基于虛擬化技術的醫院云計算數據中心構建與應用

唐龍凱 潘大釗 張 鑫

(解放軍第九八醫院信息科 湖州 313000)

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基于虛擬化技術的醫院云計算數據中心構建與應用

唐龍凱 潘大釗 張 鑫

(解放軍第九八醫院信息科 湖州 313000)

以解放軍第九八醫院為例，在分析目前醫院數據中心存在問題的基礎上，介紹基于VMware虛擬化技術的醫院云計算數據中心建設方案，闡述設計原則、總體架構、實施步驟及應用成效，指出云計算技術的應用將成為未來醫院數據中心建設與發展的方向。

數據中心；云計算；虛擬化；VMware；建設方案

1 引言

隨著電子病歷在我國的普遍應用，越來越多的醫療機構啟動了醫院數據中心建設項目，將分散的醫療數據集成、綜合化。通過建設數據中心，不僅能夠方便各級領導從眾多的數據中及時、方便地獲得有價值的信息，把握醫院經營管理動態，了解醫院管理需求，而且也便于各級專業人員快速、準確地進行醫院經營分析和預測，對促進醫院持續、健康發展有很強的現實意義和戰略意義。隨著信息化業務的飛速發展，醫院信息化建設不斷深入，傳統醫院數據中心存在的IT基礎設施投入成本高、利用率低，應用布置周期長，運維難度隨系統增加而增大，能源消耗大等一系列問題越來越突出。為解決上述問題，云計算應運而生。云計算是信息化建設的新理念、新技術、新模式[1]，基于虛擬化技術，通過整合計算資源，能夠建立一個高效的技術平臺，以支持業務需求，為醫院內部提供服務，同時降低運營成本和電力消耗，大大提高醫院IT基礎設施的利用率和應用系統的可靠性。本文以解放軍第九八醫院為例，在分析目前醫院數據中心現狀的基礎上，對云計算技術進行研究，提出基于虛擬化技術的醫院云計算數據中心建設方案。

2 醫院數據中心現狀分析

2.1 概述

目前，解放軍第九八醫院已經建成了較為完善的信息化管理體系，主要有醫院信息系統、醫學影像系統、電子病歷系統、辦公自動化等各類臨床應用與管理信息系統。這些系統都是由各自相對應的服務器組成，部署在醫院的數據中心[2]，其中核心系統一般為雙機環境，數據存儲在統一的共享磁盤陣列中，其他系統一般均為單機運行。這種傳統的應用系統與硬件資源捆綁模式已經不能適應目前數字化醫院建設與發展的需要。

2.2 服務器多，利用率較低

數據中心有服務器40余臺，分別運行著不同的業務系統，絕大部分服務器在絕大部分工作時間里，系統資源利用率都在10%以下。但是當某些應用系統在短時間內出現繁忙時，單臺服務器又無法承受資源緊張的壓力。而各業務系統之間的工作繁忙，時間也不是同時并發，因此服務器利用率和工作效率都很低。

2.3 單機運行，安全性較差

隨著應用系統數量的不斷增加，相對應的服務器數量也在不斷增加，除了醫院信息系統、影像存儲與傳輸系統等訪問量、數據流量大的核心業務系統外，其他系統都是采用單臺服務器獨立運行模式，一旦出現問題，相應業務活動將面臨全面癱瘓，安全隱患非常嚴重。

2.4 資源浪費，運維成本較高

為保證醫院應用系統的高可用性，一些服務級別要求較高的應用系統都是采用購置冗余服務器的方法，利用專業的數據同步軟件，通過實時或定時備份與恢復模式來實現信息系統的安全運行，不僅增加了系統管理員的維護工作量，而且大約一半的服務器系統資源被閑置或浪費，能耗問題、維護成本、冷卻費用也會成倍增加。

2.5 業務靈活性差，上線周期較長

根據業務應用的范圍不同，各個應用系統分布在不同的地方，各自為政，數據不能共享，某些應用系統硬件環境也無法滿足正常運行的要求，不能靈活地相互調整資源以及相互切換；同時在新業務系統上線時，需要完成大量重復的工作，如服務器系統部署以及運行參數配置等，項目實施周期長。

3 云計算技術簡介

3.1 含義

云計算是隨處理器、虛擬化、分布式存儲、寬帶互聯網和自動化管理技術的發展而產生的，其將計算任務分布在大量的資源池上，使各種應用系統能夠通過網絡根據需要獲取計算力、存儲空間和各種軟件服務[3]。所謂“云”即指提供資源的網絡是能自我管理和維護的虛擬計算資源，“云”中的資源在使用者看來是可以無限擴展的，且可以隨時獲取、按需使用。云計算的出現打破了現有計算模式，已成為IT業一個新的發展趨勢。

3.2 實現基礎

信息平臺要實現云計算，虛擬化是一個重要基礎，這也是云計算技術最主要的特點。將各種IT資源要素進行虛擬化，放在云計算平臺中統一管理，把資源根據不同需求進行重新規劃以達到最大利用率。虛擬化技術已經被迅速應用于數據中心與其他設備上，正在從主流的服務器虛擬化、存儲虛擬化技術蔓延到IT應用的各個角落[4]。

3.3 構建方法

基于云計算的信息基礎平臺使用“池”的概念，通過虛擬化技術構建標準化的虛擬計算池、存儲池、網絡池、安全池等資源池，每個池均可實現動態的資源調整，以達到調度過程中充分利用資源的目的。而基于云計算的信息基礎平臺構建可分為資源整合、虛擬化、部署自動化3個階段性步驟[5]。

4 基于虛擬化技術的醫院云計算數據中心構建

4.1 設計原則

4.1.1 先進性 運用虛擬化技術，建立符合國際標準、開放、高性能、易管理的云計算平臺，滿足當前醫院所有應用系統改造建設的資源需求。

4.1.2 實用性 建立符合醫院當前業務要求和今后一段時期發展需要、具有現代化管理手段的信息平臺，實現所有應用系統資源整合和集中調度。

4.1.3 安全性 系統安全建設應同步實施，除了在多個層次上實現安全目標外，還需要建立完善的管理體系，保障醫院所有應用系統安全運行。

4.1.4 可擴展性 構建具有靈活擴展性的基礎架構平臺，通過統一的資源池方式，使搭建的基礎設施平臺仍然可以在未來相當長時間內繼續工作。

4.2 總體架構及產品選擇

4.2.1 總體架構 系統架構設計主要是在硬件設備層和基礎軟件層之間加入虛擬化層，建立基礎設施資源池[6]。通過虛擬化技術，將不適宜放在同一臺服務器中的應用整合到一臺物理服務器中；同時，為充分考慮云計算平臺的安全性和可操作性，在異地建立了一個災備云計算平臺，利用資源冗余性和地理分散性來保證醫院云計算數據中心對災難事件的抵御能力[7]。云計算數據中心建設拓撲結構，見圖1。

圖1 醫院云計算數據中心建設拓撲結構

4.2.2 產品選擇 為了評估現有架構能否達到預期的目標，分別研究了來自Microsoft、Citrix和VMware 3家主要公司的產品。最終根據以下標準，選擇了VMware：(1)產品在大型數據中心的成熟度。(2)解決方案的可升級特性。(3)通過VMware高級特性獲得高水平服務的可能性。(4)使用單個工具進行管理、虛擬化平臺監控和災難恢復計劃，在vCenter中集成站點恢復管理器。(5)健全的生態系統，具有許多選項(包括遷移工具、與備份工具的廣泛兼容性，以及報告工具)。(6)實施全局備份策略的能力。(7)原有的內部VMware技能[8]。

4.3 實施步驟

4.3.1 服務器虛擬化 采用4臺具有強大處理能力和高擴展性的雙路4核2.0GHz、128GB內存、兩塊千兆速率以太網卡的刀片服務器，按照云計算平臺搭建要求作為虛擬化宿主服務器，并且每臺宿主服務器上都安裝配置VMware 虛擬架構軟件vShpere 5.1。利用服務器的強大處理能力，生成多臺配置均為4個以上虛擬CPU和8GB以上內存的相互獨立的虛擬服務器，所有虛擬服務器共享宿主機的網絡資源。每一個虛擬服務器從功能、性能和操作方式上，都等同于傳統的單臺物理服務器，從而大大提高資源利用率，降低成本，增強系統和應用的可用性，提高系統擴展的靈活性和快速響應[9]。

4.3.2 數據集中存儲 為了實現數據的集中存儲、集中備份以及充分利用VMware虛擬架構中虛擬機可動態在線從一臺物理服務器遷移到另一臺物理服務器上的特性，配置一套光纖虛擬化存儲陣列，通過兩臺冗余光纖交換機，組成標準的SAN集中存儲架構，由VMware虛擬化架構生成出來的虛擬機的封裝文件都存放在SAN存儲陣列上。通過共享的SAN存儲架構，可以最大化地發揮虛擬架構的優勢[10]。利用虛擬機動態遷移、動態資源調度、快速存儲備份等技術可以實現在線虛擬服務器遷移、動態資源管理以及快照整合備份。

4.3.3 部署管理優化 在架構建立之后，為了能夠集中管理、統一部署以及實時監控所有虛擬機，實現自動化管理以及簡化資源調配過程，可以利用虛擬化平臺實現用戶業務系統的快速部署，在系統運行過程中進行資源的動態調整，從而實現系統的最優化運行[11]。目前，虛擬化平臺中的業務系統部署有兩種方式：一種是對于新建的業務系統，只需要創建一個新的虛擬服務器，把相關的業務系統部署在這臺虛擬服務器中；另一種是對于已經存在的業務系統，可以選擇P2V Coverter或PlateSpin Migrate作為遷移工具，實現物理服務器在線遷移到虛擬服務器中。

4.3.4 異地災備云 出于系統運行安全考慮，一般都會建設兩個(或多個)數據中心：一個是生產數據中心，用于承擔用戶的實時業務；一個是災備數據中心，用于備份生產數據中心的數據、配置以及業務等[12]。利用兩臺雙核2.4GHz、64GB內存、兩塊千兆速率以太網卡的機架式服務器、1臺光纖交換機以及1臺磁盤陣列在異地數據中心搭建災備云計算平臺。通過使用VMware vCenter Server的擴展技術VMware vSphere Replication(VR)，實現了基于管理程序的復制，替代基于傳統存儲的復制模式，不僅可以支持虛擬機的復制和恢復，而且可用于避免部分或整個站點故障。VMware vSphere Replication(VR)模式，見圖2。

圖2 基于VMware vSphere的數據復制模式(VR)

5 應用效果

5.1 提高用戶并行處理能力和擴展性

用戶數據分析遷移到VMware云平臺后，針對各個應用系統數據創建獨立的系統虛擬機，支持虛擬機資源或宿主服務器群資源的靈活高擴展，系統可在云平臺內根據資源使用情況在線遷移，滿足業務需求。

5.2 大大降低總成本

通過服務器整合，控制和減少物理服務器的數量，明顯提高每個物理服務器及其CPU的資源利用率，從而降低硬件、運營和維護成本，包括數據中心空間、機柜、網線、耗電量、冷氣空調和人力成本等，同時也解決舊系統的兼容性、維護和升級等一系列問題，進一步降低運維成本。

5.3 提高運營效率

加快新服務器和應用系統的部署，大大降低服務器重建和應用加載時間。提前規劃資源增長，對用戶和應用需求響應快速，不需要像以前那樣長時間的采購流程，然后再進行測試。還可以進行快速的硬件維護和升級。

5.4 提高應用系統服務水平

建立業務和IT資源之間的關系，使IT資源和業務優先級對應。將所有服務器、存儲、網絡等作為大的資源統一進行管理，按需進行資源調配。

6 結語

采用虛擬化技術建設的醫院云計算數據中心，具有規模大、可靠性高、通用性強、服務按需使用、運維成本低等優點[13]，降低建設和運營成本，同時也減輕數據中心管理者的工作量，實現服務器、存儲、網絡等資源的集中統一管理、升級和維護，提供安全防護和容災能力，徹底改變長期以來分散、低效的管理模式，提高信息平臺的安全性和穩定性，為各部門業務的穩定運行提供強有力的保證。云計算技術為數據中心的建設提供了一種既基于未來發展戰略又符合當前要求的解決方案[14]，必將成為數字化醫院數據中心建設與發展的方向。

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3 胡新平,張志美,董建成.基于云計算理念與技術的醫療信息化[J].醫學信息學雜志,2010,31(3):6-9.

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13 趙為民.云計算難掩十大優勢,2012年將遍地開花[J].網絡與信息,2012,26(3):14-15.

14 談永奇,李平,孫陽,閻旭.基于云計算的醫院數據中心設計與實現[J].中國數字醫學,2013，8(8):51-52.

關于《醫學信息學雜志》啟用“科技期刊學術不端文獻檢測系統”的啟事

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《醫學信息學雜志》編輯部

Construction and Application of Hospital Cloud Computing Data Center Based on Virtualization Technology

TANGLong-kai,PANDa-zhao，ZHANGXin,

DepartmentofInformation, 98thHospitalofPLA，Huzhou313000，China

Taking 98th Hospital of PLA as an example, based on analyzing current existing problems in hospital data center, the paper introduces the plan of hospital cloud computing data center construction based on VMware virtualization technology, describes the design principle, overall architecture, implementation steps and application effect, points out that the application of cloud computing technology will become the construction and development direction of hospital data center.

Data center；Cloud computing；Virtualization；VMware；Construction scheme

2015-01-29

唐龍凱，工程師，發表論文5篇。

R-058

A 〔DOI〕10.3969/j.issn.1673-6036.2015.07.004