醫(yī)院信息化建設(shè)中集群技術(shù)的應(yīng)用

劉宇辰 董生忠

摘 要：目的：通過使用計(jì)算機(jī)及服務(wù)器的集群技術(shù)，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理能力，存儲(chǔ)能力以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到明顯提升。方法：采用windows server 2003/2008，及SQL server 2008/2014，多臺服務(wù)器，兩臺網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)及其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成由多個(gè)服務(wù)器及計(jì)算機(jī)集群組成的集群系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高性能，不間斷無故障運(yùn)行。結(jié)果：采用集群技術(shù)升級醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，可以在付出相對較低成本的情況下使系統(tǒng)用有高性能，高穩(wěn)定性等特性。結(jié)論：集群技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)院信息化建設(shè)中可以對醫(yī)院的整體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)起到很好的提升作用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)集群；信息化；信息系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)

前言

隨著醫(yī)院信息化建設(shè)加強(qiáng)，大多數(shù)醫(yī)院都建立起HIS、RIS、LIS、CIS、PACS、EMR和OA系統(tǒng)等。如今正在進(jìn)行的“四級甲等”醫(yī)院的申報(bào)及評選中，在原來的“三甲”基礎(chǔ)上對醫(yī)院信息互通互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)化成熟度進(jìn)行測評，從多個(gè)方面對醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)信息平臺進(jìn)行綜合測試和評估。信息化是用現(xiàn)代技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的一場革命，這也不例外地沖擊醫(yī)院的管理模式和經(jīng)營理念[1]，它在為醫(yī)院發(fā)展提供有力技術(shù)保障的同時(shí)，信息系統(tǒng)和各類設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)也為醫(yī)院管理帶來了一定困惑[2]。在使用過程中，隨用戶數(shù)的增加，訪問需求的加大，服務(wù)器的響應(yīng)速度將成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的瓶頸。而解決辦法一種是更換更高性能的服務(wù)器終端，另一種則是采用計(jì)算機(jī)及服務(wù)器的集群技術(shù)。

1 傳統(tǒng)醫(yī)院信息化中各系統(tǒng)的弊端

在醫(yī)院信息化應(yīng)用的深入過程中，醫(yī)院信息系統(tǒng)的擴(kuò)展，原有的電子設(shè)備逐漸暴露出其中的弊端。

1.1 工作連續(xù)性低

大多數(shù)醫(yī)院在信息化建設(shè)的總投入有限，除了主要核心系統(tǒng)采用備份模式，大多都是單一服務(wù)器，一旦服務(wù)器發(fā)生故障不可避免宕機(jī)（中斷），這可能對醫(yī)院業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響。而升級雙機(jī)系統(tǒng)對于眾多小系統(tǒng)來說則需要大量的硬件軟件的投入[3]。另一種共享磁盤列陣系統(tǒng)，在存儲(chǔ)設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)雙機(jī)如同虛設(shè)。

1.2 管理復(fù)雜和運(yùn)行成本高

醫(yī)院原系統(tǒng)建設(shè)獨(dú)立，各基礎(chǔ)設(shè)施各司其職，大多由人工進(jìn)行資源的分配，極其浪費(fèi)人力資源，沒有自動(dòng)服務(wù)和自動(dòng)部署能力[4]。

醫(yī)院信息系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大，使得所用的服務(wù)器數(shù)量成倍的增長，占地及能源消耗成為一個(gè)不可避免的難題擺在人們眼前。

2 計(jì)算機(jī)集群技術(shù)簡析

計(jì)算機(jī)集群技術(shù)在目前應(yīng)用最為廣泛的可分為高性能計(jì)算集群技術(shù)（HPC Cluster）、高可用性集群技術(shù)（HA Cluster）和高可擴(kuò)展性集群技術(shù)。而軟件平臺選擇則有Solaris、Linux和windows三種選擇。

2.1 高性能計(jì)算集群技術(shù)

高性能計(jì)算集群（High Performance Computing Cluster）是指以提高科學(xué)計(jì)算能力為目的計(jì)算機(jī)集群技術(shù)。HPC Cluster是一種并行計(jì)算（Parallel Processing） 集群的實(shí)現(xiàn)方法[5]。并行計(jì)算是指將一個(gè)應(yīng)用程序分割成多塊可以并行執(zhí)行的部分并指定到多個(gè)處理器上執(zhí)行的方法。目前的 Intel 架構(gòu)上最多只可以擴(kuò)展的CPU數(shù)量有限。為了勝任更大量的計(jì)算任務(wù)HPC Cluster引入到了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。

2.2 高可用性集群技術(shù)

高可用性集群（High Availability Cluster）是指以減少服務(wù)中斷時(shí)間為目的的服務(wù)器集群技術(shù)。隨著全球經(jīng)濟(jì)的增長，世界各地各種各樣的組織對IT系統(tǒng)的依賴都在不斷增加，在許多領(lǐng)域我們無時(shí)無刻不依賴于穩(wěn)定的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。許多單位都依賴于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，任何中斷都會(huì)帶來不可估量的損失。

2.3 高可擴(kuò)展性集群技術(shù)

高可擴(kuò)展性集群技術(shù)是帶均衡算法的服務(wù)器群集。負(fù)載均衡群集在多節(jié)點(diǎn)之間按照一定的策略（算法）分發(fā)網(wǎng)絡(luò)或計(jì)算處理負(fù)載。負(fù)載均衡建立在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之上，它提供了一種廉價(jià)有效的方法來擴(kuò)展服務(wù)器帶寬，增加吞吐量，提高數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)又可以避免單點(diǎn)故障[6]。

將這三種技術(shù)綜合起來應(yīng)用于醫(yī)院信息化建設(shè)中，可以使醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的綜合處理能力大幅提升。

2.4 軟件平臺

在三種軟件平臺中LINUX可以在廉價(jià)系統(tǒng)上運(yùn)行，提供了UNIX的靈活性和強(qiáng)大功能。但LINUX系統(tǒng)可操作人數(shù)相對較少，在普通人群中通用性相對較低；Solaris 是 SUNSoft 公司的基于 UNIX 的多線程多用戶的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)在容錯(cuò)方面的實(shí)時(shí)性不是十分理想，而且通用性較低。所以選擇Windows系統(tǒng)。Windows Server支持了三種集群技術(shù)，分別是NLB、CLB與MSCS，NLB和MSCS已經(jīng)集成在Windows Server中，而CLB則需要購買Application Center。

三種集群技術(shù)的用途如下：

2.4.1 NLB，提供以TCP/IP為基礎(chǔ)的服務(wù)與應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載均衡，用于提升操作系統(tǒng)的可用性和延展性。常見的應(yīng)用有終端服務(wù)（terminal service）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（web service）與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（web application）等。

NLB是通過一個(gè)虛擬的IP提供對外服務(wù)。當(dāng)收到請求時(shí)，NLB會(huì)隨機(jī)決定由哪一臺服務(wù)器來處理這個(gè)請求。

2.4.2 CLB，提供使用COM+組件的中介層應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡，用于提升系統(tǒng)的可用性和延展性[7]。CLB會(huì)依據(jù)目前的工作負(fù)載來決定由誰來處理服務(wù)請求。

2.4.3 MSCS，提供后端服務(wù)與應(yīng)用程序的容錯(cuò)移轉(zhuǎn)（failover），用來提升系統(tǒng)的可用性。常見的應(yīng)用有SQL Server與Exchange Server等。

MSCS是由client來決定由誰來處理服務(wù)請求，所有服務(wù)器共享一個(gè)share storage來儲(chǔ)存session狀態(tài)。當(dāng)主動(dòng)服務(wù)器出現(xiàn)問題不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，則繼續(xù)由被動(dòng)服務(wù)器接手。被動(dòng)服務(wù)器會(huì)從share storage取出session狀態(tài)，繼續(xù)未完成的工作，以達(dá)到容錯(cuò)移轉(zhuǎn)的目的。

3 集群系統(tǒng)設(shè)計(jì)

集群系統(tǒng)由三部分組成：（1）終端的存儲(chǔ)系統(tǒng)；（2）后端的MSCS主機(jī)集群；（3）前端的NLB服務(wù)器集群。

3.1 終端存儲(chǔ)系統(tǒng)

存儲(chǔ)系統(tǒng)采用雙存儲(chǔ)設(shè)備使用雙機(jī)熱備份技術(shù)，將兩組磁盤列陣進(jìn)行異地容災(zāi)備份設(shè)計(jì)，以保證網(wǎng)絡(luò)的24*365天無故障運(yùn)行[8]。

3.2 MSCS主機(jī)集群

將高可用性集群技術(shù)應(yīng)用于此，由一臺主服務(wù)器和一臺備用服務(wù)器組成，每臺機(jī)器均可以作為主服務(wù)器和備用服務(wù)器。用MSCS集群技術(shù)建立集群，當(dāng)某臺機(jī)器出現(xiàn)問題時(shí)MSCS的“心跳檢測功能”（Heartbeats）便會(huì)檢測出出現(xiàn)錯(cuò)誤的應(yīng)用軟件和服務(wù)器，自動(dòng)在備用服務(wù)器上重啟工作任務(wù)。每臺服務(wù)器均通過SCSI線連接到兩個(gè)磁盤列陣上。

集群管理員還可以通過使用MSCS上的“集群管理程序（Cluster administrator）”，完成各種各樣的集群管理任務(wù)。集群管理程序是一個(gè)圖形操控臺，管理員可以從兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中的任意一個(gè)上，或者從運(yùn)行Windows Server 20xx或Workstation的另一臺計(jì)算機(jī)上為每個(gè)應(yīng)用程序和設(shè)備編寫故障恢復(fù)策略，這樣服務(wù)器便可以進(jìn)行自動(dòng)管理。還可使用MSCS上的圖形化設(shè)置為每個(gè)應(yīng)用程序和設(shè)備編寫故障恢復(fù)策略，使服務(wù)器在操作系統(tǒng)級對所有資源進(jìn)行自動(dòng)管理[9]。

3.3 NLB集群

現(xiàn)有的各系統(tǒng)服務(wù)器均可作為NLB集群中的服務(wù)器，每個(gè)服務(wù)器均需安裝兩張網(wǎng)卡，一張用于連接局域網(wǎng)為用戶提供服務(wù)，一張用于連接專供NLB集群的交換機(jī)負(fù)責(zé)檢測及負(fù)載分配。這樣一來即使NLB集群中任何一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障無法使用，用戶均不會(huì)受到影響可以通過其他服務(wù)器繼續(xù)工作任務(wù)。

結(jié)束語

為了滿足醫(yī)院大數(shù)據(jù)量，強(qiáng)實(shí)時(shí)性及24*365天的全天候不間斷的要求，在醫(yī)院信息系統(tǒng)不斷擴(kuò)大的情況下，技術(shù)及設(shè)備的升級已經(jīng)成為必要。一個(gè)好的網(wǎng)絡(luò)平臺，才能使醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)信息工作得以更有效的開展。計(jì)算機(jī)集群技術(shù)還可應(yīng)用于很多領(lǐng)域如：分布計(jì)算、集中管理等。大型綜合醫(yī)院多是集醫(yī)，教，科研等多方面為一體的醫(yī)院，目前PC機(jī)的價(jià)格在不斷下降，CPU性能在不斷提升計(jì)算機(jī)集群技術(shù)的服務(wù)器解決辦法可以使成本相對降低的情況下增強(qiáng)性能及穩(wěn)定性?！?/p>

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