應用虛擬化技術搭建高可用性醫院數據中心

陳昱宇 柯建平

（泉州市兒童醫院，福建 泉州 36200）

醫療行業的信息化經過逐年發展，信息系統在醫院的覆蓋范圍越來越全面，醫院整體業務對信息系統的依賴程度越來越高。信息化已經普及到醫院的每項業務和每個員工。如何利用先進的信息化手段來完善信息管理，提高服務器利用率，保證業務連續性、減少中心機房能耗，是當前一個備受關注的話題。本文以泉州市兒童醫院數據中心虛擬化項目方案為例，對醫院采用服務器虛擬化與存儲虛擬化的應用做進一步研究。

1 現狀分析和存在問題

醫院現有的信息系統主要包括醫院信息系統HIS、電子病歷（EMR）、影像歸檔和通信系統PACS、放射信息系統RIS、檢驗信息系統LIS、手術麻醉系統、供應消毒系統、辦公自動化系統OA。在醫院的數據中心建設中，傳統建設模型是“煙囪式”的：醫院每上線一個業務系統，都需要為其配置獨立的服務器、存儲、網絡和安全等基礎設施。該建設模式存在如下缺點：業務連續性差：除部分核心業務系統配備雙機集群外，大多數應用系統都由一臺服務器單獨提供服務，一旦發生系統故障、硬件失效或計劃內停機維護，都會導致業務中斷；資源利用率低：多數服務器上都只運行一個應用，經長期觀察CPU平均利用率不足5%，內存平均利用率不足10%；運維成本高：例如將來增加20個應用系統那么整個數據中心就至少需要增加20臺服務器，如果有核心系統還得建立獨立的服務器集群并配置相應的存儲系統，造成硬件資源極大的浪費；應用部署周期長：每次部署一個新應用，都需要采購合適的服務器、安裝操作系統、安裝中間件、配置、測試等等。因此，迫切的需要一種全新的思路，搭建一個可持續擴容的高可用數據中心平臺，從而更好地為醫院信息化服務。

圖1 泉州兒童醫院原有服務器使用情況

2 虛擬化技術簡介

所謂虛擬化就是資源的邏輯表示，其不受物理限制的約束[1]。在虛擬化技術中，被虛擬的實體是各種各樣的IT資源。本文的討論所使用到的虛擬化技術主要有以下兩種。

2.1 服務器虛擬化

服務器虛擬化將系統虛擬化技術應用于服務器上，使得多個虛擬服務器運行在單一物理服務器上。服務器虛擬化為虛擬服務器提供了能夠使機器運行的硬件資源。該技術具有：多實例，隔離性，封裝性即物理設備無關性，高性能等特性。基于以上特性，所構建出的每一個虛擬服務器實例都有一套獨享的虛擬硬件，通過采用虛擬化的輔助技術P2V（Physical to Virtual）將原有操作系統、應用程序和數據從物理服務器的運行環境遷移到虛擬環境中，服務器實例科根據應用負載情況靈活調整硬件資源，通過實時遷移技術將虛擬服務器實例在物理服務器之間快速遷移，實現真正意義上的服務器維護零停機。

2.2 存儲虛擬化

通過存儲虛擬化，將實際的物理存儲實體與存儲的邏輯表示分離，通過建立一個虛擬抽象層，將多個同構或異構的物理存儲設備映射到一個單一的邏輯資源池中，構建虛擬存儲池[2]。服務器可隨意使用虛擬存儲空間而不需關注底層物理設備的類型和特性形成統一高可用存儲。引入存儲虛擬化技術的優勢：實現集中統一的存儲資源池，提高存儲資源的利用率；實現資源共享、按需分配的動態機制；控制災難恢復的總成本；獲得快速的部署、遷移及恢復的能力。

3 方案設計

圖2 虛擬化高可用性醫院數據中心拓撲圖

本方案需實現雙活虛擬化數據中心解決方案。采用存儲虛擬化層設備能夠打破數據中心間的物理壁壘，提供兩個站點間對同一數據副本的共享、訪問及在線移動的能力，結合服務器虛擬化技術及三層核心交換機網絡擴展技術，能夠實現業務及數據在站點間的透明在線移動，使用戶能夠在兩個站點間動態平衡業務負載，最大限度利用資源，并提供接近于零RPO（Recovery Point Objective）和零 RTO（Recovery Time Objective）的高可用能力，實現真正意義上的虛擬化基礎架構。

3.1 服務器虛擬化的實現

經過反復的測試、評估和論證，決定采用VMware虛擬化技術實現服務器層面虛擬化。為充分利用醫院原有硬件資源，保護固有信息化投資，決定利用原有1臺HP DL580G8服務器、3臺DELL R910服務器，把四臺服務器的內存擴展至128GB內存，每臺服務器上增加2塊的FC HBA卡。將四臺服務器分為兩組，分別安裝在主機房和容災機房。四臺服務器上安裝VWmare ESX，組成兩個虛擬服務器集群。建立多個虛擬服務器運行醫院各應用系統分別分布在兩個虛擬服務器集群內，如HIS、EMR、PACS、lis等等。使用Vmware DRS實現對資源的動態分配，創建優先策略，確保核心應用如HIS，優先獲得計算資源。當主機房或備用遇到停電UPS故障或火災等其他不可抗拒因素發生，當中一個虛擬機集群出現整體故障，另提一套虛擬機集群無縫接管，確保業務連續性。

為了對服務器虛擬架構進行有效的管理和監控，配置一臺獨立的Windows 2003服務器 （該服務器也可采用虛擬服務器）來做為 vSphere5套件中的 vCenter服務器，vCenter服務器為IT環境提供了集中化管理、操作自動化、資源優化和高可用性。基于虛擬化的分布式服務為數據中心提供了前所未有的響應能力、可維護性、效率、可擴展性和可靠性級別。

3.2 高可用虛擬存儲的實現

采用SAN集中存儲方式，將每個虛擬機的文件系統創建在共享的SAN集中存儲陣列上。由于原有HIS和PACS分別都有兩套鏡像的存儲系統，分別是兩套EMC CX4-240存儲系統，兩套日立HDS AMS2000存儲系統。為了降低中心機房建設總成本，將兩種異構的存儲系統虛擬成統一的鏡像卷，充分挖掘原有設備價值，決定采用EMC VPLEX技術。通過EMC VPLEX Metro提供分布式聯合提供醫院院區內兩個VPLEX集群之間的數據訪問和移動能力。一個統一視圖顯示跨VPLEX群集的一個或多個LUN，從而實現新的高可用性和工作負載移置模式。

存儲虛擬化設備可以對兩個磁盤陣系統柜進行鏡像，然后呈現給上層虛擬服務器使用。對于上層虛擬服務器來說，完全不需要轉換原有的使用模式，每一個IO寫入存儲虛擬化設備鏡像卷的時候，通過存儲虛擬化設備虛擬卷同時寫入兩個機房的磁盤陣列柜，保證兩套存儲上的數據完全一致，實現零RPO。而當兩個機房存儲設備中任意一套發生故障時，業務完全不受影響，不需要中斷和切換，仍然正常運行的存儲設備能夠完全支撐起全部業務應用。當故障存儲恢復后，存儲虛擬化設備會自動將數據進行鏡像同步，大大降低了人工維護成本。

4 項目效果

采用服務器虛擬化和存儲虛擬化技術構建出雙數據中心后，經嚴格測試，這套虛擬化基礎架構無任何單點故障，業務連續性得到有效保障。4臺4U的服務器替換了幾十臺共計占100U以上的空間的服務器，提高了中心機房空間利用率。中心機房能耗大大降低，達到設計目的。減少了維護人員的工作量，從維護幾十臺物理服務器到維護4-5臺服務器。部署新應用相較于傳統部署方式，該虛擬化平臺下部署新應用只需要根據應用負載需求簡單配置虛擬機后即可使用，縮短了部署周期，降低了部署成本。通過預先設置的優先策略，能在業務高峰期充分保證核心業務的計算資源，實現硬件資源的最優化配置。

5 結語

醫院的信息化環境復雜，應用繁瑣，傳統方式建設的數據中心已無法跟上醫院信息化飛速發展的步伐。虛擬化技術搭建高可用性醫院數據中心能有效突破傳統建設模式的種種瓶頸，隨著虛擬化技術的不斷發展完善，醫院業務應用在虛擬化平臺上進一步融合，相信醫院的全面信息化建設將更上一個臺階。

[1] 王慶波，金涬，何樂，趙陽等.虛擬化與云計算[M].電子工業出版社.

[2] 劉丹丹.虛擬化技術在構建醫院信息基礎架構中的應用[J].中國數字醫學，2013（5）：104.