一种医疗边缘设备电力管理实时自动同步的方法与流程

1.本发明涉及一种医疗边缘设备电力管理实时自动同步的方法，属于供配电技术领域。


背景技术：

2.我国是医疗大国，随着全球居民生活水平的提高和医疗保健意识的增强，近年来，医疗器械产品需求持续增长。数据显示，截至2018年底，我国医疗器械行业市场规模达到了5304亿元，预计2022年我国医疗器械行业市场规模将超9000亿元，其行业市场前景十分广阔。随着第七次人口普查数据的公布，我国60岁及以上人口比重达到2.6亿，占比18.70%，其中65岁及以上人口1.9亿，占比13.50%。人口老龄化是社会发展的重要趋势，也是今后较长一段时间我国的基本国情，老人的增加，刺激着医疗行业的高速发展。
3.医疗设备的快速增加，带来医院区域电力管理系统的挑战，供配电产业的发展及可靠性对医疗安全起着举足轻重的作用。各个医院由此对供配电系统的可靠性、安全性、实时性、易用性、兼容性及缩小故障影响范围提出了更高的要求。
4.现有技术中的电力数据在采集并上传后没有形成统一有序的管理，各个区域供电系统没有与数据中心很好的同步机制，信息共享实时性差，从而导致各区域以及供电所的数据存储较为混乱，更新复杂，给工作人员查阅带来了极大的困扰，同时也带来较高的人力管理成本。


技术实现要素：

5.针对以上背景中所存在的问题，本发明提供了一种信息实时共享、实现电力管理一致性服务的医疗边缘设备电力管理实时自动同步的方法。
6.本发明的技术方案：本发明公开了一种医疗边缘设备电力管理实时自动同步的方法，其包括文件上传流程和文件下载流程，所述文件上传流程如下：（1
‑
1）当客户端端通过系统文件 api 得知文件 a 被修改的时候，客户端首先根据文件大小判断是否需要将文件切分，即选择使用整体同步还是分块同步，如果文件大小大于设定的阈值，则将文件 a 按照固定大小分成不重叠的块，计算每块的弱哈希和强哈希值，否则不执行分块步骤，直接整体同步；（1
‑
2）客户端把文件 a 的元信息文件、a的路径和哈希值列表上传到日志服务器，日志服务器对比版本号、路径和哈希值列表告诉客户端哪些块需要上传，（1
‑
3）服务器将这些哈希值进行排序后构建一个有序列表，然后在服务器的文件信息中，找到那些相同弱哈希和强哈希值的块，标记这些已经存在的块。为了达到快速高效，比较的过程中通常先对比弱哈希值，如果一样再对比强哈希值；（1
‑
4）服务器将没有找到的块的信息告诉客户端，客户端上传那些块的内容；（1
‑
5）客户端通过文件服务器把需要更新的块上传到键值对类型的文件存储元数
据数据库中，上传成功后文件服务器返回最新的版本号给客户端。
7.所述文件下载流程如下：（2
‑
1）客户端与日志服务器始终通过长链接通讯，若文件 a 发生更新，客户端则马上知道；（2
‑
2）客户端把文件 a 当前的元信息告知日志服务器，日志服务器查看文件 a 的最新记录，然后返回更新的哈希块信息给客户端；（2
‑
3）客户端通过文件服务器下载需要的哈希块信息。
8.进一步地，步骤1
‑
1中，所述文件a按照阈值 4mb 分块并分别计算出每块的 sha
‑
256 哈希值。
9.进一步地，步骤1
‑
3中，所述弱哈希为32位滚动校验和，强哈希为128位md4校验和。
10.进一步地，步骤1
‑
3中，所述校验和的计算公式如下:3中，所述校验和的计算公式如下:3中，所述校验和的计算公式如下:
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，s(k,l)表示数据块x
k
…
x
l
的滚动校验值，n取值为2
16
；采用“滚动”的方式计算长度为s的块在文件中所有可能偏移处的校验和，s为切分时所确定的块的大小，在每个节点上的计算公式如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）
ꢀꢀ
（4）因此，给定x1……
x
n
的校验和以及x1和x
n 1
的值，即可计算出x2……
x
n
的校验和。
11.进一步地，步骤1
‑
5中，所述文件服务器包括块数据服务器和元数据服务器，所述块数据服务器负责维护加密内容的散列键值存储，所述元数据服务器负责维护用户、命名空间和服务器日志文件。
12.进一步地，步骤1
‑
5中，所述文件大小值m的公式：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，m是所求的文件大小值，v
net
是网络通信速度，t
com
是rsync算法的计算时间代价，将文件进行拆分，更新时对比差异，对于不同计算能力的设备，这个值可能不同，c是一个时间常量，即文件分块的大小除以网速，n也是一个常数，取t
com
/2c，表示计算所产生的时间可以传输的数据块的个数的一半。
13.有益效果本发明一种医疗边缘设备电力管理实时自动同步的方法，提供了一种流式数据实时同步机制，能够为医疗设备各区域电力管理系统提供高效的数据同步服务，使得各区域供电系统的边缘设备能够实时与电力管理中心/数据中心保持有效的联通，提供了电力管
理的一致性服务，保障了供电系统良好的统一有序管理，提高了管理效率，从而达到了高度自动化，降低了人力成本以及管理的复杂性。
14.说明附图图1 为本发明一种医疗边缘设备电力管理实时自动同步的方法的设计架构图。
具体实施方式
15.在电力设备的使用管理过程中，会有两个场景，一个是从电力管理中心向各区域供电系统的数据中心分发信息，另一个是各区域供电系统设备产生的数据向电力管理中心报告。为了实现各个区域的边缘节点都可以与电力管理中心的数据中心保持双向自动同步数据，达到实时的一致性，本发明采取基于rsync算法的streaming sync流式同步方法进行边缘设备与管理中心的数据双向实时自动同步。
16.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
17.对于数据的同步，主要涉及到文件的上传和下载，如图1所示，假设电力管理中心周边有n个边缘设备，分别为边缘a、边缘b、边缘c、边缘d
……
边缘n，这些边缘设备既会自己产生数据交由数据中心，也会由数据中心获取这些边缘设备的数据。上传是边缘设备a在本地产生了新文件或者修改了已有文件之后，上传到服务器，服务器更新该文件；边缘设备 b 得知文件被修改，将服务器的最新版本下载到本地并更新。管理中心中包含所有数据，边缘设备所产生的数据也要实时自动同步到管理中心，当管理中心上传新文件数据时，边缘设备也会自动从数据中心同步。边缘设备并不需要全部所有的数据，不同边缘设备只需要从数据中心同步它所需的数据，同时它所产生的数据会实时同步到数据中心。
18.具体的实现方式，最简单的方法是把整个文件替换，如图1所示，当客户端得知文件被修改时（通过系统的文件管理api），把修改后的文件整个上传到服务器并替换它，下载的话也是一样。这是一种最基础的可行方法，但是问题在于：如果目标文件过大，而且修改频繁，这样会使得每一次小的修改都带来一整个文件的替换，上传和下载占用大量的网络资源，无论是同步效率和带宽利用率都非常不理想。另一种比较高效的方式是同步过程中只更新与旧版本不一致的那部分文件，根据rsync算法，将目标文件按固定大小分成多个小块，然后在文件被修改后，检查哪些块是变动了的，进而请求上传或下载这些新的块，只更新这些变动了的部分。这样就通过一定的计算代价，换取同步过程中通信开销的降低。
19.根据以上的分析，我们综合考虑两种方式的优点，将其结合起来。需要确定一个值，即文件的大小m，当文件大小小于m时，直接采取全部更新的方式进行同步，否则采用rsync算法更新。但是对于不同的系统设备和网络质量，这里m的值可能不一样，m取的值是一个平衡点，使得这种拆分计算所带来的对同步效率和带宽利用率的提升能够弥补将整个文件进行更新的代价，这里定义一个计算公式，m的值由公式1求解
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）m是所求的文件大小值，v
net
是网络通信速度，t
com
是rsync算法的计算时间代价，将文件进行拆分，更新时对比差异，对于不同计算能力的设备，这个值可能不同，c是一个时间常量，即文件分块的大小除以网速，n也是一个常数，取t
com
/2c，表示计算所产生的时间可以传输的数据块的个数的一半。
20.将超过m值大小的文件按照固定大小分成不重叠的块b1,b2,b3,b4
……
，可选取块大小为4mb，rsync原算法所提出的在1mb效果最好，但是这样会带来过多的比对，对于电力系统实时更新并不友好，我们选取4mb，这些块用sha
‑
256散列并存储，如表1所示，设目标文件file大小为14mb，分块为b1,b2,b3,b4，由sha256计算所得每一个切分的文件块对应的哈希值h1,h2,h3,h4。
21.表1文件拆分方式计算每块的弱哈希和强哈希值，弱哈希为32位滚动校验和，强哈希为128位md4校验和，md4是message digest 4的缩写，意为信息摘要，是一种将任意长度的信息压缩到某一固定长度的信息摘要的函数。这里就是要校验128位的哈希值。
22.因为弱哈希计算时间比强哈希快，所以先对比弱哈希，如果一样再对比强哈希。另外 rsync 选用了特别的弱哈希值算法，能够快速地通过上一个字节所在块的哈希值来计算当前字节所在块的哈希值。一个文件的内容可以通过这个sha
‑
256哈希列表唯一标识，称为块列表。将这些哈希值进行排序并构建成为一个有序列表，这样使得之后每一次块的匹配查找都会从上次找到相同块的后面开始，而不会重新搜索服务器所有块，因此可以加快速度。
23.校验和的计算如公式2所示，s(k,l)即为计算所的的校验和值，给定x1……
x
n
的校验和以及x1和x
n 1
字节的值，很容易可以计算出缓冲区x2……
x
n
的校验和：的校验和：的校验和：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，s(k,l)表示数据块x
k
…
x
l
的滚动校验值，为了简化及计算速度考虑，n取值为2
16
。这种校验计算公式具有一个非常关键的特性，那就是后续校验值可以通过地推关系高效的计算获得。采用“滚动”的方式计算长度为s的块（s为切分时所确定的块的大小）。
24.这个校验和的重要性质是使用递归关系可以非常有效的计算连续的值，因此，可以以“滚动”的方式计算长度为s的块在文件中所有可能偏移处的校验和，在每个节点上只
需要很少的计算，公式如3,4所示
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）
ꢀꢀ
（4）因此，给定x1……
x
n
的校验和以及x1和x
n 1
的值，即可计算出x2……
x
n
的校验和。
25.简单来说，就是把客户端的文件按照固定大小分成一块块，然后服务器查看哪些块是没有见过的，然后请求客户端上传这些新的块。流程如下：1)客户端首先根据文件大小判断是否需要将文件切分，即选择使用整体同步还是分块同步，如果文件大小大于设定的阈值，将修改的文件（或新文件） a 按照固定大小分成不重叠的块，计算每块的弱哈希和强哈希值，否则不执行分块步骤，直接整体同步；2)客户端将文件 a 的元信息（例如路径，名字）和哈希值传到服务器，存储在元数据数据库中；3)服务器将这些哈希值进行排序后构建一个有序列表，然后在服务器的文件信息中，找到那些相同弱哈希和强哈希值的块。标记这些已经存在的块；4)服务器将没有找到的块的信息告诉客户端，客户端上传那些块的内容。
26.技术方案中已经介绍了同步的方法以及rsync算法的计算原理，下面进入本方案在实际电力系统应用场景中实时自动同步的具体实施方式：在流同步之前，文件同步分为两个阶段:上传和下载。在任何其他客户端设备知道它的存在之前，整个文件必须上传到服务器并提交到数据库。流同步允许文件内容“流”通过服务器之间的客户端。这里我们将命名空间定义为更传统的文件系统目录树的根目录的抽象，每个用户拥有一个根命名空间。此外，每个共享文件夹都是一个命名空间，可以挂载在一个或多个根命名空间中，有了这种抽象，服务器上的每个文件和目录都可以用两个值唯一标识：命名空间和相对路径。
27.服务器文件日志（server file journal sfj）是一个重要的内容，它是一个大的元数据数据库，它代表了文件系统，但它不包含文件内容，只包含块列表，每一行表示一个文件的特定版本，这里存储了用于同步更新的重要信息，包括命名空间id、相对路径、块列表、日志id。有两种类型的服务器分别负责不同的职责，块数据服务器负责维护加密内容的散列键值存储，元数据服务器负责维护用户、命名空间和服务器日志文件。服务器通过内部rpc进行通信。每个边缘设备在服务器文件日志中为其每个名称空间保存其位置的标志，使得它可以与服务器通信它的最新情况。
28.客户端首先尝试将块列表“提交”给服务器，包含(名称空间，路径)。元服务器检查这些哈希值是否是已知的以及该用户/命名空间具有访问权限。如果提交成功，元服务器将用新行更新服务器日志。然后检查客户端，当客户端发现有更新可用时，它将进行一个“list”调用来了解新的sfj行。对list的调用将每个名称空间的标志作为输入，以便只返回新条目。有一个新文件。我们需要从这些块重建文件。下载客户端首先检查块是否存在于本地(在现有的文件中，或在我们删除的文件缓存中)。对于新文件，这些检查可能会失败，客户端将直接从块服务器下载，块服务器验证用户是否可以访问这些块并提供它们。当客户机已经拥有了所有的块，它可以重构文件并将其添加到本地文件系统中。
29.对于大文件，同步时间由存储和检索调用的网络时间支配。以下给出上传和下载
两个场景实施流程。
30.上传场景：1)当客户端通过系统文件 api 得知文件 a 被修改的时候，把文件按照 4mb 分块并分别计算出每块的 sha
‑
256 哈希值；2) 客户端把文件 a 的元信息文件,a的路径和哈希值列表上传到日志服务器。日志服务器对比版本号、路径和哈希值列表，告诉客户端哪些块需要上传；3)客户端通过文件服务器把需要更新的块上传到键值对类型的文件存储数据库，上传成功后文件服务器返回最新的版本号给客户端；4)客户端更新文件 a 的本地的版本号。
31.下载场景：1)客户端与日志服务器一直通过长链接通讯，所以文件 a 更新的话，客户端马上就知道；2)客户端把文件 a 当前的元信息告知日志服务器，日志服务器查看文件 a 的最新记录，然后返回更新的哈希块信息给客户端；3) 客户端通过文件服务器下载需要的哈希块信息。
32.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。