承载PACS的网络升级改造设计与实践

郝尚永

承载PACS的网络升级改造设计与实践

郝尚永

目的：为适应影像归档与传输系统（picture archiving and communication systems，PACS）的建设需要，利用万兆以太网组网技术，对医院原有网络进行升级改造。方法：通过对某院网络现状和PACS网络需求的分析，设计了万兆网络升级改造3个方案，通过综合对比分析3个方案的优缺点，并根据实际情况和预算按照第3方案进行了网络改造的实施。结果：满足了PACS万兆网络的需要，从整体上消除了网络的瓶颈，实现了医院网络的可靠性、安全性以及可扩展性。结论：万兆网络升级改造为医院提供了高带宽、高稳定性和高可靠性的数据传输网络平台。

影像归档与传输系统；万兆以太网；网络性能；网络改造

0 引言

为提高诊疗效率、提升综合竞争力，随着医院信息化建设水平的不断提高，我院开始实施全院级的影像归档与传输系统（picture archiving and communication systems，PACS）。由于PACS主要传输图像和视频信息，其需要处理和传输的数据量比传统医院信息系统（hospital information system，HIS）中传输的文本信息多出几十甚至数百倍，因此对承载PACS应用的网络系统提出更高要求，即承载网络系统在性能、高可用性、安全性、可扩展能力以及可管理性等方面均要有所加强，以保证PACS顺利实施[1]。

1 医院网络现状

我院的网络系统始建于1996年，为百兆主干网络，于2007年新的住院大楼投入使用时进行了改造升级，网络主干采用千兆以太网技术。当时在网络系统的规划设计过程中，考虑了未来随着应用发展对设备扩展能力的要求，所选用的核心设备采用模块化的体系结构，能够支持10 GE（万兆）技术，现有核心设备采用双机双引擎结构，通过冗余的光纤链路连接分布在各个分配线间的接入交换机，并且采用了多种保证网络系统高可用的技术手段。内网整体采用动态开放式最短路径优先（open shortest path first，OSPF）路由模式，双核心采用HSRP（热备份路由器协议）双机设备保证双链路的冗余稳定。我院网络系统现状如图1所示。

2 PACS网络带宽计算

PACS主要存储和传输医疗影像数据，包括超声（ultrasonic，US）、电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、计算机X线成像（computed radiog raphy，CR）、数字化 X线摄影（digital radiography，DR）等，这些图像的数据量一般都比较大。表1是这些图像数据的常见大小和分别在快速以太网和千兆以太网上的传输时间，根据实际情况，其中可用带宽均按理论带宽的50%计算（以太网本身的特点决定）。

由于很多设备支持将图像进行无损压缩后的传输，因此大部分设备上传PACS服务器都可以控制在10 s以内，不会产生过多的网络瓶颈[2]。但在阅片时，如果同一时刻内有很多阅片工作站（假定高峰时为20个）从PACS服务器上下载图像数据，线速的百兆端口的包转发率为0.1488Mpps，调阅1个40MB的图像数据时，需要大约6 s，因此在使用百兆带宽时，打开一个图像的时间会超过1 min或更长，这在实际应用时几乎是无法忍受的。因此，通过计算使PACS达到良好的使用效果，千兆的端口带宽需求是必须的。

图1 我院网络系统现状拓扑图

表1 常见医学图像数据量和传输时间

通过调研，在实际应用环境中已上线的PACS比较普遍的均是使用千兆以太网连接工作站。而在网络设计的参考规范中，主干带宽往往要求比接入带宽大一个数量级[3]。因此，在我院PACS承载网络的结构设计中，计划采用千兆以太网技术连接接入工作站，采用大一个数量级的10 GE以太网作为主干传输技术。

3 PACS承载网络设计方案

针对PACS对网络系统的要求，结合网络系统的现状，计划采用如下3种具体方法设计PACS承载网络。

3.1 方案1：PACS单独构建承载网

在本方案中，在现有核心设备Cisco 7609上配置1块8端口10 GE接口卡。在PACS服务器前端，增加2台PACS专用的核心交换机Catalyst 4506E，在其上配置1块24口千兆光接口板用于连接各个PACS服务器，另外配置1块6口10 GE接口卡用于上联核心Cisco 7609和下联分布在放射科室的接入交换机。在放射科室，用能够支持10 GE上联的Catalyst 3750E或Catalyst 3560E替换现有的Catalyst 2960，通过千兆以太网连接PC终端。本方案的网络结构示意如图2所示。

采用此方案明显的优势在于为PACS构建了单独的承载网络，使PACS相对物理独立于其他应用，能够保证PACS的数据流量单独在网络中传输，不给核心设备增加额外的负荷，而且可用性较高，可以保证即使出现2台核心交换机同时故障的极端情况，PACS也不会受到影响[4]。

图2 PACS单独网络拓扑图

采用此方案的缺点在于设备投入较大，因为需要额外增加2台PACS核心网络交换机。

3.2 方案2：PACS承载网共用现有的网络平台

在本方案中，在现有核心设备Cisco 7609上配置1块8端口10 GE接口卡。在PACS服务器前端，增加2台PACS专用的核心交换机Catalyst 4506E，在其上配置1块24口千兆光接口板用于连接各个PACS服务器，通过引擎上自带的2个10 GE端口上联核心Cisco 7609。在放射科室，用能够支持10 GE上联的Catalyst 3750E或Catalyst 3560E替换现有的Catalyst 2960，通过10 GE上联端口连接到核心设备，通过千兆以太网连接PC终端。本方案的网络结构示意如图3所示。

采用此方案的优势在于为PACS构建了单独的承载网络，使PACS相对逻辑独立于其他应用，利用核心设备的高性能指标保证PACS对承载网络性能的要求，利用保证核心设备的高可用性的技术手段保证PACS的高可用性[5]。此外，采用本方案可以使网络结构更加清晰，便于以后的应用扩展，而且设备投资相对于方案1能降低一些。

3.3 方案3：直接在现有网络系统上扩展

在本方案中，在现有核心设备Cisco 7609上配置1块8端口10 GE接口卡用于连接放射科的接入交换机，再配置1块24口千兆光接口板用于连接各个PACS服务器。在放射科室，用能够支持10 GE上联的Catalyst 3750E或Catalyst 3560E替换现有的Catalyst 2960，通过10 GE上联端口连接到核心设备，通过千兆以太网连接PC终端。本方案的网络结构示意如图4所示。

采用此方案的优势在于结构简单，易于部署，且最为经济。缺点在于使PACS对现有网络的依赖性加强，存在一定的风险。

4 PACS承载网络建设

图3 PACS共用网络平台拓扑图（PACS承载网共用现有网络平台）

图4 PACS共用网络平台拓扑图（直接在现有网络系统上扩展）

计算机网络系统的设计是受经费限制的，因此在考虑网络解决方案时必须考虑性能价格的平衡。而不同的网络系统所关注的网络侧重各不相同，如：国家政府、国防部门更侧重于网络安全存取控制强度；金融部门侧重于身份认证、审计、网络容错等[6]；而医疗卫生部门侧重于数据传输的稳定和可靠。通过复核，现有2台Cisco 7609核心交换机在上午高峰时期CPU利用率为5%、内存利用率为15%，在性能、高可用性等方面均能满足PACS的扩展要求。因此，此次在建设PACS承载网络时，计划采用在现有网络设备上扩展的方式，以期达到投资相对较小、见效相对较快的目的，保证PACS的顺利上线。计算机网络中心机房到放射科架设1条多模万兆光纤，2台Cisco 7609核心交换机都增加万兆模板，为放射科交换机、PACS服务器提供双上连核心交换机万兆接口。通过安装10GE接口卡，即可实现向10 GE骨干的平滑过渡。汇聚层设备利用千兆链路汇集本区内接入交换设备，同时汇聚交换设备也负责终结本区用户业务VLAN，并进行VLAN间数据报文转发。出于网络高可用性的考虑，汇聚设备之间利用一条独立的千兆链路互联构成环路结构，利用路由协议来控制路由路径和冗余链路，从而保证当本区内汇聚的上行链路发生故障时可路由选择相邻备份路径传输数据[7]。

5 实际效果

通过此次改造，医院网络系统收到了明显的实际效果，实现了PACS的主要科室万兆主干千兆到桌面的访问速度，且核心交换机的CPU、内存等的占用并不是特别高。由于充分考虑到系统的先进性，改造后的“核心+汇聚+接入”3层网络架构和网络设备的配置及带宽在能很好地满足PACS和医疗业务需要的同时，也增强了网络的可扩展性。双核心+双汇聚+双接入的网络设计架构，为我院网络提供了高稳定性和可靠性的数据传输平台，保证了网络能够提供高速稳定的数据传输，可为医院提供健壮的数据传输神经中枢。

6 结语

医院计算机网络改造是一个复杂的系统工程，我院通过对网络改造的精心准备、合理规划、设计方案、分步实施，加之医院领导的大力支持，使得该项目的实施取得了预期的效果[8]。本次网络系统改造使得医院信息系统的带宽、稳定性、安全性、可靠性以及可管理性得到大幅度提高，为HIS、LIS、电子病历等系统提供了稳定运行的网络平台，有效地保证全院级PACS、手术示教系统等的网络应用要求，为我院实现数字化医院奠定了坚实的网络基础，满足了我院未来信息化发展的需要，取得了良好的社会效益和经济效益。

[1]杨霜英.大型医院信息系统网络改造研究[J].中国医疗设备，2010，25（1）：35-36.

[2]常建国，宫彦婷，郭凌凌，等.医院万兆网络的设计与实践[J].医疗卫生装备，2011，32（10）：68-69，83.

[3]卢敬泰，高强，裴立军.新一代万兆网架构在数字化医院网络安全中的应用[J].信息网络安全，2010（10）：14-15.

[4]刘海林.基于三层架构的医院网络改造与实施方案[J].中国医学教育技术，2012，26（4）：42-43.

[5]孟瑞祺.基于现代医院信息化的网络改造设计与实施[J].科技信息，2011（29）：92-93.

[6]欧阳云.浅析数字化医院网络规划与建设[J].广东科技，2011（5）：40-41.

[7]王金峰.校园网网络升级改造实践探索[J].武汉工程职业技术学院学报，2010，22（3）：36-37.

[8]林岩.数字医院建设的基础与网络设计[J].医学信息，2007（5）：714-717.

（收稿：2014-09-16 修回：2014-12-20）

Network upgrade for PACS

HAO Shang-yong
（Center for Computer Network,Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital,Tianjin 300060,China）

ObjectiveTo upgrade the original hospital network with 10 gigabit network technology to promote the development of PACS.MethodsThe present situation of some hospital network and requirements of PACS were analyzed,and three schemes were put forward based on 10 gigabit network.The advantages and disadvantages of the schemes were compared,and the third scheme was selected based on considerations on the practice and budget.ResultsThe hospital network was enhanced in reliability,safety and extendibility.ConclusionNetwork upgrade with 10 gigabit network technology provides a high-bandwidth,high-stability and high-reliability data transmission platform.[Chinese Medical E-quipment Journal，2015，36（9）：58-62]

PACS;10 gigabit Ethernet network;network performance;network modification

R318；TP393.07

A

1003-8868（2015）09-0058-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.09.058

郝尚永（1977—），男，主任，信息系统项目管理师（高级），主要从事医院网络和信息系统的规划、设计、建设与管理工作，E-mail：hao_shy@126. com。

300060天津，天津医科大学肿瘤医院计算机网络中心（郝尚永）