JP2007526534A - ロード・バランシング、独立処理及びレコード問合せのためのndmaスケーラブル・アーカイブのハードウェア/ソフトウェア・アーキテクチャ - Google Patents
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Abstract
NDMAデータを格納するためのシステムは拡張可能であって、膨大な量のデータを処理することができる。本システムは、今日の需要に合わせてコンポーネントが追加または削除されることを可能にする。本システムは独立したステップでデータを処理し、あらゆるサブコンポーネントについてプロセッサ・レベルの独立性をもたらす。本システムは、データ・トラフィックを他のノードへ方向づけるロードバランサ内、及びノード上自体の全プロセス内で並行処理及びマルチスレッディングを使用する。本システムは、ホスト・リストを使用してデータがどこへ方向付けられるべきかを決定するとともに、各ノード上でどの機能が活性化されるかを決定する。データは、各処理ステップで持続される待ち行列に格納される。
Description
関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が開示に含まれる2003年6月4日に出願された「ロード・バランシング、独立処理及びレコード問合せのためのNDMAスケーラブル・アーカイブ・ハードウェア/ソフトウェア・アーキテクチャ」と題する米国仮特許出願第60/476,214号の優先権を主張するものである。本明細書に開示する発明対象は、その開示内容全体が参照により開示に含まれる本明細書と同日付けで出願された「病院/診療所内の医用画像システムを外部の格納及び検索システムへ接続するための施設間ウォールプラグ」と題する米国特許出願番号(代理人整理番号UPN−4380/P3179)に開示されている発明対象に関連している。また本明細書に開示する発明対象は、その開示内容全体が参照により開示に含まれる本明細書と同日付けで出願された「NDMAソケット・トランスポート・プロトコル」と題する米国特許出願番号(代理人整理番号UPN−4381/P3180)に開示されている発明対象にも関連している。さらに本明細書に開示する発明対象は、その開示内容全体が参照により開示に含まれる本明細書と同日付けで出願された「NDMAデータベース・スキーマ、DICOMからリレーショナル・スキーマへの変換及びXMLからSQL問合わせ(SQLQUERY)への変換」と題する米国特許出願番号(代理人整理番号UPN−4383/P3190)に開示されている発明対象にも関連している。
本出願は、参照によりその全体が開示に含まれる2003年6月4日に出願された「ロード・バランシング、独立処理及びレコード問合せのためのNDMAスケーラブル・アーカイブ・ハードウェア/ソフトウェア・アーキテクチャ」と題する米国仮特許出願第60/476,214号の優先権を主張するものである。本明細書に開示する発明対象は、その開示内容全体が参照により開示に含まれる本明細書と同日付けで出願された「病院/診療所内の医用画像システムを外部の格納及び検索システムへ接続するための施設間ウォールプラグ」と題する米国特許出願番号(代理人整理番号UPN−4380/P3179)に開示されている発明対象に関連している。また本明細書に開示する発明対象は、その開示内容全体が参照により開示に含まれる本明細書と同日付けで出願された「NDMAソケット・トランスポート・プロトコル」と題する米国特許出願番号(代理人整理番号UPN−4381/P3180)に開示されている発明対象にも関連している。さらに本明細書に開示する発明対象は、その開示内容全体が参照により開示に含まれる本明細書と同日付けで出願された「NDMAデータベース・スキーマ、DICOMからリレーショナル・スキーマへの変換及びXMLからSQL問合わせ(SQLQUERY)への変換」と題する米国特許出願番号(代理人整理番号UPN−4383/P3190)に開示されている発明対象にも関連している。
本発明は、概して大量データの捕捉、格納及び配信のためのアーキテクチャ及び方法に関し、特に、DICOM互換画像システム及びNDMA互換記憶システムからの大量のデータの捕捉、格納及び配信に関する。
デジタル・マンモグラフィ・データを格納するための従来システムは、デジタル・データのフィルム・コピーの作成、コピーの格納及び元データの破壊を含んでいる。情報の配信は、基本的に複製されたX線写真のコピーを提供することによって行われた。多くの場合にこの手法が選択された理由は、デジタル・データ自体の格納及び送信が困難であることにある。デジタル医学画像ソース及びその捕捉後の画像処理におけるコンピュータ使用の導入は、医学画像及びその関連情報を送信するための規格方法を考案しようという試みに繋がっている。確立された規格は、医用デジタル画像と通信(DICOM)規格として周知である。DICOM規格への準拠は、他の病院または診療所の常設デバイスとの接続のためのマルチベンダ・サポートを要求する医療デバイスにとって極めて重要である。
DICOM規格は、マルチベンダ環境における医学画像の転送を可能にするためと、画像保管及び通信システムの開発と拡大及び医学情報システムとのインタフェースを促進するためのプロトコルを記述している。診断医学画像化の大手ベンダの(全てではないにしても)多くは、DICOM規格をその製品設計に組み込むことが見込まれている。また、DICOMは、健康産業において画像を使用する事実上あらゆる医療専門家によって使用されることも見込まれている。例としては、心臓学、歯科学、内視鏡検査法、マンモグラフィ、眼科学、整形外科学、病理学、小児科学、放射線療法、放射線学、外科及び獣医学の医学画像化アプリケーションが含まれる。従って、DICOM規格の使用は、マンモグラフィに加えてこれらの分野からのレコードの通信及び保管を促進させる。よって、病院内部の計器類とネットワークを介して得られる外部のサービスとの間をインタフェースで接続し、サービス及び情報の転送を供給するための規格方法が望まれている。また、このような方法が、様々な時間に異なるプロバイダから診療を捕捉する人口の流動をサポートするために、アクセス対象レコードの適切な追跡によるレコードへの安全な施設間アクセスを可能にすることも望まれている。
画像データを多数のユーザが利用できるようにするためには、アーカイブが適している。国立デジタル・マンモグラフィ・アーカイブ(NDMA)は、デジタル・マンモグラフィ・データを格納するためのアーカイブである。NDMAは、患者の健康及び医療レコードに結合される画像、報告書及び他の全ての関連情報の動的リソースとして機能する。またNDMAは当該年度及び前年度の研究の保管場所であり、診療及び研究利用の双方のためのサービス及びアプリケーションを提供する。このNDMA国立乳房画像アーカイブの開発は、北アメリカにおける乳癌検診プログラムを大幅に改革する可能性がある。懸念材料は、患者のプライバシーである。よってNDMAは患者のプライバシーと守秘義務を保証し、関連する全ての連邦規則に準拠している。
この画像データの配信を促進するためには、NDMAにDICOM互換システムが結合されなければならない。多数のユーザへ到達するためには、インターネットが適切であるようにも思えるが、インターネットはDICOMで使用されるプロトコルを処理するように設計されていない。従って、NDMAはレコードのためのDICOMフォーマットをサポートし、かつ、病院内のある種のDICOMインタラクションをサポートしているものの、固有のプロトコル及び手順を使用してファイルを転送し、操作する。結果的に、データ収集量は膨大となる可能性がある。
大量のデータを処理するこれまでの試みは、Jantzに付与された米国特許第5,937,428号(Jantz)及びFuchsに付与された米国特許第6,418,475号(Fuchs)に記述されている。Jantzは、複数の冗長なアレイ・コントローラ間で入力/出力ワークロードを分散させるためのRAID(安価な複数ディスクの冗長な配列)記憶システムを開示している。Jantzは、各処理待ち行列上の要求の数を監視して、より短い待ち行列を有するコントローラへ新たな要求を配信することにより、処理負荷を分散させようとしている。Fuchsは、幾つかのメモリ・システムと、上記幾つかのメモリ・システムにおける画像データの格納を制御する制御システムとを有する医用画像システムを開示している。連続する画像データセットは別々のメモリ・システムに格納され、上記システムはピーク負荷を回避しようとして負荷を異なるメモリ・システムへ分配する。しかしながら、Jantz、Fuchsの何れも、NDMAまたは大量のNDMA互換データの処理に関連する特定の問題については論じていない。
米国特許第5,937,428号公報
米国特許第6,418,475号公報
従って、DICOM互換システムをNDMAに結合し、かつ多数の明確な、但し独立行政施設にNDMA規格及びプロトコルとの共用に適する大規模処理、格納及び検索特性を提供することのできる捕捉、格納及び再配信のための大容量及びスケーラビリティを提供するアーキテクチャが必要となっている。
画像データ等のNDMA互換データを格納するためのシステムは、膨大な量のデータを処理するように拡張可能である。これは、NDMAアーキテクチャにおいて、処理のコレクションに結合されるロード・バランシングのフロントエンドと記憶マネージャに結合されるデータベース・ノードとの組合わせを使用し、かつ、個々の記録レベルで処理及び検索のための独立性を保つことにより達成される。本システムは、今日の需要に合わせてコンポーネントが追加または削除されることを可能にし、独立したステップでデータを処理してあらゆるサブコンポーネントについてプロセッサ・レベルの独立性をもたらす。本システムは、データ・トラフィックを他のノードへ方向づけるロードバランサ(負荷平衡器)内及びノード上自体の全プロセス内で、並行処理及びマルチスレッディングを使用する。ホスト・リストは、データがどこへ方向付けられるべきかを決定し、かつ、各ノード上でどの機能が活性化されるかを決定するために使用される。データは、各処理ステップで持続される待ち行列に格納される。
本発明によるNDMA関連データを格納するためのスケーラブル・システムは、フロントエンドの受信機セクションと、フロントエンドのバランサ・セクションと、少なくとも1つのバックエンドの受信機セクションと、少なくとも1つのバックエンドのハンドラ・セクションとを含む。上記フロントエンドの受信機セクションは、幾つかのホスト・プロセッサ(ホスト)を含む。ホストはNDMA関連データを受信し、これをデータ待ち行列へフォーマットする。上記フロントエンドのバランサ・セクションも、幾つかのホストを含む。これらのホストはフロントエンドの受信機セクションからデータ待ち行列を受信し、上記データ待ち行列の処理負荷をバランス処理(平衡化)し、かつ、上記データ待ち行列を少なくとも1つのホスト・リストによって指定される複数のホストへ送信する。上記バックエンドの(1つまたは複数の)受信機セクションは、上記フロントエンドのバランサ・セクションからデータ待ち行列を受信し、上記データ待ち行列を、ホスト・リストに従って複数のバックエンド・ハンドラの選択される部分へ供給する。上記バックエンドの(1つまたは複数の)ハンドラ・セクションは、NDMA関連データを格納し、問合せを実行しかつ監査する。
本発明によるロード・バランシング、独立処理及びレコード問合せのためのNDMAスケーラブル・アーカイブ・システムは、フロントエンドの受信機セクションと、フロントエンドのバランサ・セクションと、少なくとも1つのバックエンドの受信機セクションと、少なくとも1つのバックエンドのハンドラ・セクションとを備える。本システムは、処理を幾つかの独立したステップに分ける。本システムは、処理要件のあらゆるサブコンポーネントについてプロセッサ・レベルの独立性を供給する。例えば、ノードはレコードを互いに独立して処理することができる。本システムは、トラフィックを他のノードへ方向づけるロード・バランサ内部及びノード自体における全プロセス内部の双方において並行処理及びマルチスレッディングを使用する(即ち、複数のレコードを同時に処理することができる)。処理は、利用可能なプロセッサ・ノードのリストから決定される。プロセッサ・ノードのリストは、容量要件に合わせて修正(拡大または縮小)されることが可能である。格納コレクション(格納されるデータ)の部分集合は、個々のノードによって独立して管理される。データは、持続的な待ち行列を介して処理ステップ間を移動される(即ち、データは格納の完了が肯定応答される前にディスクへ格納される)。ソケット通信は、複数のプロセスが1つのノード上で同時に動作できるように、または複数のノードに渡ってトランスペアレントに拡散され得るようにプロセス間で使用される。これは、地理的に分散されたノード、またはハードウェアまたはオペレーティング・システムにおける異種ノードに適用される。
次に、図1は、本発明の例示的な一実施形態による利用可能なネットワーク通信トランク帯域幅特性に合わせて地理的に配列されることが可能な記憶階層のイラストを示し、図1を参照すると、図示されているNDMAは3つのレベルの記憶階層を使用している。マンモグラフィからの最終的なNDMAデータ量はあまりに多い(全ての病院がデジタル記憶へ変換すれば潜在的に1日当たり28テラバイトとなる)ことから、3レベル階層及びレベル2及び3サイト用のスケーラブル・アーキテクチャが使用される。記憶階層は3つの層(またはレベル)、即ち病院/診療所ロケーションにおける小型コネクタを有する層1と、コレクションの部分を管理するエリア・アーカイブを有する層2と、エリア・コレクションを管理しかつネットワーク複製を使用して障害回復を供給するリージョン・システムを有する層3とを備える。レベル1は、データ・コレクション・サイト(病院または病院施設)における最小フットプリントである。レベル2は50乃至100の病院のニーズにサービスを提供する能力があり、キャッシュ要求、頻繁に使用されるレコード及び患者の定期診療によって使用が予定されているレコードのための記憶装置を有する。レベル3は、接続される全てのサイト及びネットワーク複製のための大容量記憶装置を有する。
図2は、本発明の例示的な一実施形態による、記憶階層におけるレベル1の格納及び検索のウォールプラグ12の実装を示すブロック図である。これは、TCPIP(転送制御プロトコル・インターネットプロトコル)互換ネットワーク18を介して内部の病院/診療所14へ結合される第1のポータル28と、仮想専用ネットワーク20、24を介してアーカイブ16へ結合される第2のポータル30とから成り、上記2つのポータルは専用高信頼ネットワーク32を介して互いに結合される。図2に示すように、ウォールプラグ12は層1のデバイス・コネクタであり、2つの外部ネットワーク接続部を有する。その1つは病院ネットワーク18へ接続され、もう1つは暗号化された外部仮想専用ネットワーク(VPN)20へ接続される。ウォールプラグ12は、病院側では高信頼ウェブ・ユーザ・インタフェース及びDICOM病院計器インタフェースを提供し、VPN側ではアーカイブ16のアーカイブ・フロントエンド22への高信頼接続部を提供する。このシステムは、接続用病院システムの外部接続について全く想定していない。ウォールプラグ12は、故障の場合に通信冗長性及びハードウェア試験及び管理を供給するための(冗長ネットワークへの)第2の外部接続24を有する。また外部VPNは、グリッド・サービス及びアプリケーション・アクセスも供給する。グリッドは、認証及びネットワークを介するサービスへのアクセスを提供するためのメカニズム実装のオープン規格である。オープン規格は、様々なハードウェア及びソフトウェア・コンポーネント間の互換性を拡大するための公的に利用可能な仕様である。
図2に示すように、ウォールプラグ12のハードウェア設計は、専用高信頼ネットワーク32で互いに連結される2つのポータル28、30を含み、専用高信頼ネットワーク32は、全てのプロトコル及び伝送を制御することが可能であり、かつ(これらのプロトコルを除いて)外部からのアクセスが供給されない1本のクロスオーバー・ケーブルを備える。各ポータル28、30は、少なくとも2つのネットワーク・デバイスを有する。ある例示的構成においては、各ポータル28、30から1つずつ、2つのインタフェースが短いクロスオーバー・ケーブルで互いに接続され、上記ネットワーク上のアドレス空間はルーティングされない10.0.0.0/8専用ネットワークである。このネットワークは、RFC1918(TCPIP規格)に定義されているような専用アドレス空間である。さらに、この隔離されたネットワークのアドレス空間は、他のどのネットワークまたはインタフェースにもルーティングされない分離されたネットワーク・インタフェース上へ画定される。このネットワークは、ポータル28、30間の専用リンク32を形成する。ウォールプラグ12をさらに良く理解するためには、その開示内容全体が参照により開示に含まれる本明細書と同日付けで出願された「病院/診療所内の医用画像システムを外部の格納及び検索システムへ接続するための施設間ウォールプラグ」と題する関連出願(代理人整理番号UPN−4380/P3179)を参照されたい。
図3は、本発明の例示的な一実施形態による、NDMAとのデータ転送に使用されるロード・バランサ及びNDMAのバックエンド・セクションにおけるソフトウェア・コンポーネントを示すブロック図である。このアーキテクチャは、記憶階層の層2及び3の双方において使用される。従って、図3は、層2及び層3の両リソースを構築するために使用され得るアーカイブ・システムの概観を描いたものである。
処理ステップ
図3に示すロード・バランサ及びバックエンド・セクション・ソフトウェアを介するデータ・フローは、図3に示すようなフロントエンドの入力ハンドラと、これに続くフロントエンドのロード・バランサと、これに続くバックエンドのロード・バランサとを含む。各プロセスは、受信機と待ち行列ハンドラとを使用する。下記は、本発明の例示的な一実施形態によるNDMAアーカイブにおいて使用されるプロセスの概要である。
・ フロント・エンドI/O受信機:
゜ MAQRecは、ポート5007上で実行されている広域ネットワーク(WAN)からのマルチスレッド一次フロントエンド受信機である。MAQRecは、MASend/bak(図示されていない)に複製を有する出力待ち行列/MASendを有する。
・ フロントエンド・バランサ及びキュー・ムーバ:
゜ MAQは、入力待ち行列MASend内に格納されたhostlistMAQにリストされているノードへファイルを送る、記憶のためのフロントエンド・バランサである。
゜ MAQryは、入力待ち行列MAQueryに格納される問合せの問合せ処理のためのロード・バランサである。
゜ MAQReplyは、キューMARecvに格納される応答を処理する問合せ応答ハンドラである。
゜ MAAuditは入力待ち行列MAAuditに格納される監査要求を処理するHIPPA監査記憶ハンドラである。
゜ QRYReplyPusherは、外部へのMAQRecへ応答を供給する問合せ応答ハンドラである。[WHERE?]
゜ MAForwardは、問合せを処理するための要求リダイレクタである。
・ バックエンド受信機
゜ 記憶装置:MAQRecは、ポート5004、queue/mar/MARsへ接続される記憶デバイスである。
゜ 問合せ:qryRecは、ポート5005、queue/qry/QRYqへ接続される記憶デバイスである。
゜ 監査:MaARecは、ポート5006、queue/mar/QAuditsへ接続される記憶デバイスである。
・ バックエンド・ハンドラ
゜ MARは、格納要求を処理する。
゜ QRYは、問合せを処理する。
゜ QAuditは、問合せ監査を処理する。
図3に示すロード・バランサ及びバックエンド・セクション・ソフトウェアを介するデータ・フローは、図3に示すようなフロントエンドの入力ハンドラと、これに続くフロントエンドのロード・バランサと、これに続くバックエンドのロード・バランサとを含む。各プロセスは、受信機と待ち行列ハンドラとを使用する。下記は、本発明の例示的な一実施形態によるNDMAアーカイブにおいて使用されるプロセスの概要である。
・ フロント・エンドI/O受信機:
゜ MAQRecは、ポート5007上で実行されている広域ネットワーク(WAN)からのマルチスレッド一次フロントエンド受信機である。MAQRecは、MASend/bak(図示されていない)に複製を有する出力待ち行列/MASendを有する。
・ フロントエンド・バランサ及びキュー・ムーバ:
゜ MAQは、入力待ち行列MASend内に格納されたhostlistMAQにリストされているノードへファイルを送る、記憶のためのフロントエンド・バランサである。
゜ MAQryは、入力待ち行列MAQueryに格納される問合せの問合せ処理のためのロード・バランサである。
゜ MAQReplyは、キューMARecvに格納される応答を処理する問合せ応答ハンドラである。
゜ MAAuditは入力待ち行列MAAuditに格納される監査要求を処理するHIPPA監査記憶ハンドラである。
゜ QRYReplyPusherは、外部へのMAQRecへ応答を供給する問合せ応答ハンドラである。[WHERE?]
゜ MAForwardは、問合せを処理するための要求リダイレクタである。
・ バックエンド受信機
゜ 記憶装置:MAQRecは、ポート5004、queue/mar/MARsへ接続される記憶デバイスである。
゜ 問合せ:qryRecは、ポート5005、queue/qry/QRYqへ接続される記憶デバイスである。
゜ 監査:MaARecは、ポート5006、queue/mar/QAuditsへ接続される記憶デバイスである。
・ バックエンド・ハンドラ
゜ MARは、格納要求を処理する。
゜ QRYは、問合せを処理する。
゜ QAuditは、問合せ監査を処理する。
上述の概観及び図3を参照すると、フロントエンドI/O受信機セクションはMAQRec及びMASendプロセスを含む。MAQRecプロセスは、広域ネットワークからのマルチスレッド一次フロントエンド受信機である。MAQRecプロセスは、MASend/bak(図3には示されていない)における複製でデータを出力待ち行列MASendへ供給する。
フロントエンド・バランサ及びキュー・ムーバは下記の処理、即ち、MAQ、MAQry、MAQReply、MAAudit、QRYReplyPusher、MAQBak(図3には示されていない)及びMAForward(図3には示されていない)を含む。MAQプロセスは、記憶装置のためのフロントエンド・バランサである。これは、hostlistMAQにリストされているノードへファイルを送る。MAQryプロセスは、問合せ処理のためのバランサである。MAQReplyプロセスは、問合せ応答ハンドラである。MAAuditプロセスは、HIPPA監査記憶ハンドラである。QRYReplyPusherプロセスは、外部へのMAQRecプロセスへの応答ハンドラである。MAQBakプロセスは、ネットワーク複製のための送信者である。MAForwardプロセスは、リダイレクタに問合せ処理を要求する。
バックエンド受信機セクションは、待ち行列MAR及び/mar/MARsを有してプロセスMARを使用してデータ格納のためのデータを送るMAQRecプロセスと、プロセスQRYを介して問合せ機能を実行するqueues/qry及び/QRYqを有するMAQRecプロセスと、監査機能を実行するqueues/mar及び/QAuditsを有するMAQRecプロセスとを使用する。/mar及び/qry内の中間の待ち行列は、バックエンドを描いた図3には示されていない。これらは、フロントエンド・ノードにおける対応する待ち行列MASend、MAQuery、MAAuditと同じ役割を果たす。
バックエンド・ハンドラ・セクションは、格納機能を実行するためのMARプロセス、問合せ機能を実行するためのQRYプロセス及び問合せ監査を実行するためのQAuditプロセスを使用する。
これらのプロセスは全て、3つのクラス、即ち、送信側、受信側及びプロセッサのうちの1つに属する。送信側と受信側は、アイテムがローカルに、またはリモート・ノード上の何れかで、またはノードが内部ネットワークまたは外部ネットワークの何れに存在するかに関わらず、双方で処理されるように、ソケット・プロトコルを使用して通信する。このプロトコルをより良く理解するためには、その開示内容全体が参照により開示に含まれる本明細書と同日付けで出願された「NDMAソケット・トランスポート・プロトコル」と題する関連出願(代理人整理番号UPN−4381/P3180)を参照されたい。プロセッサは持続的な入力及び出力待ち行列から離れて単独で作動し、システムの停止後、システムが自動的に再起動することを保証する。
単一マシン例
図4は、スケーラブル・アーキテクチャが単一のマシン・ノード上でインスタンス化される全てのプロセス、待ち行列及びハンドラによって使用される、本発明の例示的な一実施形態によるスケーラブル・システムの単一マシン実装を示すブロック図である。全プロセスを単一のマシン上へ実装するために、全ての制御ホスト・リストはローカル・マシンを指すポインタを含んでいる。よってプロセス・フローは、図4が示すもののようになる。
図4は、スケーラブル・アーキテクチャが単一のマシン・ノード上でインスタンス化される全てのプロセス、待ち行列及びハンドラによって使用される、本発明の例示的な一実施形態によるスケーラブル・システムの単一マシン実装を示すブロック図である。全プロセスを単一のマシン上へ実装するために、全ての制御ホスト・リストはローカル・マシンを指すポインタを含んでいる。よってプロセス・フローは、図4が示すもののようになる。
複数ノードの配置
図5は、本発明の例示的な一実施形態による、スケーラブル・システムの複数バランサ、待ち行列ハンドラ及びデータ・ハンドラの複数マシン実装が複数のマシン上にインスタンス化されている複数ノードの配置を示す。任意のマシンの割当てはホストリストによって制御され、かつ、通信はソケットを介して行われることから、複数の入力マシンの保有が可能であり、その各々は、各々がマシン・プールを管理する複数の待ち行列バランサへ送信する。個々のマシンは、同時に入力プロセッサ、待ち行列バランサまたはバックエンド・プロセッサとして動作する場合もあれば、これらの機能の1つまたは複数として特殊化される場合もある。これは、必要に応じて余分なノードを上記基本的機能のうちの任意のものに追加することができるトポロジーを定義する能力を提供する。これらのノードは、ローカル、リモート、地理的に分散された、または異種のノードであることが可能である。
図5は、本発明の例示的な一実施形態による、スケーラブル・システムの複数バランサ、待ち行列ハンドラ及びデータ・ハンドラの複数マシン実装が複数のマシン上にインスタンス化されている複数ノードの配置を示す。任意のマシンの割当てはホストリストによって制御され、かつ、通信はソケットを介して行われることから、複数の入力マシンの保有が可能であり、その各々は、各々がマシン・プールを管理する複数の待ち行列バランサへ送信する。個々のマシンは、同時に入力プロセッサ、待ち行列バランサまたはバックエンド・プロセッサとして動作する場合もあれば、これらの機能の1つまたは複数として特殊化される場合もある。これは、必要に応じて余分なノードを上記基本的機能のうちの任意のものに追加することができるトポロジーを定義する能力を提供する。これらのノードは、ローカル、リモート、地理的に分散された、または異種のノードであることが可能である。
スケーラブル高容量システム
図6は、本発明の例示的な一実施形態による、全ての機能が分散され、かつ/または、クラスタ化されたマシンへ割り当てられることが可能なスケーラブル・システムのブロック図であり、入力ネットワーク層36と、データベース(DB)層38と、処理層40と、ロード・バランス層42とを示す。NDMAアーカイブは、記憶階層のリージョン層3における格納のためのペタバイト可能システムとなることが想定されている。従って、ある実施形態では、本システムは以下のアーキテクチャ、即ち、入力ネットワーク層36と、DB層38と、処理層40とを備える。DB層内への格納は適切な任意の格納メカニズム、例えば、格納エリア・ネットワーク(SAN)への接続、またはネットワーク接続記憶装置または独立ディスクの冗長アレイ(RAID)で実装されるディスク・アレイまたは「単なるディスクの束」(JBOD)で実装されることが可能である。層間の通信は、先に述べたように待ち行列及び送/受信ペアを使用し、よって配置はフレキシブルであることが可能である。入力ネットワーク層36はMAuRecを実行する複数のノードで実行され、外部のWANへ接続される。スイッチまたは他のネットワーク・ハードウェア及びNDMAソケットによって相互接続される複数のノードを有するデータベース層38は、パラレルIBMデータベース(DB2)またはその等価物を実行する。これは、ロード・バランス層42及びDB層38をファイル・サービス及びDB機能のための仮想単一マシンにする。この仮想単一マシンのフロントエンドはマルチノード・バランサ42であり、ノードの各々は大規模バックエンド格納エリア・ネットワークまたはネットワーク接続記憶装置のコレクションを個々に管理することができる。
図6は、本発明の例示的な一実施形態による、全ての機能が分散され、かつ/または、クラスタ化されたマシンへ割り当てられることが可能なスケーラブル・システムのブロック図であり、入力ネットワーク層36と、データベース(DB)層38と、処理層40と、ロード・バランス層42とを示す。NDMAアーカイブは、記憶階層のリージョン層3における格納のためのペタバイト可能システムとなることが想定されている。従って、ある実施形態では、本システムは以下のアーキテクチャ、即ち、入力ネットワーク層36と、DB層38と、処理層40とを備える。DB層内への格納は適切な任意の格納メカニズム、例えば、格納エリア・ネットワーク(SAN)への接続、またはネットワーク接続記憶装置または独立ディスクの冗長アレイ(RAID)で実装されるディスク・アレイまたは「単なるディスクの束」(JBOD)で実装されることが可能である。層間の通信は、先に述べたように待ち行列及び送/受信ペアを使用し、よって配置はフレキシブルであることが可能である。入力ネットワーク層36はMAuRecを実行する複数のノードで実行され、外部のWANへ接続される。スイッチまたは他のネットワーク・ハードウェア及びNDMAソケットによって相互接続される複数のノードを有するデータベース層38は、パラレルIBMデータベース(DB2)またはその等価物を実行する。これは、ロード・バランス層42及びDB層38をファイル・サービス及びDB機能のための仮想単一マシンにする。この仮想単一マシンのフロントエンドはマルチノード・バランサ42であり、ノードの各々は大規模バックエンド格納エリア・ネットワークまたはネットワーク接続記憶装置のコレクションを個々に管理することができる。
マシン独立性の維持
図7は、本発明の例示的な一実施形態によるNDMAアーカイブ・システムにおけるデータの格納に使用されるソフトウェア・コンポーネントのブロック図である。図7に描かれているように、NDMAアーカイブは医療レコードを個々のファイルとして格納する。スケーラブル・アプローチが作動するためには、ノードは各々、他のノードとの最小の相互作用を有する要求及び他のノードとの相互作用のない要求を独立して処理できることが好適である。これは、下記のようにして行なう格納要求によって達成される。MAQRec44を実行するバランサ・ノードはその着信する待ち行列46から格納要求を除外し、送信側のMAQ48を使用してこれを格納ノード50へ独立して送ることができる。各格納ノードはファイル52を受信し、待ち行列54からこれを除去し、ファイル56を処理し、そのファイル58を独立して格納する。これは、図のように共通のデータベース60を更新し、かつまたQRYReplyPusherを使用してこのデータベース入力のコピーを別のロケーション(DB)へ送ることができる。分散型の実施形態では、このデータベース情報はXML NDMA構造へ抽出され、データベース・ノードへ転送(forward)されてデータベースが更新される。XMLの第2のコピーは、バックアップ・データベースまたはカタログ作成のために複製データベースへ送られることが可能である。この配置では、全てのレコードは格納ノード間の相互作用なしに格納されることが可能である。レコード・レベル処理の独立性を使用するこのスケーラブル・アプローチは、システム容量がスケーラブルであることを保証する。
図7は、本発明の例示的な一実施形態によるNDMAアーカイブ・システムにおけるデータの格納に使用されるソフトウェア・コンポーネントのブロック図である。図7に描かれているように、NDMAアーカイブは医療レコードを個々のファイルとして格納する。スケーラブル・アプローチが作動するためには、ノードは各々、他のノードとの最小の相互作用を有する要求及び他のノードとの相互作用のない要求を独立して処理できることが好適である。これは、下記のようにして行なう格納要求によって達成される。MAQRec44を実行するバランサ・ノードはその着信する待ち行列46から格納要求を除外し、送信側のMAQ48を使用してこれを格納ノード50へ独立して送ることができる。各格納ノードはファイル52を受信し、待ち行列54からこれを除去し、ファイル56を処理し、そのファイル58を独立して格納する。これは、図のように共通のデータベース60を更新し、かつまたQRYReplyPusherを使用してこのデータベース入力のコピーを別のロケーション(DB)へ送ることができる。分散型の実施形態では、このデータベース情報はXML NDMA構造へ抽出され、データベース・ノードへ転送(forward)されてデータベースが更新される。XMLの第2のコピーは、バックアップ・データベースまたはカタログ作成のために複製データベースへ送られることが可能である。この配置では、全てのレコードは格納ノード間の相互作用なしに格納されることが可能である。レコード・レベル処理の独立性を使用するこのスケーラブル・アプローチは、システム容量がスケーラブルであることを保証する。
図8は、本発明の例示的な一実施形態によるNDMAアーカイブ・システムにおけるデータ及びトラックの使用及びレコードの移動の監査に使用されるソフトウェア・コンポーネントを示すブロック図である。図8に描かれた監査処理経路は、上述の格納処理経路と実質的に類似しているが、監査データは実際のファイルではなくデータベースに格納される点が異なる。
図9は、本発明の例示的な一実施形態による問合せの実行及びレコードの検索に使用されるソフトウェア・コンポーネントを示すブロック図である。独立した問合せ処理は配置がさらに複雑であるが、依然としてレコード・レベル処理の独立性を維持している。この独立性を保持するように問合せ処理を調整することにより、スケーラブルな実行が持続される。着信する問合せは、バランサ64(この例には複数が存在する可能性がある)により、待ち行列66及び送信機68を介して、その例には複数が存在する可能性がある問合せ処理ノード70へ送信される。問合せ処理ノードは、その問合せに対する応答に必要なファイルのロケーションを決定するためにデータベースへ問合せを送る。上記ノードはNDMAプロトコル及びソケットによって要求される全ての応答についてXMLヘッダを作成し、次にこれらの応答を、それが上記要求される要求への直接アクセスを有するものと、上記レコードが他の何らかのノードまたは他の何らかのロケーションに常駐するものに分割する。前者の場合、上記ノードは応答レコードをヘッダに添付し、完成したレコード72を問合せ応答ノード74へ送る。後者であれば、上記ヘッダがバランサ64を介して要求されるコンテンツを有する特定ノードへ転送される。これは、ヘッダをMAForwardプロセス76を介して送信することによって達成される。転送要求に応答するノードは、データベースへ問合せを行う必要はない。これらは単に、転送待ち行列において受信したヘッダXMLに要求されたレコードを添付するだけでよい。この幾分複雑な配置は、複数のノードからの応答を要求する問合せに関しても、ノード間の依存性を排除する。通信は全て、バランサ・ノード64とサブノード70との間で行われる。このこともまた、1ノードから他の全ノードへの高速通信を必要とせず、バランサ・ノードへの通信を必要とするだけであることに起因して、ハードウェア・アーキテクチャの配置をより容易にする。
例
図10は、複数の格納及び問合せ構成におけるデータ・フローを示す(単純化を期して、図10には転送機能を示していない)。
図10は、複数の格納及び問合せ構成におけるデータ・フローを示す(単純化を期して、図10には転送機能を示していない)。
着信する格納要求は、1つまたは複数のマシンに渡ってその1つまたは複数の例が存在する可能性のあるMAQRec受信層80によって処理される。多数が存在する可能性のあるMAQ送信機82は、着信する格納要求を、任意の適切なロード・バランシング技術を使用して格納ノード84へ押し進める。格納ノードはファイルを自らが管理するファイル空間88へ格納し、インデックスをデータベース86に格納する。格納が成功裡に終わる時に応答メッセージが生成され、応答待ち行列(図示されていない)に配置される。この応答は、下記で論じるReply Pusher(応答プッシャ)98によって自動的にルーティングされる。
着信する問合せ要求は、格納要求を処理するマシンと同じ、または異なる1つまたは複数のマシンに渡ってその1つまたは複数の例が分散されて存在する可能性のあるMAQRec受信層90により処理される。多く存在する可能性があるMAQ送信機92は、着信する問合せ要求を、任意の適切なロード・バランシング技術を使用して要求ノード94へ押しやる。要求ノードはインデックス86を問合せ、要求を満たすために必要な全てのファイルを位置決めする。ローカルで管理されるファイルの場合、ファイルは応答マネージャ96によりNDMAプロトコルに従ってフェッチされ、フォーマットされる。完成された応答は応答プッシャ98へ送られ、応答プッシャ98はこれを要求側のロケーションへルーティングして戻す。ローカルでないファイルの場合、応答マネージャ96はそのプロトコル・エレメントをロード・バランサ92へ返送し、ロード・バランサ92は上記要求を、データを制御するノード上の応答マネージャへ方向づける。次いでこのノードは、要求されたファイルをフェッチし、プロトコル・エレメントを添付しかつ上記ファイルを応答プッシャへ送って上記プロセスを完了する。このより複雑な手順は、レコード・レベルの独立性を維持しかつ要求ノード間を横断する直接的なネットワーク・トラフィックを回避するために使用される。
NDMAアーカイブの実施形態は、幾つかの「エリア」アーカイブ及び2つの「リージョン」アーカイブに実装されていて、本配置のフレキシブルさを実証している。プロセッサの数は1つから32までの間で変わり、ノードは地理的に分散されるロケーションに位置決めされる。本設計はシステム容量の制限無しの拡大を可能にし、かつ追加容量を必要とする機能においてのみ容量ニーズが拡大されるように調整されることも可能である。
3レベルの記憶階層
図11は、本発明の例示的な一実施形態によるシステムのスケーラブル特性及び記憶階層の目標容量を示す。NDMAは、図1及び11に示すように、3レベル階層を使用して医療レコードを格納する。NDMAアーカイブ・システムの内部オペレーションが送/受信ペアを使用してスケーラブル・アプローチにより促進されるのと同じ方法で、より大きいコンポーネント、即ち、エリア及びリージョン・アーカイブもまた、より大きいスケールでプロセッサ・ノード及びバランサとして見られることが可能である。NDMA送/受信ソケット層は、エリア及びリージョン格納ノード間のWAN接続として実装されることが可能である。本階層におけるレコードのネットワーク複製は、別のアーカイブを指すホストリストを有するMAQBakプロセスの使用によって達成される。エリア及びリージョン(即ち、地理的に分離されたロケーション)間の相互通信は、単一ノードまたは複数ノードの何れかにおけるNDMAサービスの実装に使用されるのと同じ原理の大型版である。
図11は、本発明の例示的な一実施形態によるシステムのスケーラブル特性及び記憶階層の目標容量を示す。NDMAは、図1及び11に示すように、3レベル階層を使用して医療レコードを格納する。NDMAアーカイブ・システムの内部オペレーションが送/受信ペアを使用してスケーラブル・アプローチにより促進されるのと同じ方法で、より大きいコンポーネント、即ち、エリア及びリージョン・アーカイブもまた、より大きいスケールでプロセッサ・ノード及びバランサとして見られることが可能である。NDMA送/受信ソケット層は、エリア及びリージョン格納ノード間のWAN接続として実装されることが可能である。本階層におけるレコードのネットワーク複製は、別のアーカイブを指すホストリストを有するMAQBakプロセスの使用によって達成される。エリア及びリージョン(即ち、地理的に分離されたロケーション)間の相互通信は、単一ノードまたは複数ノードの何れかにおけるNDMAサービスの実装に使用されるのと同じ原理の大型版である。
エリアからリージョンへの通信の実装例
図12は、エリア03及びエリア06である2つのエリア・アーカイブへ接続される、さらにはリージョン01であるリージョン・マシンへ接続される2つの病院施設、即ちトロント所在のSB(例えばサニーブルック女子大学の保健システム)とHUP(ペンシルバニアのペンシルバニア大学病院)間の接続の例示的実装を示す。この場合、リージョン01であるリージョン・マシンは、複製されたトラフィックをエリア・アーカイブからMAQBakプロセスを介して受信している。本例におけるリージョン・マシン・バランサは、バックエンド・プロセス(MAQRec、MARRec)の一方のみを実行するように示されている。本例は、地理的または行政的に分離されたマシン同士であっても1つの処理構造に連結され得るフレキシブルな方法を示している。
図12は、エリア03及びエリア06である2つのエリア・アーカイブへ接続される、さらにはリージョン01であるリージョン・マシンへ接続される2つの病院施設、即ちトロント所在のSB(例えばサニーブルック女子大学の保健システム)とHUP(ペンシルバニアのペンシルバニア大学病院)間の接続の例示的実装を示す。この場合、リージョン01であるリージョン・マシンは、複製されたトラフィックをエリア・アーカイブからMAQBakプロセスを介して受信している。本例におけるリージョン・マシン・バランサは、バックエンド・プロセス(MAQRec、MARRec)の一方のみを実行するように示されている。本例は、地理的または行政的に分離されたマシン同士であっても1つの処理構造に連結され得るフレキシブルな方法を示している。
本発明によるロード・バランシング、独立処理及びレコードの問合せのためのNDMAスケーラブル・アーカイブ・システムは、膨大な量のデータを処理する能力を有する。これを達成するために、NDMAアーキテクチャは3レベルの階層、即ち、病院システム(レベル1)、複数の病院施設コレクタ(レベル2)、及びコレクタのコレクタ(レベル3)を使用する。格納、問合せ、監査またはインデックス付けに関する全ての処理要件は独立したステップに分解され、独立したノード上で実行される。全てのノードは独立して要求を処理し、全てのプロセスはマルチスレッドされる。プロセスは、複数インスタンスの実行が可能である。プロセッサ機能は、ホストリストによって制御される。各機能はこのようなリストを保有し、プロセッサは2つ以上の機能を実行することができる。プロセスは、単に処理されるべきレコード及び要求の持続的待ち行列から動作する。プロセッサは、地理的に分散される場合もあれば、単一のコンピュータ上でローカルに常駐する、または複数のコンピュータ上に常駐する場合もある。本アーカイブ・システムは、プロセッサ・グループを使用してコアへの入出力を行い、かつ入出力要件をロード・バランシングさせる。本アーカイブ・システムはノードのコア・コレクションを使用して処理を行い、各ノードの機能はそれが発生するプロセス・ホストリストにより制御される。独立したノードが依然として要求を処理している問合せについては、要求されるデータは多くのノードに分散される可能性がある。ノードはバランサを介して「転送」要求を使用し、別のプロセッサにレコードの送信を完了するように命令することができる。これにより、ノードが要求されるファイルへの直接アクセスを保有しない場合でも、スケーラブルなノードの独立性が維持される。本明細書に記述しているアーカイブ・システムはまた、画像処理及びコンピュータ支援検出(CAD)アルゴリズム専用のプロセッサ・コレクションを有することが可能である。従って、CADアルゴリズムは主として、このメカニズムを介して複数の施設へ供給されることが可能である。
本明細書では所定の特定的な実施形態を参照して図示及び説明を行っているが、本発明はここに示した詳細に限定されるべきものではない。むしろ詳細事項の様々な変更は、請求の範囲に等しい範囲内で、かつ本発明を逸脱することなく実行されることが可能である。
12 ウォールプラグ、 14 病院/診療所、 16 アーカイブ、 18 病院ネットワーク、 20,24 外部接続部、 22 アーカイブ・フロントエンド、 28,30 ポータル、 32 専用高信頼ネットワーク
Claims (11)
- 国立デジタル・マンモグラフィ・アーカイブ(NDMA)の関連データを格納するためのスケーラブル・システムであって、
上記NDMA関連データを受信しかつ上記NDMA関連データをデータ待ち行列へフォーマットする複数のホスト・プロセッサを備えるフロントエンドの受信機セクションと、
上記フロントエンドの受信機セクションから上記データ待ち行列を受信し、上記データ待ち行列の処理負荷をバランス処理し、上記データ待ち行列をホストリストに従って上記複数のホスト・プロセッサの各々へ送信する複数のホスト・プロセッサを備えるフロントエンドのバランサ・セクションと、
上記フロントエンドのバランサ・セクションから上記データ待ち行列を受信し、上記データ待ち行列を、上記ホストリストに従って複数のバックエンド・ハンドラの選択部分へ供給するバックエンドの受信機セクションと、
上記NDMA関連データを格納し、上記NDMA関連データに関する問合せを実行するとともに上記NDMA関連データを監査する上記複数のバックエンド・ハンドラとを備えたことを特徴とするスケーラブル・システム。 - 上記フロントエンドの受信機セクションは、複数のフロントエンド受信機を備える請求項1記載のシステム。
- 上記フロントエンドのバランサ・セクションは、複数のフロントエンド・バランサを備える請求項1記載のシステム。
- 上記バックエンドの受信機セクションは、複数のバックエンド受信機を備える請求項1記載のシステム。
- 上記バックエンド・ハンドラは、少なくとも1つの格納メカニズムと、少なくとも1つの問合せプロセッサと、少なくとも1つの監査プロセッサとを備える請求項1記載のシステム。
- 上記NDMA関連データは、レコードにフォーマットされ、個々のレコードは独立して処理される請求項1記載のシステム。
- 複数の上記データ待ち行列は、同時に処理される請求項1記載のシステム。
- 上記フロントエンドの受信機セクションは入力層を形成し、
上記フロントエンドのバランサ・セクションはコア・データベース層を方向付け、
上記バックエンドのハンドラ・セクションはアプリケーション層を形成し、
上記NDMA関連データは、上記複数層間でデータ待ち行列及び送/受信ペアを介して転送される請求項1記載のシステム。 - 上記フロントエンドの受信機セクション、上記フロントエンドのバランサ・セクション、上記バックエンドの受信機セクション及び上記バックエンド・ハンドラのうちの少なくとも2つは地理的に分散される請求項1記載のシステム。
- NDMAデータを格納する各要求は、NDMA関連データを格納する他の要求とは独立して処理され、
NDMAデータを問い合わせる各要求は、NDMA関連データを問い合わせる他の要求とは独立して処理される請求項1記載のシステム。 - NDMAプロトコル及びソケットに従って、問合せに対する全ての応答について拡張可能マークアップ言語(XML)のヘッダが生成され、上記応答は、適用可能な応答レコードが直にアクセス可能である応答と、適用可能な応答レコードが直にアクセス可能でない応答とに二分される請求項1記載のシステム。
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