基于虛擬化技術的醫院信息化平臺設計

吳艷君，于京杰，馬錫坤

南京軍區南京總醫院 信息科，江蘇 南京 210002

1 需求分析

我院信息系統日臻完善。除了醫院信息系統（HIS）、實驗室信息系統（LIS）、醫學影像存檔與通訊系統（PACS）、電子病歷系統（EMR）等臨床信息系統外，手術麻醉、手術示教、重癥監護、查房示教、合理用藥檢測、感染控制檢測以及全成本核算等輔助臨床和管理系統也逐步完善。伴隨著這些系統的建立和完善，急劇增加的服務器給醫院信息平臺管理帶來了一些不可避免的問題。

1.1 系統獨立 資源浪費

在信息系統平臺建設過程中，為了滿足醫院各種需要而添置的各種存儲系統，雖然發揮了各自的作用，但是無法得到整合和充分合理利用[1]。除此之外，部分業務系統服務器CPU及內存負載并不高，而硬盤資源負載很高；另一部分則可能是CPU資源負載過高，而其他資源負載很低。如此高投入、高能耗的服務器群，其中很多資源是被浪費、不能共享的，造成資源利用率低。

1.2 平臺復雜 管理難度大

我院目前信息平臺中的服務器品牌不同、型號不同，操作系統及數據庫也各不相同，無論是系統的搭建、測試環境的模擬或是管理都非常復雜。傳統模式下，搭建一套業務系統需經歷硬件采購、系統安裝、軟件調試及發布等幾個過程，而建立相應的測試環境則需重復該流程。隨著信息平臺中數據庫規模的增大和數量類型的增多，這種傳統方法不僅耗費硬件資源，而且搭建周期長，已經不能適應如今的信息系統迅速發展的需求。與此同時，相關設備的巡檢維護工作無論在量還是在難度上都成倍增長，特別是在進行機房整理維護時，由于涉及到的硬件設備種類復雜、數量龐大，簡單的維護工作也變得異常復雜，需兼顧所有設備情況，稍不注意可能會使多個系統受影響。

1.3 單點故障增多 系統安全性差

目前，我院應用核心的服務器、數據庫都已采用雙機模式，數據文件存放在存儲平臺上，通過mirror view鏡像軟件將數據實時同步備份。但其他業務系統則缺乏相應的雙機備份機制，如遇故障，各系統不可避免地會宕機。傳統模式下，將業務系統升級為雙機模式，除需配置與原服務器性能一致的設備外，還需為每個業務系統采購雙機軟件。不同系統架構雙機實現方式也各異，如將每個業務系統都按傳統模式升級為雙機模式，則需要投入的軟硬件成本及人力成本巨大。

1.4 能耗增大 運維成本高

我院機房建于2008年，建立之初，有冗余機柜位5個。僅5年時間，原設計的機柜位幾乎被占滿，而醫院各部門對信息系統的需求仍然在快速增加。硬件設備的急速增多使機房的總體能耗迅速增加，機房的溫濕度控制壓力也不斷加大。2臺精密空調原設計為主備輪流切換使用，正常情況下只有1臺設備工作。隨著設備規模擴大，這種雙機模式已經不能保證機房溫濕度的控制。為保證機房安全，已改為2臺空調同時工作模式，失去了冗余功能，使機房安全風險增加。與此同時，客戶端的數量也迅速增長，造成品牌多、年限跨度大，能耗累積量也增大。傳統模式下的客戶端維護需分別為每個客戶端進行硬件配備、系統軟件及應用軟件安裝，所有的文件數據也分別存放于各個PC機中。如果系統發生故障，則需重新安裝操作系統等軟件，并且有數據丟失的風險。無論是中心機房還是客戶端的運維成本都在增加。

綜上所述，傳統模式的醫院信息平臺已經從最初的促進醫療信息系統發展的沃土，變成了制約醫院數字化進程的瓶頸。如何轉變醫院信息化平臺架構已是刻不容緩的課題。

2 概要設計

本項目旨在利用虛擬化技術解決以上問題。在我院現有平臺基礎上，構建和利用虛擬化平臺，整合系統資源、提高資源利用率、降低設備能耗，提高各系統的安全性以及整體管理水平。

2.1 提高資源利用率

充分利用現有設備，建立標準化的資源池。將已有資源納入資源池，實現資源共享，對各業務系統按需動態分配硬件資源，提高資源利用率。

2.2 提高各系統安全性

利用虛擬化雙機技術，改變原有的單機模式，建立雙機系統，避免單點故障，提高系統整體安全性。

2.3 提高管理效率

利用虛擬化平臺技術，改變管理模式，主要涉及服務器管理、存儲設備管理以及客戶端管理等，以簡化管理模式、優化管理流程、降低運維成本來提高管理效率。

2.4 降低運維成本

利用虛擬化平臺資源共享特點，避免資源浪費，降低設備投入資本，減少設備能耗，提高投入收益比。

3 詳細設計

虛擬化是一個廣義的術語，在計算機方面通常是指計算元件在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行。虛擬化技術可以共享硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。CPU的虛擬化技術可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個平臺同時運行多個操作系統，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率[2]。虛擬化平臺主要包括服務器虛擬化、存儲虛擬化以及桌面虛擬化等。目前，國內多家醫院已經認識到信息系統劇增帶來的問題并開始探索虛擬化平臺的構建和應用，但由于各單位軟硬件基礎各不相同，因此該平臺的構建以及應用也必須根據實際情況，逐步推進。

3.1 服務器虛擬化

可以解釋為將服務器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺服務器變成幾臺甚至上百臺相互隔離的虛擬服務器，不再受限于物理上的界限，而是讓CPU、內存、磁盤、I/O等硬件變成可以動態管理的“資源池”，從而提高資源的利用率，簡化系統管理，實現服務器整合，使IT對業務的變化更具適應力。

3.2 存儲虛擬化

存儲虛擬化是按照一定的虛擬存儲體系結構，將不同的物理存儲設備（RAID、JBOD、磁帶庫等）通過不同的接口協議（SCSI、ISCSI、IFCP 等）整合成一個虛擬的存儲池，為用戶提供統一的數據服務，實現資源共享[3-5]。最通俗的理解就是對存儲硬件資源進行抽象化表現。存儲虛擬化的思想是將資源的邏輯映像與物理存儲分開，在物理存儲和服務器之間增加一個虛擬層，它管理和控制所有存儲，并對服務器提供存儲服務。對于用戶來說，虛擬化的存儲資源就像是一個巨大的“存儲池”，用戶不會看到具體的磁盤、磁帶，也不必關心自己的數據經過哪一條路徑通往哪一個具體的存儲設備。利用存儲虛擬化技術可以把許多零散的存儲資源整合起來，采取集中化管理，并可以按需把存儲資源動態地分配給各個應用，從而提高整體利用率，同時降低系統管理成本。

3.3 桌面虛擬化

將計算機的桌面進行虛擬化，以實現桌面使用的安全性和靈活性。用戶可以通過任何設備，在任何地點、任何時間訪問網絡上屬于個人的桌面系統。個人數據的運算和存儲都在數據中心進行，應用不受制于客戶端性能。桌面虛擬化的應用不僅提升了客戶端的應用體驗，更降低了客戶端的硬件成本和運維成本。

本項目以上述3種技術為基礎，構建新一代醫院信息平臺。

4 架構設計

該項目以現有架構為基礎，有計劃有步驟地實施。在更新信息平臺的同時，應充分考慮前臺應用程序的穩定性，保證數據安全。

4.1 硬件平臺搭建

目前，我院已采購2臺高性能PC服務器，用于搭建服務器“資源池”。按計劃會增購2臺HP刀片服務器加入該集群，由于我院的HIS、門急診以及PACS數據都已存儲在EMC設備中，因此我們仍增購EMC存儲設備，將原有存儲和新購存儲統一建成“存儲池”。我院虛擬化平臺具體架構，見圖1。

圖1 我院虛擬化平臺架構圖

4.2 軟件平臺搭建

目前，業界較為流行的虛擬化產品主要包括VMware 的vSphere、Citrix的XenServer、微軟Windows Server 2008Hype r-V和甲骨文的Oracle VM[6]。基于我院的實際情況，我們選擇了VMware軟件。該軟件適用于任何虛擬計算機環境，能提供完全動態的資源控制，適合各種要求嚴格的應用程序，同時可以實現服務器部署整合。我院已利用VMware軟件，將2臺高配置的PC服務器，構建成一套高效、可靠的虛擬化集群平臺，目前運行于該平臺上的應用系統主要有財務系統、新版電子病歷系統等。

5 討論

通過利用虛擬化技術搭建新一代的醫院信息平臺，可以解決如下問題：

（1）整合資源，提高資源利用率。利用服務器及存儲虛擬化技術，將所有硬件資源進行整合，構建“計算池”和“虛擬池”。基于裸設備的虛擬化軟件將服務器虛擬化，即把物理服務器的資源抽象成邏輯資源，構建虛擬計算池，進而把服務器虛擬成多臺相互隔離的虛擬服務器即虛擬機。每個虛擬機就像一臺獨立運行的服務器，有自己的一套虛擬硬件，實現與物理硬件的分離，可以運行相同或不同類型的操作系統。虛擬機可根據應用負載情況動態調整計算資源，并可在不同物理服務器之間動態漂移，以達到資源利用最大化和無宕機服務器維修的目的。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，將多種或多個物理存儲設備映射到一個單一邏輯資源池中，構建虛擬存儲池。虛擬存儲池支持多種存儲協議，可以將現有各類存儲設備都納入整體資源池，節約成本。存儲池資源可以實現磁盤容量的按需配置、動態擴展，從而提高空間利用率、降低硬件投入成本、提高數據備份效率。

可見，利用服務器虛擬化及存儲虛擬化技術，可以避免硬件資源浪費，提高設備利用率。同時也保證了部分負擔較重的系統能更有效地利用資源。

（2）使核心業務數據存儲方式規范化。我們已將HIS、LIS、電子病歷系統（EMR）等核心應用系統的數據從PC服務器遷移至存儲設備中，并且通過mirror view軟件從主存儲設備同步復制到備用存儲設備，進行數據鏡像保護，為下一步建立整體的虛擬存儲池打下良好基礎。

（3）提升系統可靠性、數據安全性。因為虛擬機沒有和底層硬件綁定，所以能夠在不干預用戶的情況下移動虛擬機。因此，服務器的升級和維護操作都不需要中斷應用程序。如系統故障時，利用自動遷移虛擬機可保證應用程序不中斷。數據庫的生產數據及備份數據存儲在虛擬化存儲平臺中，可以利用平臺自身的備份機制進行備份，更安全高效。

（4）促進系統管理水平發展，優化客戶端應用體驗。利用虛擬化技術簡化了管理流程，包括服務器及客戶端管理。系統管理員不必再逐一配置和管理服務器，而是利用虛擬化平臺的高級工具實現工作負載平衡、容量規劃；虛擬機實時自動化部署，從而提高管理效率。利用桌面虛擬化技術，在服務器上構建虛擬桌面池，提供給用戶使用，使得用戶采用不同類型的終端設備就像使用傳統桌面系統一樣，并可將桌面應用靈活擴展至移動應用。

結合服務器虛擬化與應用虛擬化，實現虛擬桌面與應用軟件的無縫集成、動態發布與高效管理。這種模式使服務器以及客戶端的維護工作更加方便快速，給使用者帶來了前所未有的全新體驗。

（5）降低能耗和成本投入，建設綠色醫院信息平臺。在虛擬化平臺上，可以在一個虛擬機中創建多臺新服務器，并可對每臺服務器動態分配硬件資源。利用此技術可以避免無限量地購置各種類型、各種配置的服務器，減少了成本投入，節省了機房空間，同時還降低了機房能耗。與此同時，瘦終端相比普通PC機，能耗更低、更環保。普通PC機功率約200 W，瘦終端約70 W，以1000臺終端每天工作8 h為例，用瘦終端取代普通PC機可以在1年內節約幾十萬元電費。在當今環境加速惡化的情況下，虛擬化平臺的建立，為節能減排、建設綠色信息平臺奠定了堅實的基礎。

[1]馬錫坤,于京杰,楊國斌.存儲虛擬化技術在醫院信息系統平臺中的作用[J].中國醫療設備,2011,26(10):39-40.

[2]張景云,蔣念平,付東翔.云計算的發展與應用[J].微計算機信息,2012,28 (1):99-100.

[3]李樹全,吳躍,陳志飛.SAN存儲虛擬化研究[J].微電子學與計算機,2009,26(1):39-41.

[4]楊宗博,郭玉東.提高存儲資源利用率的存儲虛擬化技術研究[J].計算機工程與設計,2008,29(12):3224-3226.

[5]張國喜.虛擬化存儲在圖書館數字化建設中的應用[J].情報探索,2009,(10):100-102.

[6]潘欣.服務器虛擬化技術在醫院信息系統中的應用[J].中國衛生產業,2013,(1):184-185.

[7]趙君,孫宏國,郝雁罡,等.利用虛擬化技術整合醫院信息系統平臺[J].中國病案,2011,(12):49-50.