基于多資源池的醫(yī)療數(shù)據(jù)中心建設(shè)實(shí)踐

高彭彭

摘? 要： 為了構(gòu)建高效運(yùn)行、架構(gòu)合理且安全的醫(yī)療數(shù)據(jù)中心，提出采用超融合架構(gòu)集群，科學(xué)評(píng)估集群計(jì)算存儲(chǔ)資源，實(shí)現(xiàn)高度虛擬化、基于軟件定義的數(shù)據(jù)中心設(shè)施。不同于傳統(tǒng)的邏輯資源劃分，文章按照功能和區(qū)域?qū)?shù)據(jù)中心劃分為內(nèi)網(wǎng)計(jì)算存儲(chǔ)資源池、外網(wǎng)應(yīng)用資源池、桌面云資源池、安全資源池和容災(zāi)備份資源池共五大資源池，多資源池醫(yī)療數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，有效地提升了全院業(yè)務(wù)系統(tǒng)的性能，保障了醫(yī)院業(yè)務(wù)的安全性和連續(xù)性。

關(guān)鍵詞： 多資源池; 數(shù)據(jù)中心; 資源需求; 超融合

中圖分類號(hào)：R197.3;TP391.7? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2021）12-131-04

Abstract： In order to build a medical data center of efficient operation， well constructed and secure， it is proposed to adopt Hyper Converged Infrastructure cluster， by scientifically evaluating the resources of cluster computing and storage， realize the highly virtualized and software-defined data center facilities. Different from the traditional logical resource division， this paper divides the data center into five resource pools in accordance with functions and regions： intranet computing storage resource pool， extranet application resource pool， desktop cloud resource pool， security resource pool and disaster recovery backup resource pool. The construction of the medical data center with multi-resource pool effectively improves the performance of the business system of the whole hospital， and ensures the safety and continuity of hospital business.

Key words： multi-resource pool; data center; resource demand; hyper-convergence

0 引言

隨著“5G+”、“互聯(lián)網(wǎng)+健康醫(yī)療”、智慧醫(yī)療等技術(shù)的不斷發(fā)展融合，醫(yī)院各項(xiàng)業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行對(duì)信息系統(tǒng)的依賴程度也越來(lái)越高。通過信息化手段進(jìn)一步提高系統(tǒng)可用性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排[1]，有效降低中心運(yùn)營(yíng)成本，建設(shè)無(wú)單點(diǎn)故障和瓶頸、“永遠(yuǎn)在線”、可靈活擴(kuò)展的醫(yī)療數(shù)據(jù)中心是所有醫(yī)院管理者的努力目標(biāo)和方向。

1 概述

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，醫(yī)院信息化經(jīng)歷了以財(cái)務(wù)收費(fèi)為核心的醫(yī)院管理信息化階段、以臨床業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)為支撐的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)階段和目前以建設(shè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、臨床數(shù)據(jù)中心（CDR）、醫(yī)院信息平臺(tái)的互聯(lián)互通導(dǎo)向階段[2]。以數(shù)據(jù)科學(xué)為核心，整合資源服務(wù)臨床、科研和決策過程，提高醫(yī)院的科學(xué)化、規(guī)范化及精細(xì)化水平，正在成為當(dāng)前醫(yī)院信息化發(fā)展的重要方向。

某醫(yī)院是當(dāng)?shù)刈畲蟮姆菭I(yíng)利綜合醫(yī)院，從2010年開始信息化建設(shè)。目前全院信息系統(tǒng)包含HIS、LIS、EMR、OA、PEIS、HRP、院感等在內(nèi)共25個(gè)系統(tǒng)、75個(gè)子模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)主要有Oracle、SQL Server、MySQL、DB2等，月新增數(shù)據(jù)容量≥1T，目前總?cè)萘繛?1TB。終端硬件超過500個(gè)，服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備近40臺(tái)。因?yàn)榍捌谛畔⒒幱诜稚⑼度搿⒎峙ㄔO(shè)模式，導(dǎo)致硬件品牌有14個(gè)，其中存儲(chǔ)品牌4個(gè)，安全設(shè)備品牌6個(gè)，服務(wù)器品牌5個(gè)。核心業(yè)務(wù)通過VMware存儲(chǔ)雙活技術(shù)進(jìn)行冗余，通過Oracle RAC和DataGuard技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的負(fù)載均衡和容災(zāi)備份。

2 醫(yī)院數(shù)據(jù)中心建設(shè)需求和目標(biāo)

隨著國(guó)家強(qiáng)基層戰(zhàn)略和分級(jí)診療政策的不斷深入，醫(yī)院新技術(shù)新業(yè)務(wù)的應(yīng)用與開展，該院為進(jìn)一步滿足轄區(qū)內(nèi)城鄉(xiāng)居民的就醫(yī)需求，分別新購(gòu)MRI、CT、DR、彩超、電子胃腸鏡和腹腔鏡等多臺(tái)設(shè)備，日數(shù)據(jù)增長(zhǎng)量呈爆炸式增長(zhǎng)。智慧病區(qū)、移動(dòng)護(hù)理、移動(dòng)查房、質(zhì)控系統(tǒng)、院感平臺(tái)等業(yè)務(wù)模塊的緊密上線，也對(duì)計(jì)算存儲(chǔ)資源需求呈指數(shù)增長(zhǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)展性提出了極大的挑戰(zhàn)。

基于以上，醫(yī)院計(jì)劃新建以持續(xù)發(fā)展的臨床業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展為特征，結(jié)合分布式存儲(chǔ)和虛擬化云安全的基礎(chǔ)屬性，打造具有前瞻性和未來(lái)云化升級(jí)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)。

建設(shè)目標(biāo)：①無(wú)單點(diǎn)故障和無(wú)單點(diǎn)瓶頸;②“永遠(yuǎn)在線”的業(yè)務(wù)系統(tǒng);③跨軟/硬組建的深度分析能力;④中心資源全面軟件定義;④運(yùn)維管理方便快捷。

3 多資源池化數(shù)據(jù)中心建設(shè)實(shí)踐

3.1 醫(yī)院數(shù)據(jù)中心架構(gòu)選型

傳統(tǒng)醫(yī)院信息技術(shù)發(fā)展路線正逐漸從物理部署方式向云化轉(zhuǎn)型，其實(shí)施路徑大致上分為物理部署、虛擬化、云化（資源整合）與全面云化（業(yè)務(wù)敏捷）這個(gè)過程。本次數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目建設(shè)是醫(yī)院數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵工程，將現(xiàn)有的虛擬化煙囪整合為資源池，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、共享使用，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)，為以后基于業(yè)務(wù)敏捷的云化架構(gòu)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

超融合架構(gòu)技術(shù)是在一個(gè)設(shè)備單元內(nèi)同時(shí)具有云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等資源，結(jié)合虛擬化技術(shù)，包括SSD緩存加速、重復(fù)數(shù)據(jù)消除、數(shù)據(jù)壓縮[3]、多副本存儲(chǔ)保證等業(yè)務(wù)連續(xù)性的一系列元素，最終形成一個(gè)統(tǒng)一的資源池型框架。超融合架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心中承擔(dān)著計(jì)算資源池和分布式存儲(chǔ)資源池的作用[4]，極大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)，同時(shí)以軟件定義和多副本存儲(chǔ)方式，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)無(wú)單點(diǎn)故障、無(wú)單點(diǎn)瓶頸，具備隨時(shí)分配、隨時(shí)擴(kuò)展、性能線性增長(zhǎng)的能力。

3.2 建設(shè)案例概述

3.2.1 超融合集群規(guī)劃原則

超融合整體架構(gòu)如圖1所示，其集群規(guī)劃原則如下：

⑴ 同一個(gè)集群盡可能使用同類型服務(wù)器，硬件資源盡可能相同，尤其是CPU型號(hào);

⑵ 規(guī)劃集群規(guī)模考慮資源冗余，CPU、內(nèi)存和存儲(chǔ)資源需額外規(guī)劃10%-20%的資源;

⑶ 考慮到資源冗余和集群高可用性，單集群的節(jié)點(diǎn)數(shù)量要求最少四臺(tái)。

3.2.2 虛擬機(jī)計(jì)算資源需求計(jì)算

按照醫(yī)院未來(lái)業(yè)務(wù)發(fā)展，在不考慮圖形資源消耗處理的情況下，非核心業(yè)務(wù)平均每個(gè)虛擬機(jī)需要資源為：四個(gè)vCPU，32GB 內(nèi)存，則25個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要100個(gè)vCPU和800GB內(nèi)存資源。核心業(yè)務(wù)EMR和HIS，需要至少一臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器和兩臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器做負(fù)載，每臺(tái)服務(wù)器規(guī)劃計(jì)算資源16vCPU和64GB內(nèi)存，因此按照現(xiàn)有業(yè)務(wù)計(jì)算共需148vCPU和1T內(nèi)存。

考慮10%-20%的冗余度，本項(xiàng)目超融合平臺(tái)最佳配置為192vCPU，2304GB 內(nèi)存，考慮冗余節(jié)點(diǎn)，實(shí)際超融合平臺(tái)單節(jié)點(diǎn)配置CPU 48核，內(nèi)存576GB，五臺(tái)服務(wù)器做超融合集群。

3.2.3 虛擬機(jī)存儲(chǔ)資源需求計(jì)算

虛擬機(jī)硬盤需求總量=vDISK*每個(gè)虛擬機(jī)需求數(shù)量，按照40個(gè)虛擬機(jī)設(shè)計(jì)，平均每個(gè)虛擬機(jī)規(guī)劃需要800GB硬盤，則需要32TB。

結(jié)合超融合vSAN虛擬存儲(chǔ)多副本設(shè)計(jì)原則，則整個(gè)超融合平臺(tái)磁盤需要裸容量64TB。按照20%冗余度設(shè)計(jì)，需要至少配置76TB總硬盤容量（5個(gè)節(jié)點(diǎn)），平均到每個(gè)節(jié)點(diǎn)則配置為19TB（8塊2.4TB SAS硬盤）。

超融合平臺(tái)采用5節(jié)點(diǎn)組成超融合集群，為醫(yī)院全院信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)提供高性能的計(jì)算、存儲(chǔ)資源，并滿足業(yè)務(wù)連續(xù)性和高可用要求。

3.2.4 網(wǎng)絡(luò)資源需求計(jì)算

網(wǎng)絡(luò)資源在規(guī)劃時(shí)充分考慮未來(lái)云化架構(gòu)的擴(kuò)展性，利用虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)維。在本次項(xiàng)目中，內(nèi)網(wǎng)核心交換機(jī)是兩臺(tái)華為CloudEngine 16804，通過40GE光纖鏈路聚合提高核心層的網(wǎng)絡(luò)可用性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用VxLan和SDN技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)的控制層和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層相分離，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的快速部署和流量監(jiān)測(cè)的可視化，可以第一時(shí)間定位故障點(diǎn)的同時(shí)，虛擬端口組技術(shù)也有效提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

3.3 基于多資源池?cái)?shù)據(jù)中心規(guī)劃

與傳統(tǒng)的按照各類基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行邏輯資源池的劃分不同，基于多資源池?cái)?shù)據(jù)中心規(guī)劃如圖2所示，以業(yè)務(wù)和區(qū)域職能將數(shù)據(jù)中心劃分為內(nèi)網(wǎng)計(jì)算存儲(chǔ)資源池、外網(wǎng)應(yīng)用資源池、桌面云資源池、安全資源池和容災(zāi)備份資源池共五大資源池，形成一個(gè)綠色、高效、一體化的醫(yī)院數(shù)據(jù)中心整體架構(gòu)。

3.3.1 內(nèi)網(wǎng)計(jì)算存儲(chǔ)資源池

承載內(nèi)網(wǎng)核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，采用5臺(tái)x86物理服務(wù)器，每臺(tái)2顆24核CPU、576G內(nèi)存和23TB存儲(chǔ)（含3.84TB SSD固態(tài)硬盤做緩存盤，19.2TB SAS硬盤做容量盤）。內(nèi)網(wǎng)計(jì)算存儲(chǔ)資源池可創(chuàng)建虛擬機(jī)40-50臺(tái)，存儲(chǔ)均采用多副本和分布式技術(shù)，有效保證高峰時(shí)訪問并發(fā)量和業(yè)務(wù)連續(xù)性。即使其中某一臺(tái)物理服務(wù)器出現(xiàn)故障，超融合架構(gòu)會(huì)通過VMotion功能自動(dòng)將應(yīng)用漂移至其他服務(wù)器，在整個(gè)過程中，業(yè)務(wù)不會(huì)中斷，終端用戶幾乎沒有感知。

3.3.2 外網(wǎng)應(yīng)用資源池

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+健康醫(yī)療”、智慧醫(yī)院建設(shè)和移動(dòng)支付等便民惠民舉措的不斷推進(jìn)，大量?jī)?nèi)部應(yīng)用系統(tǒng)需要對(duì)外和互聯(lián)網(wǎng)側(cè)作數(shù)據(jù)交互。為保障醫(yī)療數(shù)據(jù)安全，通常使用網(wǎng)閘做區(qū)域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的安全隔離。在互聯(lián)互通需求日益增多的當(dāng)前，傳統(tǒng)購(gòu)置物理服務(wù)器做前置的方式一方面無(wú)法滿足靈活擴(kuò)展和應(yīng)用冗余，另一方面隨著前置服務(wù)器規(guī)模的擴(kuò)大，不僅資源浪費(fèi)，維護(hù)和管理也越來(lái)越困難。

本次項(xiàng)目建設(shè)在互聯(lián)網(wǎng)側(cè)采用4節(jié)點(diǎn)超融合平臺(tái)，統(tǒng)一外網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，綜合前置服務(wù)器對(duì)計(jì)算存儲(chǔ)資源性能要求不高的特點(diǎn)，采取利舊升級(jí)方式，改造目前在用服務(wù)器，形成外網(wǎng)應(yīng)用的虛擬集群化管理，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器資源的整合。

3.3.3 桌面云資源池

桌面云目前主要分RDV、IDV和VDI三種，不同的架構(gòu)模型有各自的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場(chǎng)景。桌面云技術(shù)將硬件虛擬化和桌面化，達(dá)到按需分配、集中管理的效果和模式。結(jié)合醫(yī)療行業(yè)背景，在本次項(xiàng)目中選擇VDI平臺(tái)構(gòu)建一站式桌面云資源池。采用兩臺(tái)高性能服務(wù)器，組建總?cè)萘窟_(dá)80核、512G內(nèi)存的主備桌面云資源池。在醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)環(huán)境內(nèi)，使用ARM架構(gòu)下的瘦終端，接入桌面云系統(tǒng)，獲得與傳統(tǒng)PC一致的使用體驗(yàn)，不同科室不同業(yè)務(wù)部門靈活地分配資源配置，實(shí)現(xiàn)終端高可用和高可靠性[5]。

3.3.4 安全資源池

安全資源池基于軟件定義技術(shù)將數(shù)據(jù)中心架構(gòu)所需要的各項(xiàng)安全能力統(tǒng)一集成到通用的硬件資源設(shè)施中。摒棄傳統(tǒng)的物理安全設(shè)備堆疊，采用虛擬安全資源池的方式，實(shí)現(xiàn)包括訪問控制、IPS入侵防御、WAF防護(hù)、網(wǎng)頁(yè)防篡改、安全審計(jì)、漏洞掃描等在內(nèi)的各類安全組件。靈活配置、按需開啟，有效提升基礎(chǔ)資源利用率。在近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外信息安全事件層出不窮的大背景下，虛擬安全資源池升級(jí)與擴(kuò)展也具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，有效的簡(jiǎn)化運(yùn)維和提高安全管理效率，完成安全配置的自動(dòng)化部署和統(tǒng)一管理。

3.3.5 容災(zāi)備份資源池

由于醫(yī)院業(yè)務(wù)的特殊性，任何人為或自然因素所導(dǎo)致的應(yīng)用或系統(tǒng)中斷、丟失，都會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[6]，因此一套完整的容災(zāi)備份體系是醫(yī)院信息化建設(shè)中需要重點(diǎn)考慮和規(guī)劃的。本次項(xiàng)目在本院區(qū)結(jié)合Oracle RAC和DataGuard等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)快速切換和災(zāi)難性恢復(fù)，同時(shí)本地與云端的雙活主備機(jī)制，將數(shù)據(jù)中心和云端業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)同步并實(shí)現(xiàn)秒級(jí)切換。在本地機(jī)房出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或?yàn)?zāi)難性服務(wù)故障時(shí)，終端用戶訪問自動(dòng)切換至云端，整個(gè)過程無(wú)需人工操作，業(yè)務(wù)不受任何影響。云端災(zāi)備資源池通過萬(wàn)兆光纖專線和本地?cái)?shù)據(jù)中心直連，PRO和RTO趨向于零，支持任意時(shí)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)回退，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)、應(yīng)用等整體容災(zāi)備份。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于多資源池的醫(yī)療數(shù)據(jù)中心建設(shè)可以極大的滿足醫(yī)院在目前“互聯(lián)網(wǎng)+健康醫(yī)療”、移動(dòng)醫(yī)療和網(wǎng)絡(luò)安全的發(fā)展需要，是傳統(tǒng)醫(yī)療行業(yè)在未來(lái)信息化建設(shè)發(fā)展中的有效嘗試和實(shí)踐，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用部署敏捷化、運(yùn)維自動(dòng)化和統(tǒng)一管理的要求，有效提升全院業(yè)務(wù)系統(tǒng)性能，保障了醫(yī)院的業(yè)務(wù)連續(xù)性和穩(wěn)定性。

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