PACS_存储系统方案的选择

1415 PACS 存储系统方案的选择 陈蜀虎① 李桂祥① 王放① 李刚荣① 李晴辉① ①第三军医大学西南医院信息科，400038，重庆市沙坪坝区高滩岩正街 30 号 关键词 PACS 存储方案 医院信息系统 摘 要 对西南医院的 PACS 系统存储方案的选择过程进行了归纳，阐述了 PACS 存储系统方案的相关概念、相关产品、方案的具体内容和选择依据。分析了 PACS 存储方案选择过程中的思路，介绍了如何综合考虑了 PACS 系统应用的 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 、存 储系统技术的发展、以及应用的实际需求，实现最经济合理方案的过程，对其它 医院 PACS 存储系统的建设也具有一定的借鉴意义。 1 概述 PACS 系统是医院信息化的重要组成部分，目前已广泛应用于医院信息系统 中。在系统建设过程中，医院比较关注的是 PACS 系统软件的功能，而对系统的 硬件要求及存储方案没有一个清晰的认识，原因在于不能准确预测应用的发展。 在系统建设之初，由于系统的负荷不是很重，硬件方面的情况反映不出来，随着 系统的长期运行，多年以后，数据量的增加会超出当初的预计，硬件的性能也会 显得落后。从存储系统方面，如当初规划不当，会出现数据无法有序保存和有效 使用的问题，此时已有大量数据，再进行系统调整会很困难。我院 PACS 系统已 使用近 6年，数据量呈加速增长的势头，产生的数据已近 40T。通过对我院存储 方案的调整，我们感觉到在系统建设之初，应对存储方案进行有效规划，故对 PACS 系统存储方案的选择提出一些看法，供大家建设时参考。 1416 2 存储的方式及产品 2.1 存储的相关技术与概念 2.1.1 存储的结构方式 [1] 存储系统已广泛应用于用户信息化系统建设中，存储 系统容量成为用户信息化应用水平的体现。目前存储设备的主要使用方式为外部 直连存储(DAS)、文件服务器(NAS)方式和网络存储(SAN)。 DAS (Direct Attached Storage: 直接附加存储)。存储设备是通过电缆（通 常是SCSI接口电缆）直接到服务器的。DAS，也可称为SAS（Server-Attached Storage，服务器附加存储）。它依赖于服务器，其本身是硬件的堆叠，不带有任 何存储操作系统。 NAS（Network Attached Storage：网络附属存储）。它是一种专用数据存 储服务器，将分布、独立的数据整合为大型、集中化管理的数据中心，以便于对 不同主机和应用服务器进行访问的技术。它以数据为中心，将存储设备与服务器 彻底分离，集中管理数据，其成本远远低于使用服务器存储，而效率却远远高于 后者。 SAN（Storage Area Network：存储区域网络）。它是一种类似于普通局域 网的一种高速存储网络，它通过专用的集线器、交换机和网关建立起与服务器和 磁盘阵列之间的直接连接。这种网络技术支持远距离通信，并允许存储设备真正 与服务器隔离，使存储成为可由所有服务器共享的资源。 2.1.2 存储的联接方式 存储产品的联接目前具有以下几种联接方式：SCSI、 Fable channel、Iscsi。 2.1.2.1 SCSI 接口 英文全称为 Small Computer System Interface，中文名“小 型计算机系统接口”。它是一种外设接口 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ，广泛应用于服务器和高档 PC 中。 1417 目前 SCSI 存储设备普遍采用 Ultra160 SCSI 和 Ultra320 SCSI 协议。 2.1.2.2 FC 接口 英文全称为(Fable channel)，中文名“光纤通道接口”。采 用 FCIP（即光纤通道接口协议）的设备被称为 FC 存储或光纤通道存储。FC 与 SCSI 一样，都是一种数据传输协议和接口协议。FC 存储产品从一开始诞生之日 就和 SAN 网络紧密地联系在一起，凡是采用 FC 存储的系统都会采用 FC 交换机组 成的 SAN 网络。因此很多人经常会把 FC 存储直接称之为 SAN 存储。 2.1.2.3 iSCSI 接口 即 internet SCSI(互联网小型计算机系统接口)，是一种在 Internet 协议网络上，特别是以太网上进行数据块传输的标准。它是由 Cisco 和 IBM 两家发起的，并由 IETF 制订的一项标准，得到了 IP 存储技术拥护者的大力 支持。是一个供硬件设备使用的可以在 IP 协议上层运行的 SCSI 指令集。简单地 说，iSCSI 可以实现在 IP 网络上运行 SCSI 协议。 2.1.3 存储的介质形式[2] 目前常用于数据存储的存储介质主要有磁盘（包括磁盘 阵列）、磁带（包括磁带机和磁带库）和光盘（包括一切 CD-R、CD-RW、DVD-R、 DVD-RW 等光盘塔和光盘库设备）。从性能上来说，磁盘是最好的，光盘次之，最 差的是磁带。而从价格上来说，单位容量成本上升磁盘最贵、光盘次之，磁带最 低。这就为我们不同的应用追求最佳性价比提供了条件，因为这些不同的存储媒 介可应用于不同的存储方式中。 2.1.4 数据的存储模式 数据的存储一般采用分级存储管理(Hierarchical Storage Management，HSM)，所谓分级存储，就是根据数据不同的重要性、访问 频次等指标分别存储在不同性能的存储设备上，采取不同的存储方式。这样一方 面可大大减少非重要性数据在一级本地磁盘所占用的空间，还可加快整个系统的 存储性能。数据的存储形式包括在线存储（OnStore）、近线存储（NearStore） 1418 和离线存储（OffStore）。 在分级数据存储结构中，磁带库等成本较低的存储资源用来存放访问频率较 低的信息，而磁盘或磁盘阵列等成本高、速度快的设备，用来存储经常访问的重 要信息。数据分级存储的工作原理是基于数据访问的局部性。通过将不经常访问 的数据自动移到存储层次中较低的层次，释放出较高成本的存储空间给更频繁访 问的数据，可以获得更好的总体性价比。 2.2 存储的相关产品 2.2.1 服务器 存储设备必须要有相应的服务器进行管理，在 DAS 和 NAS 联结方 式中，存储设备是和服务器直接相连，在 SAN 结构中，服务器是通过网络和存储 设备相连。对于存储设备的管理，在 DAS 和 NAS 中存储设备是作为一个附加设备 联连到服务器，主要作为一个空间的扩展，而 SAN 环境中，会存在多个服务器与 多个存储设备如何管理的问题，具体要看每个服务器的功能划分，存储管理服务 器有时会和应用服务器装在一台机器上，但建议还是将应用服务器和存储管理服 务器分开。 2.2.2 磁盘阵列 磁盘阵列和磁带是存储的主要方式，而磁盘阵列又以容量大、 速度快作为在线数据的的存储设备。磁盘阵列又按磁盘类型分为光纤、SAS、SATA 各类高、中、低端产品，按联结方式又可分为 SAS 接口和光纤接口。 2.2.3 磁带库 磁带库存储容量可达到数百 PB(1PB=100 万 GB)，可以实现连续备 份、自动搜索磁带，也可以在驱动管理软件控制下实现智能恢复、实时监控和统 计，整个数据存储备份过程完全摆脱了人工干涉。 2.2.4 网络设备 用于联结不同的存储设备组成一个存储区域网(SAN)，有交换 机、路由器等，联结协议有光纤通道协议、iSCSI 协议。可以是交换式的，也可 1419 是共享式的。 2.2.5 存储管理软件 存储管理软件在存储系统是主要起到以下三个方面的作 用。 2.2.5.1 管理数据 存储的数据从性质上看不是一样的，体现在数据也是有生命 周期的，数据的生命周期决定其价值，在数据的生命周期中如何存储、使用、管 理数据---信息生命周期管理（ILM）需要存储管理软件。 2.2.5.2 管理硬件 数据是有大小的，存储介质必然是多元的，可能有磁盘、阵 列、磁带机/库等。这些设备会是不同厂家的产品，这样一个异构的存储环境需 要存储管理软件来管理。 2.2.5.3 保护数据 数据是有价值的，数据保护方法和应用有直接关系，另外， 数据是不能单独存在的，甚至存有数据的介质也不能单独存在，数据和介质必须 以服务器（也就是其所运行的平台或系统）为载体才能“活动”，那么数据保护 的另一个隐含问题就是：在保护数据的同时必须保护系统。数据的存储有备份和 归档两种形式。备份是对数据进行复制，是为了确保在出现数据丢失或系统灾难 时将复制的数据恢复回来；归档则是针对海量数据的应用，是对数据进行有计划 的迁移，当数据停止改变或不被频繁使用时，通过归档把它们转移到一个文档， 使之存于日常的备份窗口之外，但仍需保证其可用性。数据的备份与容灾是存储 管理软件的一个重要功能。 2.3 存储的应用情况 随着用户信息系统的应用越来越深入，越来越多的人逐渐 认识原来的数据存储变得非常低效, 它通常伴随着低利用率、存储孤岛、过多的 冗余备份、低访问速度、低效搜索以及中断性的传输和迁移等问题。要满足这些 不断变化的要求, 我们需要新型的存储体系结构, 它应该是一种能够无缝将性 1420 能、连接能力和容量提升到多 PB 等级的新型体系结构。而且这种新型存储结构 还必须能够提供新型的数据和存储服务。 3 PACS 存储系统的特点 3.1 PACS 存储系统的特点 投资大，存储系统的投资占整个 PACS 系统硬件投资 的很大一部分；数据量大，一般用户在使用系统几年后，数据量达到 TB 级；医 疗影像数据的存储要符合法律、业务部门的要求。从数据保留时限上，国家要求 数据保留 15 年，而临床科室对数据的查询也有时限上的要求。数据的存储只能 采用归档的方式。 3.2 PACS 系统对存储子系统的要求[3] 3.2.1 安全性 不论从国家法律的要求、医院管理的要求、病人的角度来看,PACS 系统中保存的影像数据都必须保证安全性。 3.2.2 高效性 医疗工作的时效性很强，对数据的查询要求高效性，对查询的 速度、查询的范围都有一定要求。 3.2.3 可扩展性 由于医疗影像数据会随着医院的发展增长，而且增长的速度 会超出人们的预期，必然会存在系统的扩容问题，因此要求存储系统要具有良好 的扩展性，否则对数据的有效保存和使用带来问题。 4 PACS 存储系统方案的选择 4.1 可选择的方案 在 PACS 系统的存储方案中，同样需要采用分级存储的方式， 分级存储方式的采用，必然带来多种存储设备的组合，这种特点决定了存储系统 的联结方式，应采用 SAN 结构。可以采用的存储方案有以下几种。 1421 4.1.1 采用磁盘阵列与磁带库结合的分级存储方式 磁盘阵列作为在线存储，磁 带库作为近线存储，磁盘阵列直接由应用服务器管理，磁带库由存储服务器管理， 联结方式采用光纤通道联结方式。 4.1.2 在线与近线均采用磁盘阵列 近线的磁盘阵列由于容量较大，同样需要存 储服务器来管理，联结方式可采用 iSCSI 方式，目前 IP 网络的存储产品也比较 多。 4.1.3 在线存储仍采用磁盘阵列产品，但近线产品采用目前比较新型的磁盘阵列 子系统 该系统的特点比较适合 PACS 系统大数据量的管理，而且能与 PACS 应用 程序结合。 4.2 各个方案的特点 4.2.1 第一种方案 在线存储速度快，单价成本高，只保留近期使用率高的数据； 近线存储容量大，但速度慢，单位成本低。如果磁带库容量能满足需求，则不会 出现数据离线的情况，如果磁带库容量不能满足要求，可以通过磁带库扩展，为 节约成本，也可更换磁带，使最早的数据离线。 4.2.2 第二种方案 联结成本低，近线也采用磁盘阵列，速度较快。两级存储都 采用磁盘阵列而没有统一在一起，有以下方面的原因，一方面在线数据可以采用 价格更高、速度更快的阵列和硬盘，如光纤硬盘，近线阵列可以采用价格较低但 速度较慢的硬盘，如 SATA 硬盘；另一方面 PACS 应用服务器一般是 WINDOWS 平台， 32 位的操作系统一个分区只能有 2T，管理少量在线的数据还可以，如果是几十、 上百 T的数据就无法管理，因此必须将近线数据单独由存储管理服务器来管理。 4.2.3 第三种方案 是存储新技术、新产品发展的产物，以前用户的存储需求不 广泛，应用要求也比较单一，存储产品是通用型的，随着用户需求的多样化，越 1422 来越要求存储产品能和应用相结合。此方案近线数据采用的磁盘阵列子系统是针 对 PACS 系统大数据量管理来设计，同时也考虑到数据的安全性、稳定性，以及 医疗数据在法律上的相关要求，整个系统的使用、管理的方便程度都要好于通用 的存储产品，是比较新型、有一定专用设计的产品。 4.3如何选择方案 决定PACS系统存储方案的主要因素在于数据的增长量和数据 查询的要求，按国家规定，应保存 15 年的的数据，按我院系统使用的情况看， 从最初系统开始每天 7-8 G 的数据，增长到每天 35 个 G 左右，只用了 5 年的时 间，目前我们每年的数据量在 10T 左右，而且还在逐步增长，虽然增长的速率有 所下降，但数据总量的增长还是超出了我们的预期，对数据增长的估计以及如何 保存这些增长的数据，是在最初的方案里要考虑的问题，否则后来再来调整会很 不方便。除了如何保存这些数据外，如何查询这些数据也是在最初方案里要考虑 的问题，目前的存储管理都是存储系统的软件来管理，也就是说 PACS 应用软件 是无法直接管理存储系统的数据，这也是目前 PACS 系统软件普遍存在的问题， 解决的方式，是在 PACS 应用软件和存储管理软件中作接口，这样 PACS 应用软件 就能直接调用存储系统中的数据，由于不同厂家的产品不同，实现起来需要 PACS 软件供应商和存储系统供应商之间进行配合。具体到上面三个方案我们可以这样 选择。 第一种方案中，采用磁盘阵列作为在线存储、磁带库作库近线存储是一种比 较通用的存储方案，由于磁带库容量大，采用最新的 LTO4 磁带，一个 IBM3584 磁带库共有 280 个槽位，理论上压缩存储可达到 440T，完全能够保存 15 年的数 据，在此方案中应配有一台存储管理服务器，装有存储备份软件来管理磁带库， 而且建议不要和 PACS 应用服务器装在一台机器，存储管理服务器的硬盘空间应 1423 比较大，因为在此服务器上要保留存储备份软件的数据库，需要注意的是，存储 备份软件要有 LAN FREE 模块，这样数据的备份就只在 SAN 网络上传输，不会影 响到以太网络中应用的性能。此种方案，对数据量比较大的单位还是比较适用的， 总的成本会比磁盘阵列低。为实现数据的方便查询，应在 PACS 应用软件和存储 备份软件有接口，以实现有效查阅带库的数据，如果超过 15 年的数据可以删除， 在备份策略上就要进行相应设置，以实现对过期数据的删除。也可在存储管理软 件中加入 HSM 模块，由 HSM 模块实现磁盘阵列和磁带库之间数据的迁移。 第二种方案全部采用磁盘阵列来存储。磁盘阵列的价格从单位成本来看要比 磁带库高，如果数据很大，当然投入会很高，但如果单位的数据量不是很大，采 用磁盘阵列还是可以接受的。在线数据一般保存在一个小的磁盘阵列上，由 PACS 应用服务器来管理，而近线数据一般保存在一个磁盘阵列柜上，在此阵列柜上应 能进行扩展，而且由于数据量大， PACS 应用服务器也无法管理，还应配有存储 管理服务器来管理近线数据，近线数据用的磁盘阵列柜一般就是一个机柜，第一 次购买有一个基础配置，可以存储 2-3 年的数据，以后按需要再进行扩展。此种 产品可以采用 iSCSI 产品，网络联结成本会比较低，但一般硬件厂家只是提供硬 件，如何管理这些硬件，需要第三方的存储管理软件，存储管理软件如何管理这 些阵列柜，以及以后扩展时如何配置，由于是不同厂家的产品，事先都要了解清 楚。由于是采用以太网联结，在成本低的情况下，会带来存储系统和应用共用网 络带宽的问题，因此应合理规划网络结构，使存储网络不要影响应用的网络。同 样数据的查询也是事先要做好方案，这也迁涉到 PACS 应用程序和存储管理软件 的接口问题。 第三种方案从本质上讲仍然是使用的磁盘阵列产品，而且一般采用的也是以 1424 太网联结，所不同之处在于，我们原来需要存储管理服务器来管理的磁盘阵列， 现在全部被厂商做在一个产品里去了，也就是说厂商提供的是一个磁盘阵列存储 子系统，在这个子系统里数据是如何保存的，对用户来说是透明的，用户只需把 数据往里放，至于放到什么地方，由此子系统自己管理，用户也不需要配置存储 管理服务器来管理磁盘阵列。此子系统不仅能够自己管理数据，而且还有相应的 安全、冗余措施来保证数据的安全，同时此子系统也提供软件的 API 接口，供 PACS 应用程序调用，以便调用子系统中的数据，此产品提供给用户的也是一个 机柜，第一次安装的也是一个基础配置，有一定的基本容量，约在 20-30T 不等， 以后空间满后，再增加相应单元，而且增加单元的管理全部由系统自己处理，不 会影响到应用。从方便性和效率上看，此种产品是最好的，但价格也是最高的， 如果数据量不是很大，而且单位可以接受投入，采用此种方案是比较合适的选择。 4.4 选择方案注意的方面 在选择方案的过程中，还有一些因素会影响到方案的 选择和实施。 4.4.1 机房的情况 一般单位的机房在建设时都没有全面考虑以后应用的要求， 有些也是估计不足，而且 PACS 存储系统可以说是医院信息系统中占用空间最大， 耗电最多的一个子系统，方案选择后，机房空间够不够，UPS 的功率够不够，机 器放到什么地方比较合适，特别是比较老的机房，可能要进行相应的电路、布线、 空调的改造才行，如果用磁带库，还要注意地面的平整和结实，因为磁带库不仅 要安装水平而且要求地面坚硬，不能抖动和晃动。 用户的分布及网络结构。PACS 系统中产生数据最大的，使用数据最大的是 放射科，如果将 PACS 系统的服务器及存储系统与放射科的设备和工作站单独配 置在一个子网里，会减少对其它系统的影响。 1425 5 其它注意的问题 5.1 人员的培训 一个系统的正常使用，除了在建设时需要综合考虑，日常的维 护也很重要，特别是 PACS 存储系统涉及的硬件产品和软件产品比较多，此系统 又保存了医院的大量数据，出问题后对医院影响比较大，所以需要对维护人员提 供相应的培训，以保障使用人员的 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 操作。 5.2 硬件的升级 我国 IT 建设存在着重建设、轻维护的弊病，在建设时单位有预 算进行投资，但对系统的维护不一定有预算，系统在运行多年后，会出现硬件性 能满足应用的要求下降，但单位对系统的要求反而会越来越高，特别在 PACS 系 统方面会出现这样的情况，作为单位信息工作的人员应对此有心理准备。 5.3 容灾与恢复 PACS 存储系统除了日常使用的一个子系统，出于安全的考虑， 应建立一个异地备份的子系统，以保障数据的安全。出于成本的考虑，异地备份 一般采用磁带备份的方式。 5.4 存储新技术的发展及影响 存储领域是最近几年发展较快的领域，一方面用 户需求不断提高，另一方面新产品、新技术不断出现，用户在选择产品时，注意 关于相关产品技术的发展趋势，结合自己的实际情况，选择最适合自己的产品和 方案。 参考文献 [1]刘恩军.主流存储技术的研究和应用[J].实验室科学，2007，3：73-75. [2]孙凯，赵志强.应用在 PACS 上的网络存储设备[J].医疗设备信息, 2001,7:22-23. [3]李刚荣，方明金.数字化医院建设的思路与实践[M].北京：人民卫生出版社，2006：1.