sungq
作者sungq2022-12-02 09:26
副处长, 某大型三甲医院

NAS数据存储在医院PACS场景的应用与探索——方案与实现效果

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摘要:

在“健康中国2030”国家战略的指导下,北京协和医院不断加快智慧医院的建设进程。PACS系统作为医院数据量最庞大的核心业务系统,其稳定、可靠、高效运行是医院为患者提供全流程化诊疗服务的保障。为了让医护人员工作效率更高,提高医生阅片的效率,进而让患者获得更好的就医体验,同时为满足国家影像数据法规要求至少保存15年以上要求,PACS系统的长期安全保存成为其发挥医学价值的关键。本文结合北京协和医院采用NAS存储解决方案在PACS系统的应用实践,从安全性、管理性、易用性多方面分析了NAS存储对于医院影像数据的价值优势点。全篇共分为三个部分:《需求分析篇》、《思路与方案设计篇》、《方案与实现效果篇》,本文为第三部分方案与实现效果篇,希望能为医疗同仁带来参考。

1. PACS应用数据融合管理

1.1 SAN和NAS融合部署

PACS影像系统涉及PACS数据库和PACS影像文件两类系统架构,对应的存储服务需要同时提供SAN和NAS服务。通过采用SAN/NAS一体化设计,不再需要NAS网关设备,一套软硬件同时支持SAN和NAS,支持NFS、CIFS、FTP、HTTP等文件访问协议,以及NDMP文件备份协议。通过采用一体化方案设计,优势如下:

极简架构:一套设备即可支持SAN和NAS业务,简化IT系统硬件架构,组网简单清晰,降低了日常众多设备运维管理的难度。

高性能:新一代SAN和NAS一体化中的NAS采用分布式文件系统架构,文件系统没有控制器归属约束,将文件系统均分到每个控制器,实现每个控制器性能和容量的负载均衡。

低成本:相较于传统的SAN存储加NAS存储的方式,一体化解决方案省去了购买多余存储所需要的额外费用,降低了用户的投资成本。

高可靠:在采用一体化解决方案的同时,提供SAN和NAS的数据保护能力,例如快照、双活等,保证架构简单统一的同时保证了系统的可靠性,使两种场景均不受硬故障、软故障的影响。保证业务持续在线。

文件系统和LUN是平行的部署在Space子系统之上,下面是基于RAID2.0+的块虚拟化存储池子系统。在这个架构中,文件系统和LUN都直接与底层的Space子系统交互。文件系统架构是基于对象的,每个文件或文件夹是一个对象,每个文件系统是由对象组成的对象集。对于LUN来说,LUN分Thin LUN和传统的Thick LUN。两种LUN也都来自于Pool和Space系统,并没有建立在文件系统之上。这样简化的软件栈带来的存储效率比传统的统一存储架构效率要高,同时LUN和文件系统各自保持独立,互不影响。

存储的文件系统是基于Extent的ROW型(Redirect On Write,写时重定向)文件系统。所谓ROW型文件系统,是指向文件系统新写入或者修改写入数据时,新数据不会覆盖掉原来的旧数据,而是在存储介质上新分配空间来写入数据,此种方式保证了数据的高可靠性和文件系统的高扩展性。

整个文件系统布局呈树型结构,数据写入不会覆盖原有数据,而是分配新磁盘空间写入,写入完成后,直接删除(或延迟删除)原有数据。数据每次写入都会记录一个时间点信息,表明写入的时序。时间点实际是一个依次递增的序列号。

1.2 NAS自动分级与安全归档

(1)NAS自动分级
文件系统SmartTier是为了简化数据生命周期管理,提升介质利用效率,降低客户成本而推出的面向文件系统的分级特性。文件系统SmartTier的功能是以文件为粒度在不同的介质中进行迁移的技术,介质层分为SSD和HDD(包含SAS或NL_SAS)两层。SmartTier支持两种迁移模式:智能迁移模式和自定义迁移模式(自定义迁移包括周期/每周/立即迁移)。智能迁移模式,是指文件优先写入SSD,然后根据SSD的使用率、文件的访问时间等条件自动进行文件迁移,保证SSD使用率始终保持在一个合理的水平。自定义迁移模式,是指根据用户指定的文件策略(例如:文件名、文件大小、文件类型、文件创建时间、SSD使用率等)和迁移周期,使文件在SSD和HDD之间进行迁移。

(2)安全归档
针对PACS应用的离线数据,按照国家规定进行15年以上的离线归档保存。此类数据不要求实时查看,对性能没有较高要求,要求实现低成本、低功耗、易管理的长时间留存。

针对PACS的数据特点和法规要求,提出的安全归档留存解决方案由归档平台(归档软件)+归档介质存储等核心组件组成,通过多个核心组件的配合,实现医疗数据的安全长期留存,其实现原理分别如下:

  • 管理服务器 – 服务器主要由归档数据库和web服务器构成,它负责归档系统的管理,如用户、组、归档项目、归档数据的保存周期等,同时负责归档作业的调度,将数据移动的作业分发给负责作业执行的ADA代理。
  • 一个或多个ADA代理(数据移动引擎) –代理实际负责数据的移动,它从主存储(生产系统)搜集需要归档的数据并写到二级存储,以及采集文件的属性以及定义的元数。
  • 介质管理服务MM(SONY光盘库管理组件)–该组件(包括服务器端和客户端)通常安装在ADA服务器平台,负责管理归档系统的光盘库以及驱动器和介质的分配。
  • ODA光盘库 -核心归档介质,提供了高安全、高可靠、低功耗的设备,直接被ADA调用进行读写访问,中间无需机头服务器等额外网关组件。
  • 统一管理员控制台 – 该控制台可以安装在Windows或Mac OS工作站,通过IP连接ADA服务器。通过控制台,用户能够配置和管理归档系统,监控归档作业,搜集归档日志等。利用该控制台,授权用户也可以手工归档、检索和取回归档的文件。利用该控制台,管理员可以:

    • 组织管理归档项目及其内容
    • 管理元数据
    • 管理用户和组的权限
    • 配置ADA环境的基础架构(平台定义、数据周期、任务调度等)
    • 监控作业和数据归档性能
    • 调度自动归档任务(定义任务自动触发的条件等,如文件创建日期、最后访问日期、最后修改日期、文件大小等)
    • 管理ODA光盘库介质

2.建设效果与总结

基于华为企业级NAS存储在医院PACS类场景的建设和应用,从可靠性、性能、可用性、运维管理性等多个方面带来诸多优势:

  • 业务融合缩减开支:PACS影像系统涉及PACS数据库和PACS影像文件两类数据,对应的存储服务需要同时提供SAN和NAS服务。通过采用SAN/NAS一体化设计,不再需要NAS网关设备,一套软硬件同时支持SAN和NAS,支持NFS、CIFS、FTP、HTTP等文件访问协议,以及NDMP文件备份协议。
  • 业务快速响应:基于高性能全闪存存储和免网关容灾、免网关数据保护技术,避免了网关设备成为性能瓶颈并增加I/O时延,为数据库提供1ms的平稳时延,保障PACS系统快速响应。
  • 业务连续性:基于免网关存储双活技术,在设备故障、数据中心故障时保障数据不丢失、业务不中断(RPO=0、RTO≈0);基于免网关存储主备容灾技术,在双活数据中心完全故障的情况下,业务仍然可以快速恢复(RPO≤10分钟、RTO≤15分钟,与容灾策略配置相关))。
  • 安全归档留存:通过蓝光不可改写确保归档数据的安全性,超过50年的超长保存时间,不但可以满足电子病历、影像数据等合规数据的长期安全留存,并且可降低归档的TCO成本。
  • 可视化管理:支持可视化展示容灾拓扑和业务逻辑拓扑。并且支持灵活的数据副本管理、容灾演练和切换,简化灾备系统的管理和维护。
  • 智能运维:全套影像系统涉及数据库存储、文件存储,同时涉及在线、近线、离线等不同的存储介质,需运维工具进行简单、高效的管理,降低院内运维难度。

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diliangyu520diliangyu520系统分析师, 内蒙古医科大学附属医院
2023-01-03 16:55
全文详细介绍了使用华为nas设备的方案,算是实际落地的一个构架设计,对我也有很高的参考价值,对于日新月异的产品更新和迭代,不知道华为对于这些设备有没有足够的支持和更新
jakeyyujakeyyu系统架构师, 三甲医院
2022-12-29 22:19
从文中所展示的实现效果来讲,本系统的设计很好的满足了PACS系统在大型三甲医院中的应用,能够体现较为合理的成本投入,同时获得令人满意的性能,特别是在基于NAS存储的硬件层面上,给行业内做了一个基于NAS存储PACS系统的成功案例。
谭宁谭宁项目经理, 华西公用医疗信息公司
2022-12-29 15:59
NAS数据存储和管理,对于影像数据的存储和查询具有良好的性能优势,也方便影像数据的迁移和查询。
jiyaliangjiyaliang系统分析师, 南京市第二医院
2022-12-29 11:32
华为nas分布式概念还没有实际体验过,与传统相比,性能能提高多少,有没有对比测试案例
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