虛擬化技術在醫院的應用分析

田宗梅

首都醫科大學附屬北京世紀壇醫院計算機中心，北京 100038

虛擬化技術在醫院的應用分析

田宗梅

首都醫科大學附屬北京世紀壇醫院計算機中心，北京 100038

本文以北京世紀壇醫院虛擬化技術應用實踐為基礎，分析了虛擬化技術在醫療行業中應用的特點及問題，構建了基于虛擬化的集中存儲、集中備份方案。

醫院信息系統；虛擬化；資源利用率

1 醫院應用虛擬化技術的必要性

1.1 醫院信息系統業務復雜

醫院信息系統（HIS）是企事業單位信息系統中最繁多、最復雜的系統之一。以我院為例，已建立HIS、醫學影像存儲與傳輸系統（PACS）、檢驗信息系統（LIS）、電子病歷（EMR）、血庫系統、病理系統、數據挖掘等30多個應用系統。多系統就需要多服務器與存儲的支持，大型醫院現在面臨的問題之一是眾多服務器與存儲管理和維護困難。

1.2 服務器資源使用率低下

據了解，很多三甲醫院的服務器，除HIS外大部分在業務高峰期的CPU使用率不足15%，內存使用率不足40%。也就是系統資源的60%以上處于閑置狀態，而通常使用傳統雙機熱備的冗余架構中還有1臺處于STAND BY的服務器，按2臺服務器來計算相當于服務器硬件資源的80%是閑置的，不能被充分利用。

1.3 高成本高風險問題

據CHIMA全國醫院調查2011～2012年度調查結果顯示醫院經費投入比例中62.86%是用于硬件的采購[1]。一方面大量服務器的部署維護需要高成本；另一方面多臺處于單機獨立運行的系統，一旦出現問題就面臨停機、操作系統數據庫重新安裝、數據丟失的風險加大。

2 虛擬化技術特點及在醫院部署要點

2.1 VMware服務器虛擬化技術特點

服務器虛擬化是將服務器物理資源抽象為邏輯資源，實現1臺服務器轉變為多臺相互隔離的虛擬服務器，從而簡化系統管理，提高資源利用率。以VMware公司的VSphere ESX/ESXi為例，VMware vSphere虛擬化操作系統可大幅度整合應用，降低物理服務器整體擁有成本[2-3]，只需15 min就可部署1臺虛擬服務器。虛擬化技術獨特的分層文件封裝技術使各個系統互不影響（表1），不會因1臺虛擬機感染病毒而使全部業務服務器受影響。VMware vCenter可集中管理VMware vSphere環境，可以提高IT管理員對虛擬環境的控制。在vCenter的管理下，可實現很多虛擬化功能，例如VMware VMotion，可以在不中斷用戶使用、不丟失服務的情況下在服務器間實時遷移虛擬機，VMware HA可以實現多臺物理服務器組成高可用群集，避免因物理服務器硬件故障帶來的服務中斷[4]。而這一切為服務器虛擬化應用的發展打下良好的基礎。

表1 虛擬化框架圖

2.2 醫院虛擬化環境部署中的要點

2.2.1 資源評估與業務匹配

服務器虛擬化技術的實現，對應用系統的IO性能等級、內存需求、可用性及存儲容量有著一定的要求，在進行服務器虛擬化之前，需要根據各系統的應用情況對軟件系統進行評估。虛擬機相對于IO性能要求高的應用程序而言，內存需求大的應用程序執行效率較低[5]，根據評估情況確定是否適合使用虛擬機及虛擬機資源分配。我院部分軟件系統的評估情況，見表2。

虛擬機內部的應用與數據庫系統備份一直存在有待提高的空間，特別是數據庫系統，目前的虛擬化備份多數僅局限在針對獨立虛擬機的備份，且不能實現數據變化后的增量備份，可能存在部分數據丟失的風險。而且同配置情況下，虛擬機的性能比物理機要低10%左右[6]。所以從以上角度考慮，服務器虛擬化并不適用于大型醫院業務數據交互頻繁、連續性要求高的HIS。

PACS的特點是生產多文件數據，PACS會產生大量的DICOM標準的文件，而在實踐中發現虛擬化應用在管理超過2T的多文件時就會出現一些問題，比如磁盤碎片增多，系統性能下降，備份易出現中斷等問題。我院每年PACS的數據量在3T以上，此時獨立出PACS將是非常有必要的。經過探索，我們設計出一種新的存儲架構，即服務器主機使用虛擬機，外掛物理存儲陣列的方式進行存儲，這樣可以有效解決多文件系統在虛擬機環境出現的上述問題。

2.2.2 存儲配置優化

虛擬化應用的前提需要有共享存儲陣列支持，新部署環境的存儲設備選擇可根據醫院內部業務系統資源消耗情況而定，對于部署I/O讀寫要求較高的信息系統，除了選擇高性能的存儲陣列以外，還可以對存儲內部的配置做進一步調整，例如：增大存儲控制器緩存，配置高速HBA卡，還可以采用高速硬盤，例如：SSD盤（Solid State Drive，固態硬盤）+SAS盤（Serial Attached SCSI）+NL-SAS盤（Near Line- Serial Attached SCSI）的組合模式。綜合考慮磁盤冗余和空間利用率，通常情況下根據存儲擴展柜的容量不同，采用15、16或20塊盤做1個RAID5為較優選擇，可減少硬盤故障帶來的風險。

2.2.3 網絡冗余配置

服務器配置時應添加多塊網卡用于解決網絡端口的冗余及帶寬問題[7]，因醫療應用環境復雜，在虛擬化部署時要提前考慮多個不同網段的應用規劃，例如：物理隔離內外網、專線交互等，通過構建虛擬化中的分布式交換機，為不同的網段提供服務。

2.2.4 存儲與備份方案設計

當虛擬化應用建設完成后，會出現多應用系統集中依賴1臺存儲設備的現象。雖然存儲設備一般都會有雙控制器做冗余，但基于業務應用的安全性考慮還是需要建設容災備份系統。備份軟件根據應用的數據庫特性選擇，如Golden Gate或VMware的SRM工具都可進行同步數據鏡像，實現數據的災備。其中，Golden Gate可支持ORACLE、DB2、SQL Server等數據庫的備份[8]，不受限于虛擬化應用環境；而SRM是專業的虛擬機應用備份軟件，也有很多性能優勢。

基于以上描述，構建了我院應用系統生產及備份環境方案，即核心應用系統采用IBM小型機做雙機熱備和異地災備，形成兩地三中心的數據災備方案，極大提高了系統的可用性。PACS生產環境獨立在虛擬機應用外，PACS數據庫備份服務器采用虛擬機，而影像文件數據備份在災備存儲系統獨立劃分的物理磁盤陣列中，而不使用虛擬機磁盤文件。機房結構，見圖1。

圖1 機房拓撲圖

表2 部分軟件系統的評估情況

3 虛擬化應用與管理

虛擬化部署完成后，日常的應用與管理維護工作也非常重要。主機具有自動冗余備份的功能，發生硬件故障往往不容易被發現，應定期主動巡檢硬件設備。VMware vCenter提供的管理平臺是日常維護的重要工具。首先，為方便日常的應用部署，應根據應用實際情況把常用的操作系統及數據庫做成虛擬機模板；其次，需要通過vCenter定期管理每臺物理機下運行的虛擬機數量，整個物理機的性能、配置、警報信息等；最后，每臺虛擬機的資源情況應定期查看，做好性能評估，避免資源不足造成效率低下。

4 總結

經過近1年時間對我院物理服務器和現有存儲設備的整合，把原有的24個應用系統成功遷移到6臺虛擬機中，提高了資源利用率[9]。往年單機運行服務器故障停機平均都在3次以上，而實施虛擬化應用1年以來未出現過單點故障停機，進一步證明了虛擬化可以提高IT系統的靈活性，達到醫療行業信息系統7×24 h業務連續性要求[10]。隨著虛擬化技術的發展，相信未來醫院選擇低成本、高可靠、可訂購、高容量、易管理的托管式云存儲模式將成為主流[11]。

服務器虛擬化應用對節能減排做出的貢獻非常重要，如使用6臺普通服務器做虛擬化，部署30個虛擬機，粗略計算每年至少可節省電費10萬元以上[12]。

虛擬化應用存在一定的局限性，針對業務連續性要求高的HIS與存儲容量要求高的PACS需要特別謹慎，否則可能出現效率低的情況。另外，個別系統使用USB外接物理密鑰的形式作為信息環境加密措施，當應用VMware虛擬化中的VMotion自動漂移功能時，由于物理原因的限制將會因找不到加密盤而出現無法使用的故障。

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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，管理學碩士，工程師，主要研究方向：醫院

信息系統開發與管理。

作者郵箱：sweetmail@126．com