摘 要:隨著國(guó)家醫(yī)改政策的推進(jìn)和醫(yī)院業(yè)務(wù)信息化的需求日益增長(zhǎng),醫(yī)院傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)已不能滿(mǎn)足公立醫(yī)院高質(zhì)量發(fā)展的需要。文章從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)、CAPEX資本支出和OPEX運(yùn)營(yíng)成本角度出發(fā),首先對(duì)傳統(tǒng)以太局域網(wǎng)和基于GPON的全光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)比,闡述智慧醫(yī)院POL無(wú)源光局域網(wǎng)建設(shè)的必要性。其次對(duì)智慧醫(yī)院全光網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)原理和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行描述,給出基于GPON技術(shù)的全光網(wǎng)絡(luò)方案,介紹全光網(wǎng)絡(luò)在智慧醫(yī)院各業(yè)務(wù)場(chǎng)景中的應(yīng)用和全光網(wǎng)絡(luò)在信息安全的應(yīng)用情況。最后對(duì)POL無(wú)源光局域網(wǎng)進(jìn)行總結(jié)并給出建議。
關(guān)鍵詞:POL全光網(wǎng)絡(luò);智慧醫(yī)院;GPON技術(shù);綜合布線(xiàn);信息安全
中圖分類(lèi)號(hào):TN929.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2096-4706(2024)20-0005-06
Application of All-optical Network Based on GPON in Smart Hospitals
YUAN Jiliang
(Hunan Provincial Finance and Trade Hospital, Changsha 410221, China)
Abstract: As the advance of national healthcare reform policies and the growing demand for hospital business informatization, traditional hospital networks can no longer meet the needs of high-quality development in public hospitals. This paper firstly compares the traditional Ethernet LANs with all-optical networks based on GPON from the perspectives of network architecture, business, CAPEX, and OPEX, elucidating the necessity of constructing a smart hospital POL. Secondly, it describes the networking principles and network architecture of smart hospital all-optical networks, presents an all-optical network solution based on GPON technology, and introduces the application of all-optical networks in various smart hospital business scenarios as well as their application situation in information security. Finally, it summarizes the POL and offers suggestions.
Keywords: POL all-optical network; smart hospital; GPON technology; comprehensive cabling; information security
0 引 言
公立醫(yī)院是我國(guó)醫(yī)療服務(wù)體系的主體。近年來(lái),國(guó)家相繼出臺(tái)一系列政策致力于推進(jìn)公立醫(yī)院的高質(zhì)量發(fā)展,其中《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于推動(dòng)公立醫(yī)院高質(zhì)量發(fā)展的意見(jiàn)》[1]、“健康中國(guó)2030”戰(zhàn)略和《“十四五”國(guó)民健康規(guī)劃》明確指出要全面深化醫(yī)改,將信息化融入公立醫(yī)院的高質(zhì)量發(fā)展中。全光網(wǎng)絡(luò)作為信息化基礎(chǔ)設(shè)施的核心部分,在技術(shù)創(chuàng)新、政策支持和市場(chǎng)需求的共同推動(dòng)下,正逐步成為醫(yī)院信息化建設(shè)的標(biāo)配,為構(gòu)建智慧醫(yī)療體系提供強(qiáng)有力的支持。
1 醫(yī)院傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息化建設(shè)面臨的問(wèn)題
在當(dāng)前快速發(fā)展的信息化時(shí)代,醫(yī)院傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息化建設(shè)面臨以下挑戰(zhàn):
1)傳統(tǒng)局域網(wǎng)技術(shù)過(guò)時(shí),無(wú)法支持?jǐn)?shù)據(jù)高速傳輸和大流量的數(shù)據(jù)處理。
2)隨著網(wǎng)絡(luò)攻擊手段的不斷升級(jí),傳統(tǒng)局域網(wǎng)存在多種安全漏洞,容易遭受外部攻擊,導(dǎo)致患者信息泄露等安全問(wèn)題。
3)傳統(tǒng)局域網(wǎng)軟硬件維護(hù)成本高,醫(yī)院財(cái)政負(fù)擔(dān)重。
4)擴(kuò)展性差,傳統(tǒng)局域網(wǎng)需要多個(gè)并行子網(wǎng)(包括設(shè)備、布線(xiàn)和管理)才能支撐醫(yī)院的多業(yè)務(wù)需求。
5)對(duì)創(chuàng)新支持不足,傳統(tǒng)局域網(wǎng)通常無(wú)法充分支持遠(yuǎn)程醫(yī)療、人工智能診斷等現(xiàn)代醫(yī)療服務(wù)需求。
為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn),醫(yī)院采用基于GPON的全光網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)有以太局域網(wǎng)進(jìn)行改造。
2 全光網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)以太局域網(wǎng)對(duì)比
傳統(tǒng)局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為核心層、匯聚層和接入層,接入層負(fù)責(zé)提供用戶(hù)接入、認(rèn)證、安全策略和執(zhí)行本地流量處理等功能。匯聚層位于接入層和核心層之間,承擔(dān)連接不同接入層子網(wǎng)的任務(wù)。核心層是網(wǎng)絡(luò)的主干,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)高速傳輸和流量交換。全光網(wǎng)絡(luò)由OLT、ODN和ONU組成,其中OLT是連接干線(xiàn)的終端設(shè)備,ODN在OLT和ONU間提供光傳輸通道,
3 智慧醫(yī)院全光網(wǎng)絡(luò)原理及架構(gòu)
3.1 GPON技術(shù)原理
GPON千兆比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)是一種光纖通信技術(shù),采用波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合的方式,使用光纖作為傳輸介質(zhì)能夠同時(shí)傳輸大量高速數(shù)據(jù)、音頻和視頻等信號(hào)。GPON可以提供1.25 Gbit/s的上行速率實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸和2.5 Gbit/s的下行速率減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)延,同時(shí)滿(mǎn)足業(yè)務(wù)對(duì)高速帶寬網(wǎng)絡(luò)的需求[3]。GPON技術(shù)的最大邏輯距離60 km,最大物理傳輸距離40 km,最大差分距離40 km,最大分離器比/分光比1:128。
3.2 GPON全光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
GPON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示,OLT光線(xiàn)路終端可接入PSTN、CATV和INTERNET,通過(guò)光纖上聯(lián)核心交換機(jī),下聯(lián)無(wú)源分光器ODN。ODN一級(jí)分光部署接入用戶(hù)端ONU。ONU是光網(wǎng)絡(luò)中的用戶(hù)端設(shè)備,放置在用戶(hù)端與OLT配合使用。
OLT設(shè)備GPON端口數(shù) = ONU數(shù)量÷PON口分光比,PON口分光比 = GPON下行帶寬÷每個(gè)ONU最小帶寬,分光比需取值到2、4、8、16、32上。
GPON網(wǎng)絡(luò)冗余保護(hù)支持IRF堆疊、DRNI、VRRP等技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)OLT和ONU之間的單點(diǎn)故障[4],醫(yī)院機(jī)房建設(shè)采用TypeB方案。TypeB保護(hù)有兩種方式,單歸屬方式:?jiǎn)闻_(tái)OLT兩個(gè)下行PON口形成一組主備關(guān)系,構(gòu)成TypeB保護(hù)。當(dāng)其中一個(gè)端口或鏈路故障時(shí),自動(dòng)啟用另外一個(gè)冗余口繼續(xù)工作。雙歸屬方式:兩臺(tái)OLT形成一個(gè)虛擬設(shè)備組,每臺(tái)OLT有一個(gè)下行PON口一起形成一組主備關(guān)系,實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)和鏈路級(jí)的故障保護(hù)。
4 智慧醫(yī)院無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)方案與應(yīng)用
智慧醫(yī)院POL無(wú)源光局域網(wǎng)分為內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)和智能化設(shè)備網(wǎng),三套網(wǎng)絡(luò)物理隔離。從核心交換機(jī)單獨(dú)萬(wàn)兆傳輸?shù)絆LT光端設(shè)備,然后從OLT光端設(shè)備再分光到各棟樓層,從各樓層通過(guò)分光器到每個(gè)房間的ONU面板端口。分光器采用一級(jí)部署,減少施工難度、ODN網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度,便于管理。
4.1 無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
智慧醫(yī)院POL無(wú)源光局域網(wǎng)設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足醫(yī)院各類(lèi)信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)需求,保證業(yè)務(wù)信息傳輸與交換的服務(wù)質(zhì)量。醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)和智能化設(shè)備網(wǎng)均采用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò),終端點(diǎn)采用光微纜經(jīng)弱電井直熔箱通過(guò)主干光微纜匯聚到信息機(jī)房。
如圖2所示,內(nèi)網(wǎng)中心機(jī)房采用TypeB雙歸屬方式,兩臺(tái)OLT分別用10 Gbit/s單模光纖連接兩臺(tái)核心交換機(jī)對(duì)主干鏈路做負(fù)載均衡和冗余保護(hù)[5]。病房、護(hù)士站、診室等區(qū)域根據(jù)信息點(diǎn)位要求部署ONU。為保障放射科CT、MR、DR和B超室B超等圖像數(shù)據(jù)高效、穩(wěn)定和可靠傳輸,從OLT局端部署10 Gbit/s單模光纖到醫(yī)學(xué)影像中心ODN無(wú)源分光器,分光器尾纖與放射科工作站信息點(diǎn)相連接。
外網(wǎng)為醫(yī)院提供INTERNET服務(wù)供醫(yī)院工作人員學(xué)習(xí)交流。如圖3所示,外網(wǎng)部署1臺(tái)OLT??浦魅无k公室、護(hù)士長(zhǎng)辦公室、會(huì)議演播室及外網(wǎng)區(qū)域根據(jù)信息點(diǎn)位部署ONU設(shè)備。
病房、門(mén)診大廳、住院大廳等公共區(qū)域采用吸頂方式部署無(wú)線(xiàn)AP,配置防范非法用戶(hù)、未授權(quán)AP、
ARP攻擊、網(wǎng)絡(luò)帶寬濫用、黑白名單設(shè)置等策略[6]。管理中心對(duì)整個(gè)外網(wǎng)PC及AP進(jìn)行統(tǒng)一管理和策略配置。
智能化設(shè)備網(wǎng)采用POL無(wú)源光局域網(wǎng)技術(shù),運(yùn)行各種智能化子系統(tǒng),例如安防監(jiān)控系統(tǒng)、手術(shù)室新風(fēng)系統(tǒng)、停車(chē)庫(kù)管理系統(tǒng)、緊急報(bào)警系統(tǒng)、建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、門(mén)禁管理系統(tǒng)等。安防監(jiān)控系統(tǒng)在全光網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下采用光纖直連的方式減少信號(hào)衰減,保證圖像傳輸?shù)姆€(wěn)定性和清晰度。如圖4所示,核心層采用TypeB單歸屬方式部署一臺(tái)OLT經(jīng)ODN無(wú)源分光器與各樓層ONU面板互聯(lián),針對(duì)管理需求,為信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配備一套智能管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)資源、用戶(hù)和業(yè)務(wù)的融合管理。
4.2 POL無(wú)源光局域網(wǎng)綜合布線(xiàn)
我院的綜合布線(xiàn)系統(tǒng)由傳統(tǒng)的千兆以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)升級(jí)改造為POL無(wú)源光局域網(wǎng),光網(wǎng)前端ONU面板端口采用FTTR光纖到診室病房桌面方案[7]。ONU信息點(diǎn)位根據(jù)后期實(shí)際使用情況在預(yù)留線(xiàn)路上進(jìn)行新增和調(diào)整,醫(yī)院光網(wǎng)絡(luò)綜合布線(xiàn)[8]如下:
1)工作區(qū)子系統(tǒng)主要由雙孔ONU信息面板、單孔ONU信息面板、增強(qiáng)型六類(lèi)非屏蔽用戶(hù)跳線(xiàn)、語(yǔ)音電話(huà)跳線(xiàn)組成。通過(guò)ONU信息插座連接節(jié)點(diǎn)設(shè)備。
2)水平布線(xiàn)子系統(tǒng)選擇光微纜經(jīng)橋架連接至弱電井光纜直熔箱。
3)垂直主干子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主干采用萬(wàn)兆光纜,支持萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)傳輸。
4)管理子系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)、智能化設(shè)備網(wǎng)物理隔離。從核心交換機(jī)10G單模光纖傳輸?shù)絆LT光端設(shè)備,然后從OLT光端設(shè)備再分光到各棟樓層,從各樓層通過(guò)分光器到每個(gè)房間的ONU面板端口。其中內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)、電話(huà)、IPTV、無(wú)線(xiàn)AP都將采用全光網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。
5)設(shè)備間管理子系統(tǒng)是綜合布線(xiàn)系統(tǒng)的總配線(xiàn)機(jī)構(gòu),設(shè)在醫(yī)療綜合樓四層信息中心機(jī)房?jī)?nèi),是整個(gè)布線(xiàn)系統(tǒng)的核心,設(shè)備間管理子系統(tǒng)采用19英寸27U標(biāo)準(zhǔn)配線(xiàn)機(jī)柜安裝所有的光纖配線(xiàn)架及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。數(shù)據(jù)總配線(xiàn)架采用光纖配線(xiàn)架與數(shù)據(jù)主干光纜相連,光纖配線(xiàn)架應(yīng)配備足夠的單模LC耦合器及面板以適應(yīng)機(jī)房集中管理的需要。
6)建筑群子系統(tǒng)由門(mén)診、住院、辦公大樓的內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)及智能化設(shè)備網(wǎng)組成一個(gè)建筑群綜合布線(xiàn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)各建筑物之間的線(xiàn)纜和配線(xiàn)設(shè)備連接。
7)垂直主干線(xiàn)纜在弱電豎井內(nèi)沿電纜槽盒敷設(shè),水平線(xiàn)纜在走廊吊頂內(nèi)沿電纜槽盒敷設(shè),水平線(xiàn)纜進(jìn)入房間后,在吊頂內(nèi)和沿墻穿管暗敷至各工作區(qū)ONU。
4.3 POL在業(yè)務(wù)場(chǎng)景應(yīng)用
醫(yī)院部署基于GPON的全光網(wǎng)絡(luò),能夠?yàn)楹艚邢到y(tǒng)、智能輸液系統(tǒng)、電話(huà)、自助掛號(hào)繳費(fèi)報(bào)告機(jī)、叫號(hào)顯示屏等業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供所需要的網(wǎng)絡(luò)接口和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,將醫(yī)院內(nèi)各個(gè)相互獨(dú)立的醫(yī)療辦公子系統(tǒng)建立起聯(lián)系。經(jīng)過(guò)前期勘察,醫(yī)院區(qū)域點(diǎn)位信息如表2所示。施工人員根據(jù)點(diǎn)位信息選擇合適的設(shè)備。例如門(mén)診診室選用ONU(2GE+POTS)實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)業(yè)務(wù)辦公和電話(huà)接入,值班室選擇ONU(POTS+IPTV)進(jìn)行總值班電話(huà)接入和網(wǎng)絡(luò)電視播放。
在醫(yī)院信息系統(tǒng)HIS中POL網(wǎng)絡(luò)支持大量患者的門(mén)診掛號(hào)繳費(fèi)、診斷錄入、處方開(kāi)具和醫(yī)保結(jié)算等操作,避免因網(wǎng)絡(luò)延遲導(dǎo)致的結(jié)算錯(cuò)誤或患者等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題,同時(shí)POL網(wǎng)絡(luò)的安全性高,可以保護(hù)患者的敏感財(cái)務(wù)信息和個(gè)人隱私數(shù)據(jù)不被非法獲取或泄露;在電子病歷系統(tǒng)MER中POL網(wǎng)絡(luò)支持大量患者的醫(yī)生文書(shū)編輯、護(hù)士文書(shū)編輯、檢驗(yàn)檢查報(bào)告查詢(xún)及其他系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)調(diào)用,有效提高醫(yī)務(wù)人員的工作效率。在實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)LIS中POL網(wǎng)絡(luò)將儀器與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接,利用全光網(wǎng)的高帶寬和低延遲使病人樣品錄入、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存取、報(bào)告審核、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等操作更加智能化、自動(dòng)化和規(guī)范化。在醫(yī)學(xué)影像存檔與通信系統(tǒng)PACS中,POL無(wú)源光局域網(wǎng)支持大量的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的快速傳輸和處理,如CT、MRI等檢查結(jié)果,減少患者等待影像結(jié)果的時(shí)間[9]。
以醫(yī)院掛號(hào)繳費(fèi)為例,其具體應(yīng)用過(guò)程如下:
1)利用POL網(wǎng)絡(luò)的抗電磁干擾能力,在掛號(hào)窗口預(yù)留信息點(diǎn)部署身份證、社???、醫(yī)保電子憑證和刷臉?biāo)暮弦辉O(shè)備,可以避免電磁干擾對(duì)設(shè)備的影響。
2)利用POL無(wú)源光局域網(wǎng)的高帶寬和低延遲特性,患者在醫(yī)院公眾號(hào)或醫(yī)院支付寶小程序上進(jìn)行醫(yī)保線(xiàn)上支付操作時(shí),系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng),減少線(xiàn)下排隊(duì)等待時(shí)間。
3)利用POL網(wǎng)絡(luò)的多業(yè)務(wù)融合能力,在掛號(hào)繳費(fèi)系統(tǒng)中提供微信支付、支付寶支付、銀行卡支付等多種支付方式供患者選擇。
智慧醫(yī)院POL無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)使用華為MA5800-96XS/MA5800-96XT型號(hào)OLT,該型號(hào)融合了GPON、EPON、10G-PON、10G-EPON多種接入方式,幫助醫(yī)院構(gòu)建基于IP技術(shù)的“超寬帶”網(wǎng)絡(luò),滿(mǎn)足患者對(duì)便捷醫(yī)療服務(wù)的需求。在OLT上添加掛號(hào)繳費(fèi)ONU配置命令如下:
onu-add 1 00:12:34:56:78:9A“結(jié)算室掛號(hào)繳費(fèi)ONU”“JSS_ONU_Profile”“*******”
其中JSS_ONU_Profile是掛號(hào)繳費(fèi)業(yè)務(wù)配置文件的名稱(chēng),該文件包含了ONU的管理IP地址、上下行速率和雙工模式等業(yè)務(wù)配置。
如圖5所示,POL網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用顯著提高了醫(yī)院業(yè)務(wù)系統(tǒng)的效率。通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)以太局域網(wǎng)與POL無(wú)源光局域網(wǎng)中HIS、LIS、EMR和PACS的患者平均等待時(shí)間,可以發(fā)現(xiàn)采用基于GPON的全光網(wǎng)絡(luò)后HIS系統(tǒng)患者平均等待時(shí)間減少了30%,LIS系統(tǒng)患者平均等待時(shí)間減少了14%,EMR系統(tǒng)患者平均等待時(shí)間減少了40%,PACS系統(tǒng)患者平均等待時(shí)間減少了17%。
5 全光網(wǎng)絡(luò)信息安全應(yīng)用情況
與傳統(tǒng)以太局域網(wǎng)相比,GPON全光網(wǎng)絡(luò)OLT設(shè)備對(duì)ONU的接入提供SN/LOID及密碼注冊(cè)認(rèn)證[10]。為確保數(shù)據(jù)安全,運(yùn)維人員只需維護(hù)OLT設(shè)備,在OLT上通過(guò)發(fā)送和接收特定的命令來(lái)遠(yuǎn)程運(yùn)維管理ONU用戶(hù)端。此外,全光組網(wǎng)具有無(wú)限的網(wǎng)絡(luò)帶寬潛力,在一定范圍內(nèi)能夠防范DDos攻擊。GPON通過(guò)T-CONT/GEM port進(jìn)行精細(xì)化多用戶(hù)多業(yè)務(wù)DBA和Qos管理,上行和下行方向均支持AES-128加密,確保業(yè)務(wù)的安全性[11]。
我院全光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完成之后,申請(qǐng)了網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)系統(tǒng)測(cè)評(píng),最終HIS、LIS、PACS和電子病歷系統(tǒng)順利通過(guò)網(wǎng)絡(luò)安全三級(jí)等保測(cè)評(píng),在參加的市級(jí)網(wǎng)絡(luò)安全攻防演練中,取得了優(yōu)秀的成績(jī)。如圖6所示,態(tài)勢(shì)感知平臺(tái)成功檢測(cè)到多種攻擊手段并聯(lián)動(dòng)相關(guān)安全及準(zhǔn)入設(shè)備成功對(duì)攻擊行為進(jìn)行阻止。
6 結(jié) 論
POL無(wú)源光局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)以其高速、低延遲、高可靠性、強(qiáng)擴(kuò)展性、優(yōu)秀的抗干擾能力和高安全性等優(yōu)勢(shì)成為智慧醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的理想選擇。這些特性不僅滿(mǎn)足了智慧醫(yī)院當(dāng)前對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求,也為未來(lái)的技術(shù)升級(jí)和服務(wù)拓展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但在建設(shè)過(guò)程中也遇到系統(tǒng)整合、成本預(yù)算、設(shè)備兼容性及人才培養(yǎng)與技術(shù)儲(chǔ)備等問(wèn)題,因此,智慧醫(yī)院管理人員需要加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)能力和經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)。
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作者簡(jiǎn)介:袁稷梁(1995—),男,漢族,湖南婁底人,中級(jí)工程師,碩士,研究方向:醫(yī)療信息化。