服務(wù)器虛擬化技術(shù)及其在醫(yī)院的應(yīng)用

馬錫坤，張穩(wěn)

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 a.信息科；b.訓(xùn)練中心，江蘇 南京 210002

1 服務(wù)器虛擬化的概念

1.1 服務(wù)器虛擬化的定義

服務(wù)器虛擬化是把物理服務(wù)器的資源抽象整合成一個(gè)邏輯資源，然后虛擬成多臺(tái)相互隔離的虛擬服務(wù)器即虛擬機(jī)[1]。所有的應(yīng)用都是在這個(gè)邏輯設(shè)備上運(yùn)行，充分利用了單臺(tái)物理設(shè)備的運(yùn)算能力，打破了1臺(tái)服務(wù)器1個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠提高服務(wù)器的復(fù)用率和利用率，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的高可用性。服務(wù)器的虛擬化在硬件和操作系統(tǒng)之間引入了虛擬化層。虛擬化層允許多個(gè)操作系統(tǒng)實(shí)例同時(shí)運(yùn)行在1臺(tái)物理服務(wù)器上，動(dòng)態(tài)分區(qū)和共享所有可用的物理資源，包括：CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)和I/O設(shè)備。

1.2 虛擬機(jī)基本原理

虛擬機(jī)是運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的軟件計(jì)算機(jī)，與物理機(jī)相似[2]。虛擬機(jī)包含1組規(guī)范和配置文件，由主機(jī)的物理資源支持。虛擬機(jī)并不是真正的機(jī)器，但它能像真正的機(jī)器一樣工作，每個(gè)虛擬機(jī)就像1臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行的服務(wù)器，有自己的一套虛擬硬件，從上層操作系統(tǒng)和軟件看來(lái)，它們就是一臺(tái)臺(tái)相對(duì)獨(dú)立的服務(wù)器。不同的虛擬機(jī)可以運(yùn)行相同或不同類(lèi)型的操作系統(tǒng)，作為不同業(yè)務(wù)的支撐平臺(tái)。每個(gè)虛擬機(jī)都有可提供與物理硬件相同功能的虛擬設(shè)備，而且在可移植能力、可管理性和安全性方面更出色。

1.3 虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)

虛擬架構(gòu)可以將操作系統(tǒng)和應(yīng)用從硬件上分離出來(lái)，打包成獨(dú)立的、可移動(dòng)的虛擬機(jī)，從而帶來(lái)了極大的靈活性。支持虛擬機(jī)的基礎(chǔ)架構(gòu)包含2個(gè)軟件層：虛擬化層和管理層，見(jiàn)圖1。虛擬化層提供虛擬化功能，用于將主機(jī)硬件作為一組標(biāo)準(zhǔn)化資源進(jìn)行聚合并將其提供給虛擬機(jī)。管理層用于將多個(gè)主機(jī)的資源加入池中并管理這些資源，而且可以有效監(jiān)控和管理物理及虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)，可以管理虛擬機(jī)的資源、置備虛擬機(jī)、調(diào)度任務(wù)、收集統(tǒng)計(jì)信息日志、創(chuàng)建模板，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的高效自動(dòng)化資源管理及高可用性。

2 服務(wù)器虛擬化發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬化技術(shù)于20世紀(jì)60年代出現(xiàn)在IBM的大型機(jī)上，利用它可以對(duì)屬于稀有而昂貴的大型機(jī)硬件進(jìn)行分區(qū)，從而提高大型機(jī)的利用率。虛擬化和系統(tǒng)分區(qū)在大型機(jī)系統(tǒng)上存在了幾十年。到20世紀(jì)80年代，因?yàn)榛趚86架構(gòu)的計(jì)算機(jī)可以提供更有效、更經(jīng)濟(jì)的方法來(lái)分配處理能力，那時(shí)虛擬化技術(shù)不再?gòu)V泛使用。但是，隨著x86架構(gòu)的PC服務(wù)器性能逐漸提高，到20世紀(jì)90年代，人們開(kāi)始將虛擬化技術(shù)引入x86平臺(tái)，特別是最近幾年，PC服務(wù)器性能突飛猛進(jìn)，它們具有強(qiáng)大的處理能力、海量的內(nèi)存，具有硬件輔助虛擬化技術(shù)、極強(qiáng)的可擴(kuò)展性、極高的可靠性，虛擬化技術(shù)再次得到人們的關(guān)注。

目前，服務(wù)器虛擬化技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用[3-4]，正改變著服務(wù)器的使用方式。據(jù)市場(chǎng)研究公司Gartner稱(chēng)，目前大約16%的企業(yè)服務(wù)器是虛擬化的。財(cái)富500強(qiáng)的企業(yè)中，99%都開(kāi)始使用虛擬化技術(shù)。一些遠(yuǎn)程接入和應(yīng)用接入廠商也積極轉(zhuǎn)型，加入應(yīng)用虛擬化大軍。這個(gè)市場(chǎng)的領(lǐng)先者美國(guó)公司VMware有15萬(wàn)多用戶(hù)，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，產(chǎn)品線豐富，高端用戶(hù)多，在國(guó)內(nèi)占有相當(dāng)大的市場(chǎng)份額。自2007年進(jìn)駐中國(guó)市場(chǎng)以來(lái)，VMware公司在中國(guó)的市場(chǎng)占有率已高達(dá)80%。但在過(guò)去的幾年間，VMware競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的技術(shù)有了大幅改進(jìn)，可供選擇的廠商逐漸增多，有競(jìng)爭(zhēng)力的選擇方案趨于成熟。

3 服務(wù)器虛擬化在醫(yī)院的應(yīng)用

近年來(lái)，醫(yī)院在信息化建設(shè)和應(yīng)用方面發(fā)展迅速，醫(yī)院數(shù)據(jù)中心有著各種各樣的服務(wù)器，運(yùn)行著數(shù)量眾多的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，核心系統(tǒng)一般為雙機(jī)環(huán)境，其他系統(tǒng)一般均為單機(jī)運(yùn)行，1個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)應(yīng)1臺(tái)物理服務(wù)器[5]。單服務(wù)器單應(yīng)用的部署模式，導(dǎo)致服務(wù)器資源利用率很低，造成大量服務(wù)器資源、電力、維護(hù)人力的浪費(fèi)。并且應(yīng)用系統(tǒng)單機(jī)運(yùn)行，單點(diǎn)故障隱患嚴(yán)重，其可用性、安全性較低。而為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的高可用性，需投入成倍的服務(wù)器，造成投資成本加大，且資源得不到充分利用。正是由于上述原因，虛擬服務(wù)器在醫(yī)院的應(yīng)用正逐步深入[6]。經(jīng)調(diào)研論證，我們采用VMware vSphere服務(wù)器虛擬化軟件[7-8]，把8個(gè)刀片服務(wù)器和2臺(tái)高性能PC服務(wù)器整合成1個(gè)虛擬計(jì)算池,采用EMC存儲(chǔ)設(shè)備作為共享存儲(chǔ)，構(gòu)建了一個(gè)虛擬化平臺(tái)，其在醫(yī)院的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）全面整合服務(wù)器，合理利用資源。醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）、實(shí)驗(yàn)室信息系統(tǒng)（LIS）、影像傳輸和通訊系統(tǒng)（PACS）、電子病歷（EMR）等各類(lèi)應(yīng)用系統(tǒng)眾多，通過(guò)虛擬架構(gòu)整合服務(wù)器，在1臺(tái)服務(wù)器上運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，提高了服務(wù)器的使用效率，減少了物理機(jī)數(shù)量，節(jié)省硬件對(duì)空間的占用[9]。服務(wù)器虛擬化可根據(jù)各應(yīng)用情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)資源，動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)服務(wù)器資源負(fù)載平衡，根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)向正確的應(yīng)用程序提供正確的資源，更加合理地分配資源，提高服務(wù)器的利用率。在1臺(tái)服務(wù)器上運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)和應(yīng)用，使新的硬件支持老的應(yīng)用，滿(mǎn)足系統(tǒng)和應(yīng)用遷移的需要，使得數(shù)據(jù)中心可以撤退舊的硬件，有效利用資源。借獨(dú)特的動(dòng)態(tài)優(yōu)化和內(nèi)存管理功能，實(shí)現(xiàn)了最高的服務(wù)器整合率。

（2）快速部署服務(wù)器，加速推進(jìn)應(yīng)用。虛擬化整合前，為新應(yīng)用安裝開(kāi)發(fā)測(cè)試環(huán)境或上線部署時(shí)，每臺(tái)物理機(jī)要安裝操作系統(tǒng)，打補(bǔ)丁，進(jìn)行安全設(shè)置，實(shí)施速度慢。虛擬化整合后，用虛擬架構(gòu)預(yù)備新的項(xiàng)目，可以主動(dòng)地提前規(guī)劃硬件資源。在新版EMR系統(tǒng)試運(yùn)行時(shí)，通過(guò)預(yù)先制定好的操作系統(tǒng)、應(yīng)用模板或拷貝虛擬機(jī)，快速部署了數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件等各類(lèi)服務(wù)器和開(kāi)發(fā)測(cè)試環(huán)境。當(dāng)系統(tǒng)正式上線后應(yīng)用需求增加時(shí)，迅速創(chuàng)建了更多虛擬機(jī)而不增加物理服務(wù)器，大大降低服務(wù)器重建和應(yīng)用加載時(shí)間，快速響應(yīng)系統(tǒng)上線需求，避免了每部署一套新的應(yīng)用就要采購(gòu)一次設(shè)備，從而改變了新應(yīng)用上線部署周期長(zhǎng)的局面。

（3）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高可用，排除單點(diǎn)故障。服務(wù)器虛擬架構(gòu)的高可用功能為在虛擬機(jī)中運(yùn)行的任何應(yīng)用程序提供了經(jīng)濟(jì)高效的高可用性解決方案[10-11]，而不需要考慮其應(yīng)用操作系統(tǒng)設(shè)置或應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)硬件配置，顯著降低實(shí)施成本。醫(yī)院應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)中斷往往會(huì)造成許多的負(fù)面影響，因此醫(yī)院應(yīng)用系統(tǒng)不論規(guī)模大小，絕大部分都要求7×24 h不間斷運(yùn)行。利用虛擬機(jī)構(gòu)建虛擬服務(wù)器集群，有效地實(shí)現(xiàn)了HIS的高可用性，排除了設(shè)備的單點(diǎn)故障[12-13]。當(dāng)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，高可用集群自動(dòng)切換服務(wù)，使故障服務(wù)器的業(yè)務(wù)迅速平穩(wěn)地遷移到虛擬機(jī)，不會(huì)發(fā)生任何數(shù)據(jù)丟失或停機(jī)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)不中斷，對(duì)業(yè)務(wù)無(wú)影響。

（4）實(shí)現(xiàn)在線式遷移，保障業(yè)務(wù)連續(xù)。虛擬化整合前，硬件故障維護(hù)或者升級(jí)擴(kuò)容時(shí)需要停機(jī)進(jìn)行，容易造成應(yīng)用中斷，影響業(yè)務(wù)正常開(kāi)展。因此，確保醫(yī)院業(yè)務(wù)連續(xù)性的要求對(duì)平臺(tái)架構(gòu)的構(gòu)建提出了新的要求。服務(wù)器虛擬化可以快速順應(yīng)業(yè)務(wù)需求，無(wú)中斷地按需升級(jí)擴(kuò)容，進(jìn)行有計(jì)劃的服務(wù)器維護(hù)和升級(jí)遷移。虛擬化整合后，通過(guò)在線遷移功能將虛擬機(jī)遷移至另一臺(tái)物理機(jī)，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)遷移，而服務(wù)不中斷，不影響醫(yī)療業(yè)務(wù)的正常開(kāi)展，從而無(wú)需為計(jì)劃內(nèi)的服務(wù)器維護(hù)安排應(yīng)用程序停機(jī)，保證了業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

（5）實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減排，降低運(yùn)維成本。虛擬化整合前，基本上是單服務(wù)器單應(yīng)用的部署模式，導(dǎo)致醫(yī)院服務(wù)器數(shù)量不斷增加。利用服務(wù)器虛擬化技術(shù)，采用虛擬機(jī)完成應(yīng)用需求，減緩了服務(wù)器數(shù)量的增速，在顯著地節(jié)約能源的同時(shí)實(shí)現(xiàn)中心機(jī)房高效運(yùn)作，降低了運(yùn)行和維護(hù)成本，包括機(jī)房空間、機(jī)柜、網(wǎng)線、耗電量、冷氣空調(diào)和人力成本等，并且增加了數(shù)據(jù)中心的靈活性，從而減少數(shù)據(jù)中心的整體擁有成本。智能化的電源管理，可以?xún)?yōu)化虛擬機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到耗電最小化，顯著降低用電成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的綠色計(jì)算。

（6）集中管理服務(wù)器，提高維護(hù)效率。醫(yī)院數(shù)據(jù)中心資源大量增加使得對(duì)設(shè)備的運(yùn)行、監(jiān)控和管理變得日益復(fù)雜。虛擬化整合后，管理維護(hù)的物理機(jī)數(shù)量大大減少，并且在統(tǒng)一管理平臺(tái)里集中管理所有的服務(wù)器和虛擬機(jī)，全面監(jiān)控系統(tǒng)的利用率和性能，自動(dòng)通知和報(bào)警，通過(guò)強(qiáng)壯的訪問(wèn)控制確保環(huán)境安全，消除了不必要的投資并降低IT基礎(chǔ)架構(gòu)的管理及維護(hù)成本和復(fù)雜性。不需要跟虛擬化整合前那樣，硬件維護(hù)需要數(shù)天的變更管理準(zhǔn)備和數(shù)小時(shí)的維護(hù)窗口，現(xiàn)在可以快速地進(jìn)行硬件維護(hù)和升級(jí)，從而更高效地提供IT服務(wù)。

4 展望

虛擬化技術(shù)可以說(shuō)是云計(jì)算時(shí)代的核心技術(shù)。應(yīng)用虛擬化最大的障礙是一種思維邏輯。傳統(tǒng)思維是采用應(yīng)用部署的方式，而不是應(yīng)用虛擬化的方式。因此，需要轉(zhuǎn)換思路，改變慣性思維，充分認(rèn)識(shí)應(yīng)用虛擬化所帶來(lái)的高效、安全、節(jié)能等好處。通過(guò)服務(wù)器整合和虛擬化，控制和減少了物理服務(wù)器的數(shù)量，明顯提高資源利用率，從而降低硬件成本，減少服務(wù)器的電力、維護(hù)等各種開(kāi)銷(xiāo)[14]。但不是買(mǎi)幾臺(tái)設(shè)備，實(shí)行服務(wù)器虛擬化，就實(shí)現(xiàn)了云計(jì)算數(shù)據(jù)中心。在設(shè)備選型配置方面，要充分考慮虛擬化平臺(tái)下服務(wù)器對(duì)高端多核CPU、大內(nèi)存、高速網(wǎng)絡(luò)、高磁盤(pán)I/O的要求。堅(jiān)持整體規(guī)劃的原則，把服務(wù)器虛擬化和存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化有效融合，更能彰顯虛擬化的價(jià)值，發(fā)揮其在醫(yī)院信息化中的作用[15-16]。另外，服務(wù)器虛擬化在標(biāo)準(zhǔn)化等方面仍有待完善，還需產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的共同努力。

[1]韓寓.服務(wù)器虛擬化技術(shù)研究與分析[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2011,7(7):1654-1655.

[2]韓晟,陳衍,彭紅波,等.虛擬機(jī)在醫(yī)院信息系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2012,27(5):35-37.

[3]周彩陽(yáng).圖書(shū)館服務(wù)器虛擬化技術(shù)可行性分析[J].圖書(shū)館論壇,2008,28(3):65-67,27.

[4]Foster I,Zhao Y,Raicu I,et al.Cloud computing and grid computing 360-degree compared[A].Grid Computing Environments Workshop[C].Chicago,2008:1-10.

[5]李先鋒,王凱蕓,呂強(qiáng),等.三甲醫(yī)院虛擬化技術(shù)的研究與實(shí)踐[J].中國(guó)醫(yī)院,2012,16(2):12-14.

[6]繆一峰.醫(yī)院虛擬化服務(wù)器部署[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2011,28(8):206-208,259.

[7]吳乾清.基于VMware的數(shù)字圖書(shū)館服務(wù)器虛擬化研究與應(yīng)用[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì),2010,20(21):47-49.

[8]張巍.企業(yè)虛擬化實(shí)戰(zhàn)-VMware篇[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[9]劉華.服務(wù)器虛擬化技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2012,8(8):1929-1932.

[10]曾龍海,張博鋒,張麗華,等.基于云計(jì)算平臺(tái)的虛擬集群構(gòu)建技術(shù)研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2010,27(8):31-35,40.

[11]耿新民,王少峰,許飛.基于VMware的高可用性集群在電力信息系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào),2009,26(4):193-196.

[12]趙志云,李泰環(huán),楊宏橋,等.高可用集群在醫(yī)院信息系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2008,23(8):31-33.

[13]周渝霞,郝玉清,顧鳳軍.虛擬服務(wù)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)醫(yī)院信息系統(tǒng)安全可靠[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2010,31(9):50-51,64.

[14]李波.服務(wù)器的虛擬化技術(shù)在醫(yī)院信息系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].醫(yī)療裝備,2010,23(12):15-16.

[15]馬錫坤,于京杰,楊國(guó)斌.存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)在醫(yī)院信息系統(tǒng)平臺(tái)中的作用[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2011,26(10):39-40,50.

[16]趙建華,韓智慧.淺談存儲(chǔ)虛擬化與服務(wù)器虛擬化[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2009,5(21):5606,5609.