表示在存储组中设置的数据的位置。 写和删除指令隐含地建立一个高位标志。新存储池的高位标志是0 块。 定位指令可在起始处、高位、或先前存储的数据尾处定位存储池。跳过 指令用来在特定块处定位存储池。 流方式 流访问方式是连续访问方式的一个特例。当存储池以流访问方式打开时， 读在起始处开始读而写在高位标志处开始写。流访问方式： - 只能以向前方向进行读和写 _ 跳过所有删除的块 _ 不做明确的定位 一不做明确的跳过或删除 远程医学系统中虚拟存储技术的研究 第三章虚拟存储的实现方法及接口框架 随机方式 随机访问方式支持加、删除、读以及块号码的更新等概念。所以在随机 访问方式中没有定位指令，也没有现在，下个和先前的位置的概念。随机 访问方式把高位标志视作曾被写过的最高位置的块之后的块。 随机和连续访问方式最大的区别在于“写”方式的不同。随机访问方式 支持更新和加的概念。更新是用不同的数据替换块中已存在的数据。更新不 影响之前或之后的块。删除是更新的一个特例，它把以存在的数据替换为空。 更新仅对高位标志下的块有效。加是把数据写入高位标志上或之上的位置， 建立一个新的高位标志。在随机访问方式中，每一个成功的加、删除或更新 操作都使数据永久地存储下来。 3 1 3 存储管理 1 物理和虚拟存储池 一个物理存储池对应于物理媒介的数据范围。例如，一个物理存储池可以对 应于多面磁盘的一面或者磁带的一个分区。物理存储池接口隐藏了物理存储池用 户的记录和寻址细节：它为所有媒介类型提供了一个通用的存储块寻址模型。物 理意味着每一个存储块都对应着一个物理媒介地址；存储块和媒介地址间的联系 是不变的。 虽然在所有存储块都被写入或格式化之前真正容量是不必要知道的，但物理 存储池的最大容量是固定的。媒介记录错误，块大小和硬件压缩等因素会导致物 理存储容量的不确定性。物理存储池的块尺寸属性决定了数据如何存储在媒介 上。存储在物理存储池上的数据和在基础媒介上的数据样易变或持久。 虚拟意味着个已知的存储块可能于媒介地址不一致，虚拟存储块和物理媒 介地址可随时间变化。虚拟存储池由一个或多个基础存储池提供空间。基础存储 池可以是虚拟的或者物理的。分配给虚拟存储池的物理空间量可以随时问突然增 加或减少。而虚拟存储池的寻址范围是固定的，除非有明确的修改。物理和虚拟 存储地址之间的致性是由映射功能描述和控制的。 图3 3 说明了虚存和实存之间的联系。 1 6 远程医学系统中虚拟存储技术的研究