单边加速技术提升移动查房效率的分析

蔡蓬勃

(河北医科大学第四医院，河北 石家庄 050011)

0 引言

移动互联网的发展给生活带来了空前未有的变化。随之而行的移动互联网与医疗行业的结合而形成的智慧医疗为人们带来了更加高效便捷的医疗服务。其中，移动查房就是移动互联网在医疗行业应用的产物。移动查房是基于医院信息系统的支持，以掌上电脑(PDA)和无线网为平台，以数据库为中心，实现了信息系统扩展到病房，提升了医院的信息化建设的整体水平，也为医院创造了实际效益[1]。国内很多的医疗机构已经使用了移动查房系统，例如北京协和医院、解放军总医院等大型医院。在现实应用中移动查房可实现医护人员日常查房的各种需求。医生可以通过移动设备查询和填写病例、处理医嘱；护士的日常护理记录、病人的缴费情况、用药情况等都可以通过移动设备查询，免去了医护人员的繁琐重复的问答[2]。这样的应用形式能够让病人得到更加周全、及时的治疗，提升病人的医疗体验。

研究发现目前大多数医疗机构多采用传统的TCP传输协议。随着医疗需求的发展和飞速提升的网络环境，传统的传输协议已经越来越不能满足当下的需求。如何改进传统的TCP传输协议控制方法，提高网络带宽资源的利用率，避免带宽的闲置和浪费成为了依托无线网络的智慧医疗发展的障碍。因此，如何有效的利用网络带宽资源是本文研究的重点。本文提出采用基于智能学习的ZetaTCP单边加速技术给主机加速，并应用在移动查房中，提升无线传输的速度，加速无线网络在医疗行业的落实。

1 单边加速技术

网络的传输效率是制约着现代网络发展的一个主要因素，国内外研究学者针对这些问题提出了一些优化、改进算法和机制。目前主流的网络加速技术有两种，其中一种是双边加速技术。顾名思义，双边加速技术需要在通信传输的双边进行部署，它在公司跨分支机构间的应用数据传输加速效果非常明显。但是在医院内部，无法实现通过在传输的两端同时部署的方式来提高医院中网络的速度。另外一种加速技术即为单边TCP 加速方式。单边加速技术的部署只需在服务端或者客户端部署，无需另外一端进行任何操作，这种方式减少了维护成本，非常容易推广。并且对于移动查房经常需要变动位置的需求，增加了使用的灵活性,如图1所示。

图1 单边加速技术

单边加速主要是自动实时的解决网络中丢包、抖动与连接的不稳定性问题[3]。拥塞控制是通过阻止过多的数据发送到网络中去，避免负载超过网络的最大承载能力，有效的防止因过载而无法正常工作。为提升TCP的传输效率，单边加速一般通过优化TCP拥塞控制，精细化控制队列的方式。单边加速技术是针对所有的TCP数据流进行优化，因此它可以提升所有基于TCP之上的传输应用访问速度。

2 单边加速技术分类

单边加速技术通过优化拥塞算法来有效的实现加速的目的。常见用于宽带高延时网的拥塞避免算法有三种，即：基于丢包、基于延迟与混合型的拥塞避免算法[4]。典型的丢包算法有TCP Reno、TCP New Reno、TCP CUBIC等，延时的算法有TCP Vegas与FAST TCP，混合型算法有复合TCP与ZetaTCP[5]等。

2.1 基于丢包的拥塞判断及处理(Loss-based TCP)

现在绝大部分拥塞避免算法是基于丢包统计的，它以丢包为条件来判断拥塞并调整拥塞窗的大小，改变传输速率。基于丢包的算法通过将初始拥塞控制窗口增大的方式来减少拥塞对速率的影响。同时，基于丢包的拥塞判断方法也存在着难以克服的问题。如：将信号被干扰时容易被误判为丢包拥塞发生。

2.2 基于延迟的拥塞判断及处理(Delay-based TCP)

基于延迟的拥塞判断方法判断拥塞并调整拥塞窗口的大小的条件为延迟的变化，此方法克服了基于丢包的拥塞判断的缺陷。当发生拥塞网络节点的队列开始堆积时该方法就能够及时下调传输速度，从而减少丢包的发生。

Vegas算法[6]是一种基于延迟的拥塞判断方法。该方法拥塞判断的依据是判断回路响应延时，它通过比较实际吞吐量来调整拥塞窗的大小。拥塞窗口大小按照如下算法更新：

FAST TCP[7]是在传统的TCP拥塞算法上的改进方法。FAST TCP通过参考目标的窗口大小与当前窗口的值来调整目标拥塞窗口的大小，更新方法如下：

其中w(t-1),w(t),w(t+1)分别表示一个RTT之前、当前的拥塞窗口的大小和目标窗口大小。BaseRTT和avgRTT分别表示通过观测获得的最小瞬时RTT和平均RTT。

基于延迟的拥塞判断与基于丢包的拥塞判断加速技术相比在传输速度上有了显著的提升。然而当拥塞节点队列很浅时，基于延迟的拥塞判断感受不到这种拥塞。另一方面，当网络路径本身的延迟很大时，这种加速技术会将非拥塞导致的延迟增加误判为拥塞，这些都会导致传输速率的显著降低。

2.3 混合型算法(Hybrid)

综合以上两类方法的优缺点，同时依据丢包与延时的综合变化来判断高延时网中拥塞并调整拥塞窗口的大小的方法被提出。其中ZetaTCP 就是这样的一种方法，该方法将延时和丢包的因素组合作为网络拥塞的衡量标准。ZetaTCP 实时的跟踪丢包和延时的变化幅度, 动态的学习、分析网络特征，并跟据学习到的结果来判断拥塞程度和调整拥塞窗口，从而计算出与当前整条路径的可用带宽相匹配的发送速度。因此ZetaTCP可有效的防止拥塞、减少丢包及时恢复，防止带宽闲置，使传输速率更高。

3 单边加速技术在移动查房中的应用

互联网是一个非常复杂的网络环境，尽管运营商不断地在增加带宽，但是网络的速度并没有随着带宽的增加而有同等比例的变化。在医疗应用中，网络环境还是不能十分令人满意。为提高医疗环境中的网速，一味的增加硬件的投入并不是最佳的选择方案。因此，通过设计新的算法来提高网络的利用率很有必要。

ZetaTCP单边加速技术在引入智能流控算法的同时，保持兼容传统TCP流控机制，并不对TCP/IP头字段做任何修改。因此ZetaTCP加速引擎能够与所有传统TCP协议栈通信，在医院移动查房应用中只需在服务端部署就能带来显著加速效果。采用ZetaTCP单边加速技术一方面能够防止拥塞加剧，另一方面能防止拥塞后过度保守的传输，使得传输更加平稳，提高了移动查房网络的平均速率。这一技术的应用显著的提升了用户的体验，提高了医护人员的工作效率。经过 ZetaTCP加速和未经加速的标准 TCP的传输速率比较结果如图2所示。

图2 丢包环境下速率比较

4 结语

无线网络技术在医疗护理的应用将移动性和灵活性带入到医疗护理中，使得移动医疗成为现实。ZetaTCP单边加速技术的在移动查房中的应用提高了网络的传输速率和利用率。医院医疗信息系统的效能充分的发挥一方面提高了医疗工作着的工作效率，进而能够提高医院的运营效率和服务质量。另一方面能够一定程度上减轻医疗工作者的工作强度，提高了医护品质，减少了医疗差错，这更有助于提升医院的竞争力和社会效应。

[1] 张春蕾. 医院无线移动査房系统的设计与实现[D].天津大学,2016.

[2] 孙丽萍,李建华,诸敏.基于Web Service的移动式医疗信息系统研究与设计[J].现代电子技术,2010,33(24):167-170.

[3] 蒋建军,陆平.基于TCP协议加速的单边加速模型研究与实现[J].信息技术,2015,(02):160-164.

[4] 蒋亚军.广域网单边加速技术研究[J].广东通信技术,2013,33(06):41-47.

[5] 钟琳华.深度解析ZetaTCP单边加速技术[J].硅谷,2015,8(01):100-102.

[6] Brakmo L S,O'Malley S W,Peterson L L.TCP Vegas[J].Acm Sigcomm Computer Communication Review,1995,24(4):24-35.

[7] 陈晓龙,彭志平.基于历史连接信息改进的单边加速FASTTCP算法[J].高技术通讯,2013,23(03):228-236.