虛擬化技術(shù)在醫(yī)院的應(yīng)用分析

田宗梅

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京世紀(jì)壇醫(yī)院計(jì)算機(jī)中心，北京 100038

虛擬化技術(shù)在醫(yī)院的應(yīng)用分析

田宗梅

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京世紀(jì)壇醫(yī)院計(jì)算機(jī)中心，北京 100038

本文以北京世紀(jì)壇醫(yī)院虛擬化技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐為基礎(chǔ)，分析了虛擬化技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)中應(yīng)用的特點(diǎn)及問(wèn)題，構(gòu)建了基于虛擬化的集中存儲(chǔ)、集中備份方案。

醫(yī)院信息系統(tǒng)；虛擬化；資源利用率

1 醫(yī)院應(yīng)用虛擬化技術(shù)的必要性

1.1 醫(yī)院信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)復(fù)雜

醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）是企事業(yè)單位信息系統(tǒng)中最繁多、最復(fù)雜的系統(tǒng)之一。以我院為例，已建立HIS、醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)與傳輸系統(tǒng)（PACS）、檢驗(yàn)信息系統(tǒng)（LIS）、電子病歷（EMR）、血庫(kù)系統(tǒng)、病理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘等30多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。多系統(tǒng)就需要多服務(wù)器與存儲(chǔ)的支持，大型醫(yī)院現(xiàn)在面臨的問(wèn)題之一是眾多服務(wù)器與存儲(chǔ)管理和維護(hù)困難。

1.2 服務(wù)器資源使用率低下

據(jù)了解，很多三甲醫(yī)院的服務(wù)器，除HIS外大部分在業(yè)務(wù)高峰期的CPU使用率不足15%，內(nèi)存使用率不足40%。也就是系統(tǒng)資源的60%以上處于閑置狀態(tài)，而通常使用傳統(tǒng)雙機(jī)熱備的冗余架構(gòu)中還有1臺(tái)處于STAND BY的服務(wù)器，按2臺(tái)服務(wù)器來(lái)計(jì)算相當(dāng)于服務(wù)器硬件資源的80%是閑置的，不能被充分利用。

1.3 高成本高風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題

據(jù)CHIMA全國(guó)醫(yī)院調(diào)查2011～2012年度調(diào)查結(jié)果顯示醫(yī)院經(jīng)費(fèi)投入比例中62.86%是用于硬件的采購(gòu)[1]。一方面大量服務(wù)器的部署維護(hù)需要高成本；另一方面多臺(tái)處于單機(jī)獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題就面臨停機(jī)、操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)重新安裝、數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)加大。

2 虛擬化技術(shù)特點(diǎn)及在醫(yī)院部署要點(diǎn)

2.1 VMware服務(wù)器虛擬化技術(shù)特點(diǎn)

服務(wù)器虛擬化是將服務(wù)器物理資源抽象為邏輯資源，實(shí)現(xiàn)1臺(tái)服務(wù)器轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗯_(tái)相互隔離的虛擬服務(wù)器，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)管理，提高資源利用率。以VMware公司的VSphere ESX/ESXi為例，VMware vSphere虛擬化操作系統(tǒng)可大幅度整合應(yīng)用，降低物理服務(wù)器整體擁有成本[2-3]，只需15 min就可部署1臺(tái)虛擬服務(wù)器。虛擬化技術(shù)獨(dú)特的分層文件封裝技術(shù)使各個(gè)系統(tǒng)互不影響（表1），不會(huì)因1臺(tái)虛擬機(jī)感染病毒而使全部業(yè)務(wù)服務(wù)器受影響。VMware vCenter可集中管理VMware vSphere環(huán)境，可以提高IT管理員對(duì)虛擬環(huán)境的控制。在vCenter的管理下，可實(shí)現(xiàn)很多虛擬化功能，例如VMware VMotion，可以在不中斷用戶(hù)使用、不丟失服務(wù)的情況下在服務(wù)器間實(shí)時(shí)遷移虛擬機(jī)，VMware HA可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)物理服務(wù)器組成高可用群集，避免因物理服務(wù)器硬件故障帶來(lái)的服務(wù)中斷[4]。而這一切為服務(wù)器虛擬化應(yīng)用的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

表1 虛擬化框架圖

2.2 醫(yī)院虛擬化環(huán)境部署中的要點(diǎn)

2.2.1 資源評(píng)估與業(yè)務(wù)匹配

服務(wù)器虛擬化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的IO性能等級(jí)、內(nèi)存需求、可用性及存儲(chǔ)容量有著一定的要求，在進(jìn)行服務(wù)器虛擬化之前，需要根據(jù)各系統(tǒng)的應(yīng)用情況對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。虛擬機(jī)相對(duì)于IO性能要求高的應(yīng)用程序而言，內(nèi)存需求大的應(yīng)用程序執(zhí)行效率較低[5]，根據(jù)評(píng)估情況確定是否適合使用虛擬機(jī)及虛擬機(jī)資源分配。我院部分軟件系統(tǒng)的評(píng)估情況，見(jiàn)表2。

虛擬機(jī)內(nèi)部的應(yīng)用與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)備份一直存在有待提高的空間，特別是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，目前的虛擬化備份多數(shù)僅局限在針對(duì)獨(dú)立虛擬機(jī)的備份，且不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化后的增量備份，可能存在部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。而且同配置情況下，虛擬機(jī)的性能比物理機(jī)要低10%左右[6]。所以從以上角度考慮，服務(wù)器虛擬化并不適用于大型醫(yī)院業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互頻繁、連續(xù)性要求高的HIS。

PACS的特點(diǎn)是生產(chǎn)多文件數(shù)據(jù)，PACS會(huì)產(chǎn)生大量的DICOM標(biāo)準(zhǔn)的文件，而在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)虛擬化應(yīng)用在管理超過(guò)2T的多文件時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，比如磁盤(pán)碎片增多，系統(tǒng)性能下降，備份易出現(xiàn)中斷等問(wèn)題。我院每年P(guān)ACS的數(shù)據(jù)量在3T以上，此時(shí)獨(dú)立出PACS將是非常有必要的。經(jīng)過(guò)探索，我們?cè)O(shè)計(jì)出一種新的存儲(chǔ)架構(gòu)，即服務(wù)器主機(jī)使用虛擬機(jī)，外掛物理存儲(chǔ)陣列的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣可以有效解決多文件系統(tǒng)在虛擬機(jī)環(huán)境出現(xiàn)的上述問(wèn)題。

2.2.2 存儲(chǔ)配置優(yōu)化

虛擬化應(yīng)用的前提需要有共享存儲(chǔ)陣列支持，新部署環(huán)境的存儲(chǔ)設(shè)備選擇可根據(jù)醫(yī)院內(nèi)部業(yè)務(wù)系統(tǒng)資源消耗情況而定，對(duì)于部署I/O讀寫(xiě)要求較高的信息系統(tǒng)，除了選擇高性能的存儲(chǔ)陣列以外，還可以對(duì)存儲(chǔ)內(nèi)部的配置做進(jìn)一步調(diào)整，例如：增大存儲(chǔ)控制器緩存，配置高速HBA卡，還可以采用高速硬盤(pán)，例如：SSD盤(pán)（Solid State Drive，固態(tài)硬盤(pán)）+SAS盤(pán)（Serial Attached SCSI）+NL-SAS盤(pán)（Near Line- Serial Attached SCSI）的組合模式。綜合考慮磁盤(pán)冗余和空間利用率，通常情況下根據(jù)存儲(chǔ)擴(kuò)展柜的容量不同，采用15、16或20塊盤(pán)做1個(gè)RAID5為較優(yōu)選擇，可減少硬盤(pán)故障帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)冗余配置

服務(wù)器配置時(shí)應(yīng)添加多塊網(wǎng)卡用于解決網(wǎng)絡(luò)端口的冗余及帶寬問(wèn)題[7]，因醫(yī)療應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，在虛擬化部署時(shí)要提前考慮多個(gè)不同網(wǎng)段的應(yīng)用規(guī)劃，例如：物理隔離內(nèi)外網(wǎng)、專(zhuān)線(xiàn)交互等，通過(guò)構(gòu)建虛擬化中的分布式交換機(jī)，為不同的網(wǎng)段提供服務(wù)。

2.2.4 存儲(chǔ)與備份方案設(shè)計(jì)

當(dāng)虛擬化應(yīng)用建設(shè)完成后，會(huì)出現(xiàn)多應(yīng)用系統(tǒng)集中依賴(lài)1臺(tái)存儲(chǔ)設(shè)備的現(xiàn)象。雖然存儲(chǔ)設(shè)備一般都會(huì)有雙控制器做冗余，但基于業(yè)務(wù)應(yīng)用的安全性考慮還是需要建設(shè)容災(zāi)備份系統(tǒng)。備份軟件根據(jù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫(kù)特性選擇，如Golden Gate或VMware的SRM工具都可進(jìn)行同步數(shù)據(jù)鏡像，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的災(zāi)備。其中，Golden Gate可支持ORACLE、DB2、SQL Server等數(shù)據(jù)庫(kù)的備份[8]，不受限于虛擬化應(yīng)用環(huán)境；而SRM是專(zhuān)業(yè)的虛擬機(jī)應(yīng)用備份軟件，也有很多性能優(yōu)勢(shì)。

基于以上描述，構(gòu)建了我院應(yīng)用系統(tǒng)生產(chǎn)及備份環(huán)境方案，即核心應(yīng)用系統(tǒng)采用IBM小型機(jī)做雙機(jī)熱備和異地災(zāi)備，形成兩地三中心的數(shù)據(jù)災(zāi)備方案，極大提高了系統(tǒng)的可用性。PACS生產(chǎn)環(huán)境獨(dú)立在虛擬機(jī)應(yīng)用外，PACS數(shù)據(jù)庫(kù)備份服務(wù)器采用虛擬機(jī)，而影像文件數(shù)據(jù)備份在災(zāi)備存儲(chǔ)系統(tǒng)獨(dú)立劃分的物理磁盤(pán)陣列中，而不使用虛擬機(jī)磁盤(pán)文件。機(jī)房結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 機(jī)房拓?fù)鋱D

表2 部分軟件系統(tǒng)的評(píng)估情況

3 虛擬化應(yīng)用與管理

虛擬化部署完成后，日常的應(yīng)用與管理維護(hù)工作也非常重要。主機(jī)具有自動(dòng)冗余備份的功能，發(fā)生硬件故障往往不容易被發(fā)現(xiàn)，應(yīng)定期主動(dòng)巡檢硬件設(shè)備。VMware vCenter提供的管理平臺(tái)是日常維護(hù)的重要工具。首先，為方便日常的應(yīng)用部署，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用實(shí)際情況把常用的操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)做成虛擬機(jī)模板；其次，需要通過(guò)vCenter定期管理每臺(tái)物理機(jī)下運(yùn)行的虛擬機(jī)數(shù)量，整個(gè)物理機(jī)的性能、配置、警報(bào)信息等；最后，每臺(tái)虛擬機(jī)的資源情況應(yīng)定期查看，做好性能評(píng)估，避免資源不足造成效率低下。

4 總結(jié)

經(jīng)過(guò)近1年時(shí)間對(duì)我院物理服務(wù)器和現(xiàn)有存儲(chǔ)設(shè)備的整合，把原有的24個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)成功遷移到6臺(tái)虛擬機(jī)中，提高了資源利用率[9]。往年單機(jī)運(yùn)行服務(wù)器故障停機(jī)平均都在3次以上，而實(shí)施虛擬化應(yīng)用1年以來(lái)未出現(xiàn)過(guò)單點(diǎn)故障停機(jī)，進(jìn)一步證明了虛擬化可以提高IT系統(tǒng)的靈活性，達(dá)到醫(yī)療行業(yè)信息系統(tǒng)7×24 h業(yè)務(wù)連續(xù)性要求[10]。隨著虛擬化技術(shù)的發(fā)展，相信未來(lái)醫(yī)院選擇低成本、高可靠、可訂購(gòu)、高容量、易管理的托管式云存儲(chǔ)模式將成為主流[11]。

服務(wù)器虛擬化應(yīng)用對(duì)節(jié)能減排做出的貢獻(xiàn)非常重要，如使用6臺(tái)普通服務(wù)器做虛擬化，部署30個(gè)虛擬機(jī)，粗略計(jì)算每年至少可節(jié)省電費(fèi)10萬(wàn)元以上[12]。

虛擬化應(yīng)用存在一定的局限性，針對(duì)業(yè)務(wù)連續(xù)性要求高的HIS與存儲(chǔ)容量要求高的PACS需要特別謹(jǐn)慎，否則可能出現(xiàn)效率低的情況。另外，個(gè)別系統(tǒng)使用USB外接物理密鑰的形式作為信息環(huán)境加密措施，當(dāng)應(yīng)用VMware虛擬化中的VMotion自動(dòng)漂移功能時(shí)，由于物理原因的限制將會(huì)因找不到加密盤(pán)而出現(xiàn)無(wú)法使用的故障。

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Application of Virtualization Technology in Hospital

TIAN Zong-mei
Computer Center, Beijing Millennium Monument Hospital, Aff i liated Hospital of Capital Medical University, Beijing 100038, China

Based on the application practice of virtualization technology in Beijing Millennium Monument Hospital, this paper analyses the application features and problems of virtualization technology in medical industry, and constructs consolidated storage and centralized backup projects based on virtualization technology.

medical information system; virtualization; resource utilization

TP391.9；TP333.96

C

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.07.032

1674-1633(2014)07-0090-03

2013-12-18

本文作者：田宗梅，管理學(xué)碩士，工程師，主要研究方向：醫(yī)院

信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與管理。

作者郵箱：sweetmail@126．com