負載均衡技術在醫院PACS系統升級、改造中的應用

李曉菲

（南京腦科醫院 設備科，江蘇 南京210029）

負載均衡技術在醫院PACS系統升級、改造中的應用

李曉菲

（南京腦科醫院 設備科，江蘇 南京210029）

目的 完成醫院從Mini PACS系統向 “大影像中心”的升級、改造，打造一個24×7小時高可用、高安全、可擴展的PACS系統。方法 采用 “雙機、雙核 （雙回路）”思路構建服務器集群，利用負載均衡技術實現DAS服務器、WEB服務器、復制服務器、核心服務器數據智能分流。結果 PACS原有硬件得到最大化利用，實現了硬件級別的 “零”故障率，網絡傳輸速度得到了較大提升。結論 負載均衡技術在PACS系統升級、改造中的應用，為實現醫院的信息化打下堅實的基礎。

負載均衡；服務器集群；PACS；雙機雙核

我院于2012年采購了GE的影像歸檔和通訊系統 （picture archiving and communication system，PACS），系統上線初期，共連接5臺影像設備，數據量為3 GB／天。隨著醫院日檢查量的迅速增長，醫學影像科近年來新引進了3臺大型醫療影像設備。目前檢查量超過了200人次／日，日平均數據量總量超過20 GB。2016年我院成立以醫學影像科、超聲醫學科為中心的“大影像中心”，隨著醫院信息化建設的全面推進，PACS系統數據量和用戶訪問量將會井噴式增長，服務器的計算強度和數據處理壓力劇增。因此，打造一個24×7小時高可用、高安全、可擴展的PACS系統成為一個迫在眉睫的需要［1］。傳統的解決方案是更換高性能服務器，其弊端在于：①成本高、資源利用率低；②可擴展性差，無法持續滿足業務量快速發展的需要；③安全性差，存在單點故障、信息孤島等問題［2-3］。因此本院PACS升級改造摒棄了該方案，選擇通過構建服務器集群的方式，利用負載均衡技術，合理分配服務器間的資源，實現各服務器集群間的業務均衡，以解決PACS系統面臨的上述問題。

1 負載均衡技術的基本概念與工作原理

1.1 負載均衡技術的基本概念 負載均衡技術 （load balance）是對處于同一個局域網絡內并同時對外提供一組 （或多組）相同 （或相似）服務的服務器提供負載均衡業務［4］。通過負載均衡特有的調度算法，將大量并發的訪問或單個重負載的運算平均分配到各個服務器上分別處理，每個服務器處理結束后，再將各部分結果匯總到一起，既減少了用戶等待時間，又提高了服務器的處理速度。負載均衡技術為用戶提供了一種廉價、有效、透明的方法，通過增加吞吐量、擴展服務器和網絡設備的帶寬，加強了服務器的數據處理能力，顯著提高了服務器的可用性和靈活性。服務器負載均衡技術主要基本元素：①LB設備 （load balance device）：根據每個服務器所處的工作狀態將用戶的請求均衡地發給每個服務器；server：負責響應和處理各種服務請求；VSIP（virtual service IP address）：提供用戶訪問時虛擬IP地址，供用戶服務請求時訪問；server IP：提供服務器的真實IP地址［5］，供LB設備分發服務請求時訪問。

1.2 負載均衡技術工作原理 根據信息的轉發方式的不同可將服務器負載均衡技術分為NAT（network address translation）方式和DR（direct routing）方式。兩者對數據的處理思路相同，但具體的處理方式有區別。兩者均是通過LB設備提供VSIP，用戶不直接訪問server真實地址，VSIP獲得請求服務后，LB設備根據特有的調度算法將請求均衡地分發到各個實服務。NAT方式通過LB設備分發服務請求后，LB設備會將server IP的地址轉換 （目的IP地址為實服務IP），然后通過路由將請求轉發給各個實服務。而 DR則不改變server IP的地址，通過將請求的目的MAC地址替換為實服務的MAC地址后直接將請求轉發給實服務［6］。NAT方式組網靈活，不需要修改服務器配置，對服務器無額外要求，適用于各種組網，而DR方式只有單邊請求通過負載均衡設備，設備負擔小，不易成為瓶頸，轉發性能更強。因此充分考慮到并發數據訪問的快速要求，本院選擇使用DR方式的服務器負載均衡技術構建PACS網絡。

2 基于負載均衡技術的PACS系統構建

本次PACS系統升級的主要原則是 “雙機、雙核 （雙回路）”，基于醫院未來五年的發展趨勢，充分利用醫院現有資源，保證系統健康平穩過渡和運行。

PACS系統硬件升級：增加PACS數據庫服務器、WEB服務器和應用服務器各1套，與之前的服務器形成 “雙機熱備”，以防止單點故障；4臺 HP DL380影像采集服務器 （data acquisition system，DAS）負責圖像壓縮、數據緩沖和圖像傳輸等任務；2臺HP DL360服務器，實現數據實時同步；增加2套F5公司的BIG IP負載均衡服務器 （支持active－stand by工作方式），提供心跳線和線路冗余判斷連接方式，故障自動切換至鏡像連接，為當前的連接提供無縫故障恢復保護，安全性高［7］；2臺歸檔服務器，實現在線存儲數據向近線存儲的歸檔任務；增加1臺100 T的EMC VNX5500在線存儲設備，共2臺在線存儲服務器，實現存儲數據分流，提高存儲效率［8］；1臺EMC CX4－480近線存儲設備。上述硬件設備均由原廠商提供3年24 ×7當天上門硬件服務，保修期為三年。

軟件配置：PACS服務器操作系統由早期的Windows XP系統升級為Linux 64位企業版，可以支持無限大內存且不易受病毒侵襲；安裝雙機熱備程序、防火墻，防止單機故障，提高系統安全性；PACS終端工作站安裝RA1000軟件 （RA600的升級版）。終端診斷設備的操作系統均全部由Windows XP升級為WIN 7系統，提高了各診斷終端的穩定性。

負載均衡架構下的PACS系統運行流程：兩臺高性能數據庫服務器作為系統核心，負載均衡控制器實現硬件級別的智能負載均衡機制，將DAS服務器、WEB服務器、復制服務器、核心服務器的數據進行分流，且控制冗余線路切換［9］。在線服務器定時自檢，24 h圖像數據無更新將自動歸檔當天數據到近線存儲設備中。工作流程如圖1。

圖1 PACS系統各服務器工作流程

3 PACS系統升級改造的效果評價

改造后的PACS系統的優點：通過負載均衡技術自帶的高級調度算法，將客戶端請求合理地均衡到各服務器上，最大化服務器性能的利用率，解除系統傳輸的速度瓶頸，使PACS具有更高的性能；通過BIG IP自帶的管理軟件實時監控服務器群組的流量和健康狀態，保證在部分硬件和軟件發生故障的情況下，整個系統的服務仍然可用；通過服務器集群技術，將多個獨立服務器構成一個虛擬服務器，保證系統服務的連續性，且保持了用戶操作的一致性［10-11］；實施周期短，2～3周內即可完成系統升級。本次PACS系統的升級改造按照 “雙機、雙核（雙回路）”的主要原則，通過組建服務器集群，利用負載均衡技術，完成24×7小時高可用、高安全、可擴展的PACS系統的構建；PACS系統的核心服務器數據處理能力得到了顯著提升，整個系統架構更加清晰，解決了核心服務器單點故障問題；影像存儲被分配到兩臺存儲器進行處理，容量由原有的30 T提升至100 T，處理速度快，安全性高［12-13］，可擴展性強。

4 結語

隨著國家醫改工作的深入進行，醫院已經出現了集團化建設的體系架構［14］，如何解決影像數據傳輸緩慢甚至宕機這類問題，建立一個24×7小時高可用、高安全、可擴展的PACS系統成為迫在眉睫的問題。本次系統升級通過組建服務器集群的方式，利用負載均衡技術 （load balance）對集群的服務器之間進行業務均衡，解決了服務器單點故障引起的系統宕機問題，同時使各服務器的數據處理能力得到了顯著的提升，為全面實現醫院信息化管理打下了堅實的基礎。

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（責任編輯：常海慶）

Application of Load Balance in Upgrade and Transformation of PACS in Hospital

LI Xiaofei(Department of Medical Equipments,Nanjing Brain Hospital,Nanjing 210029,China)

ObjectiveTo complete the upgrade and transformation from Mini PACS to"Large Image Center",a PACS system with high availability of 24×7 hours,high safety and extendibility.MethodsThe sever clusters were built with the thought of"dual device and dual core(double loops)".The intelligent distributary of data among DAS sever,WEB sever,copy sever and core sever was accomplished with the technique of load balance.ResultsPACS original hardwares were used maximumly with"zero"failure rate of hardware level,and the network transmission speed increased greatly.ConclusionsThe application of load balance technique in upgrade and transformation of PACS system provides a solid foundation of hospital informationization.

Load balance;Server cluster;PACS;Dual device and dual core

R197.32

A

10.3969/j.issn.1674-4659.2017.01.0021

2016－07－15

2016－10－24

李曉菲 （1981－），女，本科學歷，雙學士學位，工程師，研究方向：設備保障與管理。