DICOM网络传输协议解析

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DICOM网络传输协议解析

该博客是由本人课程设计其中一项报告改进而来。

一、概览

PACS简介

图像存档与通信系统（PACS）是一种医学成像技术，提供对多个模态图像的存储、访问、查找等功能。 PACS 图像存储和传输的通用格式是DICOM，而PACS本身就是DICOM标准的一部分。PACS系统由模态（Modality）、服务器（Server）和查看器（View Station）组成，可以认为是客户/服务模型的一种实现。其中模态和查看器都属于用户（Service Class User, SCU），而服务器被称作Service Class Provider，简写为SCP。

在实现上，模态通常是计算机断层扫描 (CT)、超声、核医学、正电子发射断层扫描 (PET) 和磁共振成像 (MRI)等数字成像设备。模态可以先发送到质量保证 (QA) 工作站，如果信息正确，则图像将传递到服务器中进行存储。这一步骤以来DICOM标准中的C-STORE协议。View Station是放射科医生审查患者研究并制定诊断的地方，其基本功能是对服务器中的数据执行增删改查操作，在DICOM标准中由C-FIND、C-MOVE 和 C-GET等实现。在View Station中，也可以继承报告系统等外围设施，并与医院内的其他信息系统如电子病历系统EMR相整合，形成端到端的工作流。

DCMTK

这里我们采用了DCMTK工具包充当Modality和View Station。DCMTK是一套实现了DCM标准的开源程序包和库，使用C++开发，实现了跨平台。DCMTK中实现了大部分DICOM标准，包括图像的打开、转换和校验功能，以及在互联网上传输DICOM文件。

本次在macOS系统上构建DCMTK，在其它类UNIX系统下的构建应该也有着一致的步骤。DCMTK源码中已经写好了对应各种系统的CMakelist, 只需要执行cmake即可完成配置。然后在源文件路径下make即可构建整个项目，构建成功后会输出对应的静态库文件和二进制可执行文件：

输出有一组命令行工具和对应的静态链接库，满足了使用者通过系统命令调用和直接链接调用的需求，非常方便二次开发。同时，我们也可以直接使用生成的命令行工具执行各种DICOM操作，例如，我们可以用其中的storescu充当modality，向服务端发送DICOM文件。发送的格式为

1	`storescu [options] peer port dcmfile-in...`

CONQEST SERVER

CONQUEST是一个轻量级的DICOM SERVER，实现了DIMSE消息机制，以及对多种数据库的支持。

二、图像通信及其参数分析

概述

DICOM是一种建构在TCP/IP之上的高层协议。DICOM协议的底层是ULP（Upper Layer Protocol）。它主要负责与TCP相对接，当 DICOM 应用实体通过 DIMSE 完成消息交换后，需要 DICOM 上层协议层 ULP 来提供传输支持。

ULP 提供 5 种连接控制服务：A-ASSOCIATE、A-RELEASE、A-ABORT、P-DATA、A-P-ABORT。

A-ASSOCIATE：用来在通信实体双方间协商并建立关联，交换一些初始化信息，因此它是一个证实性服务；
A-RELEASE：用于在完成传输后释放关联，它是一个正常的中止方式，不会造成应用数据的丢失，也是一种证实性服务；
A-ABORT：是当通信出现异常时用来终止关联，有可能造成一些暂存数据的丢失，它是一个非证实性服务；
P-DATA：用来传输 DIMSE 命令流和数据流，通信实体一方一旦把 DIMSE 消息流传送出去就认定另一方能够准确无误地收到，因此它是一个非证实性服务；
A-P-ABORT：也是用来终止关联，主要是用于当网络连接失败时，使得上层能够及时获得操作响应信息。

ULP 提供了 7 个协议数据单元（Protocol Data Unit， PDU）来实现上述的 5 种服务。

A-ASSOCIATE-RQ：建立ASSOCIATE请求
A-ASSOCIATE-AC：接受ASSOCIATE建立
A-ASSOCIATE-RJ：拒绝ASSOCIATE建立
P-DATA-TF：进行数据传输
A-RELEASE-RQ： ASSOCIATE释放请求
A-RELEASE-RP： ASSOCIATE释放响应
A-ABORT： ASSOCIATE终止

从前文也可以推测出DICOM图像传输的过程：通过Association PDU建立连接，通过P-DATA-TF PDU进行实际传输，传输完成后通过Release PDU进行连接释放，或在传输途中使用A-ABORT中止连接。

通信的细节将在下面进行讲述。

C-STORE

这里使用-v -d参数使DCMTK的命令行工具输出Debug模式下的详尽日志，同时也可以使用网络抓包工具进行辅助分析。

日志中包括双方建立连接，传输，传输完成的详细过程，其中包括建立连接时的请求和响应信息A-ASSOCIATE-RQ、A-ASSOCIATE-AC、发送store请求的DIMSE信息和收到store响应的DIMSE信息。

连接建立

在DICOM标准中，连接请求A-ASSOCIATE-RQ描述如下：

PDU bytes	Field name	描述
1	PDU-type	01H
02	Reserved	保留字段，应为00H，但接收方不做校验。
3-6	PDU-length	报文的长度。应该被编码为二进制数字。
7-8	Protocol-version	用每一位代表一个DICOM UL协议。比如发送端支持协议版本1，就应该把第0位设置为1。
9-10	Reserved	保留字段，应为0000H，但接收方不做校验。
11-26	Called-AE-title	接收端DICOM应用名称。应该被编码为16个字符，空字符用20H补齐。
27-42	Calling-AE-title	发送端DICOM应用名称。应该被编码为16个字符，空字符用20H补齐。
43-74	Reserved	保留字段，应全为0，但接收方不做校验。
75-xxx	Variable items	一个Application Context项目，多个Prensentation Context项目和用户信息。

比如在例子中的传输中，就有一个PDU Length为 3853 + 6 bytes的请求报文，其发送端应用名为STORESCU，接收端AE title为ANY-SCP, Application Context Name为1.2.840.10008.3.1.1.1。

在服务端收到请求后，服务器就会开始解析请求中携带的信息，主要是检查携带的Presentation Context，条件满足后就会做出响应，然后返回ASSOCIATE-AC报文，其结构定义如下：

PDU bytes	Field name	Description of field
1	PDU-type	02H
2	Reserved	保留字段，应为00H，但接收方不做校验。
3-6	PDU-length	报文的长度。应该被编码为二进制数字。
7-8	Protocol-version	用每一位代表一个DICOM UL协议。比如发送端支持协议版本1，就应该把第0位设置为1。
9-10	Reserved	保留字段，应为0000H，但接收方不做校验。
11-26	Reserved	保留字段，应与 A-ASSOCIATE-RQ PDU一致, 但不做校验。
27-42	Reserved	保留字段，应与 A-ASSOCIATE-RQ PDU一致, 但不做校验。
43-74	Reserved	保留字段，应与 A-ASSOCIATE-RQ PDU一致, 但不做校验。
75-xxx	Variable items	一个Application Context项目，多个Prensentation Context项目和用户信息。

Presentation Context

Presentation Context是DICOM协议中规定客户端支持传输形式的一种表示。它详细描述了该类型片段内容的结构和编码格式。它由3部分构成：一个Context ID, 一个Abstract Syntax和多个Transfer Syntax。

Context ID是一个1 - 255之间的正奇数
Abstract Syntax是数据代表的含义，通常用DICOM SOP Class UID表示，如下面两种ID；同时也可以用私有ID表示来实现自定义图像类型的传输。
- 1.2.840.10008.1.1 Verification SOP Class
- 1.2.840.10008.5.1.4.1.1 CT Image Storage
Transfer Syntax是数据编码格式。通常用DICOM Transfer Syntax Class UID表示，如下面两种ID；同时也可以用私有ID表示来实现自定义图像类型的传输。
- 1.2.840.10008.1.2 Implicit VR Little Endian
- 1.2.840.10008.1.2.4.50 JPEG Baseline

dcmtk的日志可以帮助我们解析Presentation Context，如下所示：

D:		 Context ID:        45 (Proposed)
D:     Abstract Syntax: =DigitalIntraOralXRayImageStorageForPresentation
D:     Proposed SCP/SCU Role: Default
D:     Proposed Transfer Syntax(es):
D:       =LittleEndianExplicit

在Server中，打开Debug模式日志，也会在对ASSOCIATE-RQ中携带的Presentation Context进行列印：

[CONQUESTSRV1] UPACS THREAD 45: STARTED AT: Wed Oct 13 18:25:41 2021
[CONQUESTSRV1] A-ASSOCIATE-RQ Packet Dump
[CONQUESTSRV1]  Calling Application Title : "STORESCU        "
[CONQUESTSRV1]  Called Application Title : "ANY-SCP         "
[CONQUESTSRV1]  Application Context : "1.2.840.10008.3.1.1.1", PDU length: 16384
[CONQUESTSRV1]  Number of Proposed Presentation Contexts: 128
[CONQUESTSRV1]  Presentation Context 0 "1.2.840.10008.5.1.4.1.1.9.1.3" 1
[CONQUESTSRV1]  Presentation Context 1 "1.2.840.10008.5.1.4.1.1.9.1.3" 1
...
[CONQUESTSRV1]  Presentation Context 127 "1.2.840.10008.5.1.4.1.1.12.2" 1
[CONQUESTSRV1] Server Command   := 0001
[CONQUESTSRV1] Message ID       := 0001
[CONQUESTSRV1] FreeStore Left 17269 on c:\
[CONQUESTSRV1] Written file: c:\users\admi\desktop\dicomserver150b\data\MF-0000012\1.3.6.1.4.1.5962.1.3.5012.1.1166546115.14677_0001_000001_16341207560000.dcm
[CONQUESTSRV1] UPACS THREAD 45: ENDED AT: Wed Oct 13 18:25:56 2021
[CONQUESTSRV1] UPACS THREAD 45: TOTAL RUNNING TIME: 15 SECONDS

DIMSE

DIMSE（DICOM Message Service Element）是在P-DATA PDU下传输的一种消息格式。DICOM3.0协议中共有11种DIMSE服务：

Name	Group	Type
C-STORE	DIMSE-C	operation
C-GET	DIMSE-C	operation
C-MOVE	DIMSE-C	operation
C-FIND	DIMSE-C	operation
C-ECHO	DIMSE-C	operation
N-EVENT-REPORT	DIMSE-N	notification
N-GET	DIMSE-N	operation
N-SET	DIMSE-N	operation
N-ACTION	DIMSE-N	operation
N-CREATE	DIMSE-N	operation
N-DELETE	DIMSE-N	operation

这里还是以C-STORE为例进行分析。在收到服务端返回的ASSOCIATE-AC报文后，就正式发起store请求，进行传输。日志种会输出本次传输的DIMSE信息。

D: ===================== OUTGOING DIMSE MESSAGE ====================
D: Message Type                  : C-STORE RQ
D: Message ID                    : 1
D: Affected SOP Class UID        : SecondaryCaptureImageStorage
D: Affected SOP Instance UID     : 1.3.6.1.4.1.5962.99.1.2280943358.716200484.1363785608958.60.0
D: Data Set                      : present
D: Priority                      : medium
D: ======================= END DIMSE MESSAGE =======================
D: DcmDataset::read() TransferSyntax="Little Endian Implicit"
I: Received Store Response
D: ===================== INCOMING DIMSE MESSAGE ====================
D: Message Type                  : C-STORE RSP
D: Presentation Context ID       : 203
D: Message ID Being Responded To : 1
D: Affected SOP Class UID        : SecondaryCaptureImageStorage
D: Affected SOP Instance UID     : 1.3.6.1.4.1.5962.99.1.2280943358.716200484.1363785608958.60.0
D: Data Set                      : none
D: DIMSE Status                  : 0x0000: Success
D: ======================= END DIMSE MESSAGE =======================

在传输完成后，即可在服务端数据库看到这个图像，说明传输已经成功。

传输

DIMSE传输与DICOM图像传输都是用P-DATA PDU，这里通过抓包软件对它们进行分析。

在A-ASSOCIATE AC消息之后，两者开始通过P-DATA PDU进行传输。首先我们可以看到C-STORE RQ这一DIMSE消息的报文。其信息内容与之前日志输出的完全一致。

然后我们可以看到DCM文件被实际传输。PDV长度为32768B（32KB），实际上由24个长度为1514字节的TCP帧构成。传输的内容是小端序，未压缩，无加密。

C-FIND

Information Model

在DICOM标准中，查询/取回的信息模型有以下三种：

Patient Root
Study Root
Patient/Study Only

例如，在患者根模型中，有四种层级的分类：

Patient：对应Patient Information Entity (IE)
Study：对应一个患者和Study IE
Series：Series依赖具体的modality，在一个study中。它对应着Series, Frame of Reference 和Equipment IE。
Composite Object Instance：对应Composite Object IE。

查询

C-FIND查询使用Key- Value进行，查询在SCP中会被转换为对应的SQL语句，向数据库发起查询。

描述/模块	标签	匹配密钥类型	返回密钥类型	备注/匹配类型
病人姓名	（0010,0010）	—	1
患者ID	（0010,0020）	R	1	请求标识符中应显示。应使用单值匹配检索。注意由于预计只有一个响应，这是一个唯一的密钥。
患者ID的发行人	（0010,0021）	R	2	应使用单值匹配检索。在有多个发行商的情况下，此密钥限制将患者ID（0010,0020）与患者ID（0010,0020）唯一域匹配。
患者的出生日期	（0010,0030）	—	2
患者的性别	（0010,0040）	—	2
患者识别模块的所有其他属性		—	3
患者人口统计模块的所有其他属性		—	3
观察日期时间	（0040，A032）	—	1
值类型	（0040，A040）	—	1	应与（0040，A043）的第一行相同
概念名称代码序列	（0040，A043）	—	1	请求中不应存在，响应中用应与标识符中内容模板序列（0040，A504）中标识的模板相同。
>代码值	（0008,0100）	—	1
>编码方案指示	（0008,0102）	—	1
>编码方案版本	（0008,0103）	—	1C	如果编码方案指示（0008,0102）的值不足以明确识别代码值（0008,0100），则为必填项。
>代码含义	（0008,0104）	—	1
>概念名称代码序列的所有其他属性
内容序列	（0040，A730）	—	2	内容序列（0040，A730）是一个潜在的递归嵌套项目序列。内容序列应始终在请求标识符中发送零长度。响应数据集中的内容序列应包含所请求模板的内容项。
>内容序列的所有属性		—	—	SCP提供的内容项目。对内容项属性类型的要求应符合SR文档内容模块中的定义。
HL7结构化文档参考序列	（0040，A390）	—	1C
>参考的SOP类UID	（0008,1150）	—	1
>引用的SOP实例UID	（0008,1155）	—	1
>HL7实例标识符	（0040，E001）	—	1
>检索URI	（0040，E010）	—	3
包含其他参考实例序列的研究	（0008,1200）	—	1C	如果内容序列（0040，A390）包含引用使用患者/研究/系列/实例信息模型的SOP实例的内容项，则为必填项。
>引用系列序列	（0008,1115）	—	1
>>系列实例UID	（0020,000E）	—	1
>>引用实例序列	（0008,114A）	—	1
>>>参考SOP类UID	（0008,1150）	—	1
>>>引用的SOP实例UID	（0008,1155）	—	1

日志分析

C-FIND也同样遵循上述的流程，即先通过Association PDU建立连接，通过P-DATA-TF PDU进行实际传输，传输完成后通过Release PDU进行连接释放。我们试验查询上一次写入的DCM文件：

➜  ~ findscu -v -d -S -k "(0008, 0052)=STUDY" -k "(0010,0020)=Case1" 59.78.44.209 5678
D: $dcmtk: findscu v3.6.6 2021-01-14 $
D: 
D: DcmDataDictionary: Loading file: /usr/local/Cellar/dcmtk/3.6.6/share/dcmtk/dicom.dic
D: Request Parameters:
D: ====================== BEGIN A-ASSOCIATE-RQ =====================
D: Our Implementation Class UID:      1.2.276.0.7230010.3.0.3.6.6
D: Our Implementation Version Name:   OFFIS_DCMTK_366
D: Their Implementation Class UID:    
D: Their Implementation Version Name: 
D: Application Context Name:    1.2.840.10008.3.1.1.1
D: Calling Application Name:    FINDSCU
D: Called Application Name:     ANY-SCP
D: Responding Application Name: ANY-SCP
D: Our Max PDU Receive Size:    16384
D: Their Max PDU Receive Size:  0
D: Presentation Contexts:
D:   Context ID:        1 (Proposed)
D:     Abstract Syntax: =FINDStudyRootQueryRetrieveInformationModel
D:     Proposed SCP/SCU Role: Default
D:     Proposed Transfer Syntax(es):
D:       =LittleEndianExplicit
D:       =BigEndianExplicit
D:       =LittleEndianImplicit
D: Requested Extended Negotiation: none
D: Accepted Extended Negotiation:  none
D: Requested User Identity Negotiation: none
D: User Identity Negotiation Response:  none
D: ======================= END A-ASSOCIATE-RQ ======================

在ASSOCIATE-RQ中，我们可以看到它携带了一个Presentation Context，表示这个是一个StudyRoot的Information Model。对方只要支持这一种Infromation Model即可完成连接。

在DICOM 3.0中，C-FIND-RQ协议规定如下：

Message Field	Description of Field
Command Group Length	最后一个数值组到下一组的间隔
Affected SOP Class UID	本次操作的SOP Class UID
Command Field	0020H表示为C-FIND-RQ消息
Message ID	用来唯一表示本次操作并与其他正在进行的作业相区隔。
Priority	LOW = 0002H；MEDIUM = 0000H；HIGH = 0001H
Command Data Set Type	除0101H (Null)外均可.
Identifier	Service Class Specification数据集合，可以用来存储查询的Query。

I: Requesting Association
D: setting network send timeout to 60 seconds
D: setting network receive timeout to 60 seconds
D: Constructing Associate RQ PDU
D: PDU Type: Associate Accept, PDU Length: 187 + 6 bytes PDU header
D:   02  00  00  00  00  bb  00  01  00  00  41  4e  59  2d  53  43
D:   50  20  20  20  20  20  20  20  20  20  46  49  4e  44  53  43
D:   55  20  20  20  20  20  20  20  20  20  00  00  00  00  00  00
D:   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
D:   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  10  00  00  15  31  2e
D:   32  2e  38  34  30  2e  31  30  30  30  38  2e  33  2e  31  2e
D:   31  2e  31  21  00  00  19  01  00  00  00  40  00  00  11  31
D:   2e  32  2e  38  34  30  2e  31  30  30  30  38  2e  31  2e  32
D:   50  00  00  3d  51  00  00  04  00  00  80  00  52  00  00  22
D:   31  2e  32  2e  38  32  36  2e  30  2e  31  2e  33  36  38  30
D:   30  34  33  2e  32  2e  31  33  35  2e  31  30  36  36  2e  31
D:   30  31  55  00  00  0b  31  2e  35  2e  30  2f  57  49  4e  33
D:   32
D: Parsing an A-ASSOCIATE PDU
D: Association Parameters Negotiated:
D: ====================== BEGIN A-ASSOCIATE-AC =====================
D: Our Implementation Class UID:      1.2.276.0.7230010.3.0.3.6.6
D: Our Implementation Version Name:   OFFIS_DCMTK_366
D: Their Implementation Class UID:    1.2.826.0.1.3680043.2.135.1066.101
D: Their Implementation Version Name: 1.5.0/WIN32
D: Application Context Name:    1.2.840.10008.3.1.1.1
D: Calling Application Name:    FINDSCU
D: Called Application Name:     ANY-SCP
D: Responding Application Name: ANY-SCP
D: Our Max PDU Receive Size:    16384
D: Their Max PDU Receive Size:  32768
D: Presentation Contexts:
D:   Context ID:        1 (Accepted)
D:     Abstract Syntax: =FINDStudyRootQueryRetrieveInformationModel
D:     Proposed SCP/SCU Role: Default
D:     Accepted SCP/SCU Role: Default
D:     Accepted Transfer Syntax: =LittleEndianImplicit
D: Requested Extended Negotiation: none
D: Accepted Extended Negotiation:  none
D: Requested User Identity Negotiation: none
D: User Identity Negotiation Response:  none
D: ======================= END A-ASSOCIATE-AC ======================

对方发会响应，连接建立。

然后就是在P-DATA层发送DIMSE消息。可以看到DIMSE消息中主要含有这次的SOP，也就是StudyRoot查询的Information Model，同时也携带着两个Query。

I: Association Accepted (Max Send PDV: 32756)
I: Sending Find Request
D: ===================== OUTGOING DIMSE MESSAGE ====================
D: Message Type                  : C-FIND RQ
D: Presentation Context ID       : 1
D: Message ID                    : 1
D: Affected SOP Class UID        : FINDStudyRootQueryRetrieveInformationModel
D: Data Set                      : present
D: Priority                      : medium
D: ======================= END DIMSE MESSAGE =======================
I: Request Identifiers:
I: 
I: # Dicom-Data-Set
I: # Used TransferSyntax: Little Endian Explicit
I: (0008,0052) CS [STUDY]                                  #   6, 1 QueryRetrieveLevel
I: (0010,0020) LO [Case1]                                  #   6, 1 PatientID
I: 
D: DcmDataset::read() TransferSyntax="Little Endian Implicit"
D: DcmDataset::read() TransferSyntax="Little Endian Implicit"

在服务端，我们可以通过查看日志，确定查询的操作方式：

[CONQUESTSRV1] UPACS THREAD 46: STARTED AT: Wed Oct 13 19:36:59 2021
[CONQUESTSRV1] A-ASSOCIATE-RQ Packet Dump
[CONQUESTSRV1]  Calling Application Title : "FINDSCU         "
[CONQUESTSRV1]  Called Application Title : "ANY-SCP         "
[CONQUESTSRV1]  Application Context : "1.2.840.10008.3.1.1.1", PDU length: 16384
[CONQUESTSRV1]  Number of Proposed Presentation Contexts: 1
[CONQUESTSRV1]  Presentation Context 0 "1.2.840.10008.5.1.4.1.2.2.1" 1
[CONQUESTSRV1] Server Command   := 0020
[CONQUESTSRV1] Message ID       := 0001
[CONQUESTSRV1] (StudyRootQuery) search level: STUDY 
[CONQUESTSRV1] Query On Study
[CONQUESTSRV1] Issue Query on Columns: DICOMStudies.PatientID
[CONQUESTSRV1] Values: DICOMStudies.PatientID = 'Case1'
[CONQUESTSRV1] Tables: DICOMStudies
[CONQUESTSRV1] Sorting ((null)) DoSort := 0
[CONQUESTSRV1] Records = 1
[CONQUESTSRV1] C-Find (StudyRoot) located 1 records
[CONQUESTSRV1] UPACS THREAD 46: ENDED AT: Wed Oct 13 19:36:59 2021
[CONQUESTSRV1] UPACS THREAD 46: TOTAL RUNNING TIME: 0 SECONDS

可以看到，服务端先是确定从Study为根结点开始查询，然后在刚才指定的PatientID列开始查询，找到了一条记录，然后发送响应，下面是SCU解析的响应内容：

I: Received Find Response 1
D: ===================== INCOMING DIMSE MESSAGE ====================
D: Message Type                  : C-FIND RSP
D: Message ID Being Responded To : 1
D: Affected SOP Class UID        : FINDStudyRootQueryRetrieveInformationModel
D: Data Set                      : present
D: DIMSE Status                  : 0xff00: Pending: Matches are continuing
D: ======================= END DIMSE MESSAGE =======================
D: Response Identifiers:
D: 
D: # Dicom-Data-Set
D: # Used TransferSyntax: Little Endian Implicit
D: (0008,0052) CS [STUDY ]                                 #   6, 1 QueryRetrieveLevel
D: (0010,0020) LO [Case1 ]                                 #   6, 1 PatientID
D: 
D: DcmDataset::read() TransferSyntax="Little Endian Implicit"
I: Received Final Find Response
D: ===================== INCOMING DIMSE MESSAGE ====================
D: Message Type                  : C-FIND RSP
D: Message ID Being Responded To : 1
D: Affected SOP Class UID        : FINDStudyRootQueryRetrieveInformationModel
D: Data Set                      : none
D: DIMSE Status                  : 0x0000: Success: Matching is complete
D: ======================= END DIMSE MESSAGE =======================
I: Releasing Association

C-MOVE

C-MOVE可以理解为在C-FIND查询之后，由C-MOVE的SCP向SCU发起C-STORE请求，最终将图像传输到C-MOVE的SCU上。

从抓包软件分析可以看出，SCU先是向SCP传输C-MOVE DIMSE，对方收到之后又会反过来发送连接请求，连接成功后就会发宋C-STORE DIMSE，进行C-STORE传输。

在C-STORE传输完成（PDU方发送C-STORE RSP）后，对方又会发来C-MOVE的响应，在所有子C-STORE操作完成后，会发送一个总的C-STORE响应，双方开始断开连接。

日志分析

首先是SCU向SCP请求建立连接：

➜  ~ movescu -v -d -aem "DCMTK" --port 7777 -k 0008,0052=STUDY -k 0010,0020="Case1" 59.78.44.209 5678
D: DcmDataDictionary: Loading file: /usr/local/Cellar/dcmtk/3.6.6/share/dcmtk/dicom.dic
D: $dcmtk: movescu v3.6.6 2021-01-14 $
D: 
D: Request Parameters:
D: ====================== BEGIN A-ASSOCIATE-RQ =====================
D: Our Implementation Class UID:      1.2.276.0.7230010.3.0.3.6.6
D: Our Implementation Version Name:   OFFIS_DCMTK_366
D: Their Implementation Class UID:    
D: Their Implementation Version Name: 
D: Application Context Name:    1.2.840.10008.3.1.1.1
D: Calling Application Name:    MOVESCU
D: Called Application Name:     ANY-SCP
D: Responding Application Name: ANY-SCP
D: Our Max PDU Receive Size:    16384
D: Their Max PDU Receive Size:  0
D: Presentation Contexts:
D:   Context ID:        1 (Proposed)
D:     Abstract Syntax: =FINDPatientRootQueryRetrieveInformationModel
D:     Proposed SCP/SCU Role: Default
D:     Proposed Transfer Syntax(es):
D:       =LittleEndianExplicit
D:       =BigEndianExplicit
D:       =LittleEndianImplicit
D:   Context ID:        3 (Proposed)
D:     Abstract Syntax: =MOVEPatientRootQueryRetrieveInformationModel
D:     Proposed SCP/SCU Role: Default
D:     Proposed Transfer Syntax(es):
D:       =LittleEndianExplicit
D:       =BigEndianExplicit
D:       =LittleEndianImplicit
D: Requested Extended Negotiation: none
D: Accepted Extended Negotiation:  none
D: Requested User Identity Negotiation: none
D: User Identity Negotiation Response:  none
D: ======================= END A-ASSOCIATE-RQ ======================
I: Requesting Association
D: setting network send timeout to 60 seconds
D: setting network receive timeout to 60 seconds
D: Constructing Associate RQ PDU
D: PDU Type: Associate Accept, PDU Length: 216 + 6 bytes PDU header
D:   02  00  00  00  00  d8  00  01  00  00  41  4e  59  2d  53  43
D:   50  20  20  20  20  20  20  20  20  20  4d  4f  56  45  53  43
D:   55  20  20  20  20  20  20  20  20  20  00  00  00  00  00  00
D:   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
D:   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  10  00  00  15  31  2e
D:   32  2e  38  34  30  2e  31  30  30  30  38  2e  33  2e  31  2e
D:   31  2e  31  21  00  00  19  01  00  00  00  40  00  00  11  31
D:   2e  32  2e  38  34  30  2e  31  30  30  30  38  2e  31  2e  32
D:   21  00  00  19  03  00  00  00  40  00  00  11  31  2e  32  2e
D:   38  34  30  2e  31  30  30  30  38  2e  31  2e  32  50  00  00
D:   3d  51  00  00  04  00  00  80  00  52  00  00  22  31  2e  32
D:   2e  38  32  36  2e  30  2e  31  2e  33  36  38  30  30  34  33
D:   2e  32  2e  31  33  35  2e  31  30  36  36  2e  31  30  31  55
D:   00  00  0b  31  2e  35  2e  30  2f  57  49  4e  33  32
D: Parsing an A-ASSOCIATE PDU
D: Association Parameters Negotiated:
D: ====================== BEGIN A-ASSOCIATE-AC =====================
D: Our Implementation Class UID:      1.2.276.0.7230010.3.0.3.6.6
D: Our Implementation Version Name:   OFFIS_DCMTK_366
D: Their Implementation Class UID:    1.2.826.0.1.3680043.2.135.1066.101
D: Their Implementation Version Name: 1.5.0/WIN32
D: Application Context Name:    1.2.840.10008.3.1.1.1
D: Calling Application Name:    MOVESCU
D: Called Application Name:     ANY-SCP
D: Responding Application Name: ANY-SCP
D: Our Max PDU Receive Size:    16384
D: Their Max PDU Receive Size:  32768
D: Presentation Contexts:
D:   Context ID:        1 (Accepted)
D:     Abstract Syntax: =FINDPatientRootQueryRetrieveInformationModel
D:     Proposed SCP/SCU Role: Default
D:     Accepted SCP/SCU Role: Default
D:     Accepted Transfer Syntax: =LittleEndianImplicit
D:   Context ID:        3 (Accepted)
D:     Abstract Syntax: =MOVEPatientRootQueryRetrieveInformationModel
D:     Proposed SCP/SCU Role: Default
D:     Accepted SCP/SCU Role: Default
D:     Accepted Transfer Syntax: =LittleEndianImplicit
D: Requested Extended Negotiation: none
D: Accepted Extended Negotiation:  none
D: Requested User Identity Negotiation: none
D: User Identity Negotiation Response:  none
D: ======================= END A-ASSOCIATE-AC ======================
I: Association Accepted (Max Send PDV: 32756)

之后是利用P-DATA PDU发送C-MOVE请求。可以看到C-MOVE消息格式与C-FIND相似。

I: Sending Move Request
D: ===================== OUTGOING DIMSE MESSAGE ====================
D: Message Type                  : C-MOVE RQ
D: Presentation Context ID       : 3
D: Message ID                    : 1
D: Affected SOP Class UID        : MOVEPatientRootQueryRetrieveInformationModel
D: Data Set                      : present
D: Priority                      : medium
D: Move Destination              : DCMTK
D: ======================= END DIMSE MESSAGE =======================
I: Request Identifiers:
I: 
I: # Dicom-Data-Set
I: # Used TransferSyntax: Little Endian Explicit
I: (0008,0052) CS [STUDY]                                  #   6, 1 QueryRetrieveLevel
I: (0010,0020) LO [Case1]                                  #   6, 1 PatientID

在SCP端经过处理C-MOVE请求，向SCU发起连接请求，这个请求中包含一个SecondaryCaptureImageStorage Presentation Context，这与之前讲到的C-MOVE连接请求也一致。可以看到对方发来的被叫应用名称就是之前在-aem参数中指定的名称。

I: 
D: Association Received: 59
D: setting network send timeout to 60 seconds
D: setting network receive timeout to 60 seconds
D: PDU Type: Associate Request, PDU Length: 216 + 6 bytes PDU header
D:   01  00  00  00  00  d8  00  01  00  00  44  43  4d  54  4b  20
D:   20  20  20  20  20  20  20  20  20  20  43  4f  4e  51  55  45
D:   53  54  53  52  56  31  20  20  20  20  00  00  00  00  00  00
D:   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
D:   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  10  00  00  15  31  2e
D:   32  2e  38  34  30  2e  31  30  30  30  38  2e  33  2e  31  2e
D:   31  2e  31  20  00  00  36  77  00  00  00  30  00  00  19  31
D:   2e  32  2e  38  34  30  2e  31  30  30  30  38  2e  35  2e  31
D:   2e  34  2e  31  2e  31  2e  37  40  00  00  11  31  2e  32  2e
D:   38  34  30  2e  31  30  30  30  38  2e  31  2e  32  50  00  00
D:   3d  51  00  00  04  00  00  80  00  52  00  00  22  31  2e  32
D:   2e  38  32  36  2e  30  2e  31  2e  33  36  38  30  30  34  33
D:   2e  32  2e  31  33  35  2e  31  30  36  36  2e  31  30  31  55
D:   00  00  0b  31  2e  35  2e  30  2f  57  49  4e  33  32
D: Parsing an A-ASSOCIATE PDU
I: Sub-Association Received
D: Parameters:
D: ====================== BEGIN A-ASSOCIATE-RQ =====================
D: Our Implementation Class UID:      1.2.276.0.7230010.3.0.3.6.6
D: Our Implementation Version Name:   OFFIS_DCMTK_366
D: Their Implementation Class UID:    1.2.826.0.1.3680043.2.135.1066.101
D: Their Implementation Version Name: 1.5.0/WIN32
D: Application Context Name:    1.2.840.10008.3.1.1.1
D: Calling Application Name:    CONQUESTSRV1
D: Called Application Name:     DCMTK
D: Responding Application Name: 
D: Our Max PDU Receive Size:    16384
D: Their Max PDU Receive Size:  32768
D: Presentation Contexts:
D:   Context ID:        119 (Proposed)
D:     Abstract Syntax: =SecondaryCaptureImageStorage
D:     Proposed SCP/SCU Role: Default
D:     Proposed Transfer Syntax(es):
D:       =LittleEndianImplicit
D: Requested Extended Negotiation: none
D: Accepted Extended Negotiation:  none
D: Requested User Identity Negotiation: none
D: User Identity Negotiation Response:  none
D: ======================= END A-ASSOCIATE-RQ ======================
D: Constructing Associate AC PDU
I: Sub-Association Acknowledged (Max Send PDV: 32756)
D: ====================== BEGIN A-ASSOCIATE-AC =====================
D: Our Implementation Class UID:      1.2.276.0.7230010.3.0.3.6.6
D: Our Implementation Version Name:   OFFIS_DCMTK_366
D: Their Implementation Class UID:    1.2.826.0.1.3680043.2.135.1066.101
D: Their Implementation Version Name: 1.5.0/WIN32
D: Application Context Name:    1.2.840.10008.3.1.1.1
D: Calling Application Name:    CONQUESTSRV1
D: Called Application Name:     DCMTK
D: Responding Application Name: 
D: Our Max PDU Receive Size:    16384
D: Their Max PDU Receive Size:  32768
D: Presentation Contexts:
D:   Context ID:        119 (Accepted)
D:     Abstract Syntax: =SecondaryCaptureImageStorage
D:     Proposed SCP/SCU Role: Default
D:     Accepted SCP/SCU Role: Default
D:     Accepted Transfer Syntax: =LittleEndianImplicit
D: Requested Extended Negotiation: none
D: Accepted Extended Negotiation:  none
D: Requested User Identity Negotiation: none
D: User Identity Negotiation Response:  none
D: ======================= END A-ASSOCIATE-AC ======================
D: DcmDataset::read() TransferSyntax="Little Endian Implicit"

建立反向连接后，就可以接受对方的C-STORE请求，开始传输。

I: Received Store Request
D: ===================== INCOMING DIMSE MESSAGE ====================
D: Message Type                  : C-STORE RQ
D: Presentation Context ID       : 119
D: Message ID                    : 3203
D: Affected SOP Class UID        : SecondaryCaptureImageStorage
D: Affected SOP Instance UID     : 1.3.6.1.4.1.5962.99.1.2280943358.716200484.1363785608958.60.0
D: Data Set                      : present
D: Priority                      : medium
D: Move Originator AE Title      : MOVESCU
D: Move Originator ID            : 1
D: ======================= END DIMSE MESSAGE =======================
D: DcmDataset::read() TransferSyntax="Little Endian Implicit"
D: DcmItem::checkAndUpdateVR() setting undefined VR of PixelPaddingValue (0028,0120) to 'US' because PixelRepresentation (0028,0103) has a value that is different from 1
D: DcmItem::checkAndUpdateVR() setting undefined VR of PixelPaddingRangeLimit (0028,0121) to 'US' because PixelRepresentation (0028,0103) has a value that is different from 1
W: DICOM file already exists, overwriting: SC.1.3.6.1.4.1.5962.99.1.2280943358.716200484.1363785608958.60.0
D: DcmFileFormat::checkMetaHeaderValue() Version of MetaHeader is ok: 0x0001
D: DcmFileFormat::checkMetaHeaderValue() use SOPClassUID [1.2.840.10008.5.1.4.1.1.7] from Dataset
D: DcmFileFormat::checkMetaHeaderValue() use SOPInstanceUID [1.3.6.1.4.1.5962.99.1.2280943358.716200484.1363785608958.60.0] from Dataset
D: DcmFileFormat::checkMetaHeaderValue() use new TransferSyntaxUID [Little Endian Implicit] on writing following Dataset
D: DcmFileFormat::validateMetaInfo() found 7 Elements in DcmMetaInfo 'metinf'
D: DcmDataset::read() TransferSyntax="Little Endian Implicit"

在一个C-STORE传输完成后，就会收到一个C-MOVE响应，但由于还有其他传输在进行，所以DIMSE Status为Pending。然后就是下一个C-STORE请求和对应的传输过程与响应。

I: Received Move Response 1
D: ===================== INCOMING DIMSE MESSAGE ====================
D: Message Type                  : C-MOVE RSP
D: Message ID Being Responded To : 1
D: Affected SOP Class UID        : MOVEPatientRootQueryRetrieveInformationModel
D: Remaining Suboperations       : 1
D: Completed Suboperations       : 1
D: Failed Suboperations          : 0
D: Warning Suboperations         : 0
D: Data Set                      : none
D: DIMSE Status                  : 0xff00: Pending: Sub-operations are continuing
D: ======================= END DIMSE MESSAGE =======================
D: DcmDataset::read() TransferSyntax="Little Endian Implicit"
I: Received Store Request
D: ===================== INCOMING DIMSE MESSAGE ====================
D: Message Type                  : C-STORE RQ
D: Presentation Context ID       : 119
D: Message ID                    : 3225
D: Affected SOP Class UID        : SecondaryCaptureImageStorage
D: Affected SOP Instance UID     : 1.3.6.1.4.1.5962.99.1.2280943358.716200484.1363785608958.67.0
D: Data Set                      : present
D: Priority                      : medium
D: Move Originator AE Title      : MOVESCU
D: Move Originator ID            : 1
D: ======================= END DIMSE MESSAGE =======================
D: DcmDataset::read() TransferSyntax="Little Endian Implicit"
D: DcmItem::checkAndUpdateVR() setting undefined VR of PixelPaddingValue (0028,0120) to 'US' because PixelRepresentation (0028,0103) has a value that is different from 1
D: DcmItem::checkAndUpdateVR() setting undefined VR of PixelPaddingRangeLimit (0028,0121) to 'US' because PixelRepresentation (0028,0103) has a value that is different from 1
W: DICOM file already exists, overwriting: SC.1.3.6.1.4.1.5962.99.1.2280943358.716200484.1363785608958.67.0
D: DcmFileFormat::checkMetaHeaderValue() Version of MetaHeader is ok: 0x0001
D: DcmFileFormat::checkMetaHeaderValue() use SOPClassUID [1.2.840.10008.5.1.4.1.1.7] from Dataset
D: DcmFileFormat::checkMetaHeaderValue() use SOPInstanceUID [1.3.6.1.4.1.5962.99.1.2280943358.716200484.1363785608958.67.0] from Dataset
D: DcmFileFormat::checkMetaHeaderValue() use new TransferSyntaxUID [Little Endian Implicit] on writing following Dataset
D: DcmFileFormat::validateMetaInfo() found 7 Elements in DcmMetaInfo 'metinf'
D: DcmDataset::read() TransferSyntax="Little Endian Implicit"
I: Received Move Response 2
D: ===================== INCOMING DIMSE MESSAGE ====================
D: Message Type                  : C-MOVE RSP
D: Message ID Being Responded To : 1
D: Affected SOP Class UID        : MOVEPatientRootQueryRetrieveInformationModel
D: Remaining Suboperations       : 0
D: Completed Suboperations       : 2
D: Failed Suboperations          : 0
D: Warning Suboperations         : 0
D: Data Set                      : none
D: DIMSE Status                  : 0xff00: Pending: Sub-operations are continuing
D: ======================= END DIMSE MESSAGE =======================
D: DcmDataset::read() TransferSyntax="Little Endian Implicit"

在所有C-STORE请求完成后，服务端会发来一个表示成功的C-STORE响应：

I: Received Final Move Response
D: ===================== INCOMING DIMSE MESSAGE ====================
D: Message Type                  : C-MOVE RSP
D: Message ID Being Responded To : 1
D: Affected SOP Class UID        : MOVEPatientRootQueryRetrieveInformationModel
D: Remaining Suboperations       : 0
D: Completed Suboperations       : 2
D: Failed Suboperations          : 0
D: Warning Suboperations         : 0
D: Data Set                      : none
D: DIMSE Status                  : 0x0000: Success: Sub-operations complete - No failures or warnings
D: ======================= END DIMSE MESSAGE =======================
I: Releasing Association

至此C-MOVE传输完成。

图像文件传输为PDV=4096Bytes的TCP传输：

下载到本地的文件可以打开进行查看和处理，比如使用DCMTK中的工具包或者其他第三方软件

➜  ~ getscu -k 08,52=STUDY -k StudyInstanceUID=1.3.6.1.4.1.5962.99.1.2280943358.716200484.1363785608958.61.0  192.168.31.156 5678  
➜  ~ ls -lt
total 148576
-rw-r--r--    1 zzy   staff  31354908 10  8 22:46 SC.1.3.6.1.4.1.5962.99.1.2280943358.716200484.1363785608958.67.0
-rw-r--r--    1 zzy   staff   4367746 10  8 22:45 SC.1.3.6.1.4.1.5962.99.1.2280943358.716200484.1363785608958.60.0

C-GET

➜  ~ sudo getscu -v -k 08,52=STUDY -k StudyInstanceUID=1.3.6.1.4.1.5962.99.1.2280943358.716200484.1363785608958.61.0  192.168.31.156 5678  
I: Requesting Association
I: Association Accepted (Max Send PDV: 32756)
I: Sending C-GET Request (MsgID 1)
I: Received C-STORE Request (MsgID 4261)
I: Sending C-STORE Response (Success)
I: Received C-GET Response (Pending)
I: Received C-STORE Request (MsgID 4281)
I: Sending C-STORE Response (Success)
I: Received C-GET Response (Pending)
I: Received C-GET Response (Success)
I: Final status report from last C-GET message:
I:   Number of Remaining Suboperations : 0
I:   Number of Completed Suboperations : 2
I:   Number of Failed Suboperations    : 0
I:   Number of Warning Suboperations   : 0
I: Releasing Association

C-GET的过程相比C-MOVE要更简单，它在建立连接时会像C-STORE一样将所有的Presentation Context发送。

下面是C-GET的消息内容，与C-FIND结构相似：

在发送完C-GET消息后，对方会发来C-STORE消息，开始传输。

三．结果与讨论

在本项目中，我主要是以DICOM标准为依据，通过选用实现了DICOM标准的开源DCMTK工具包作为Modality和View Station，CONQUEST作为Server，完成了满足DICOM标准11种协议的mini-PACS系统。在过程中，通过对DICOM标准的阅读和抓包软件的分析，了解了DICOM图像传输协议的结构，了解了其TCP -> ULP -> PDU -> DATA的设计。基于以上理解可以非常清晰地理解传输的详细过程，即通过Associate PDU和Release PDU控制连接，通过P-DATA传输数据，数据中包含依照DICOM3.0的格式严格定义的消息，这样在实现了相关接口的客户端和服务器之间就能实现DICOM规定的传输功能。

引用

pydicom文档：https://pydicom.github.io/pynetdicom/stable/user/presentation.html
DICOM标准3.0：http://dicom.nema.org/medical/dicom/current/output/chtml/
DICOM通信流程：https://www.jianshu.com/p/6f178fc98a04
DCMTK文档：https://support.dcmtk.org/docs

DICOM Biomedical Engineering Biomedical Imaging Network

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