基于MNSS 的醫院高可靠性網絡改造方案研究及仿真

張 雨 陳瑞玲

（江蘇省沭陽縣人民醫院 信息處，江蘇 沭陽223600）

1 概述

隨著醫院診療業務的迅速增長以及信息化建設規模的日益擴大，醫院對網絡基礎設施的穩定性與可靠性提出更高的要求。現代化醫院的診療流程，包括掛號、門診、咨詢、檢查、住院與收費等，都需要HIS、LIS、PACS 等醫院信息系統的支撐與支持，信息系統只有通過網絡與數據庫連接才能正常運行工作[1]。一旦網絡系統發生故障，就會造成整個醫院醫療業務工作的中斷，這不僅給醫院帶來重大經濟損失，也造成了不良的社會效應影響。因此，構建高可靠性醫院網絡，保證醫院網絡7*24 小時不間斷運行，確保醫院醫療數據及時、準確與安全的傳遞，是維持醫院診療流程正常運行的生命線[2]。

然而，現代醫院信息化程度非常高，原有的醫院網絡系統已經不能滿足醫療服務水平的發展需要，醫院網絡可靠性、穩定性、健壯性等問題日趨嚴峻。為提供更高質量的診療服務，需要投入大量網絡設備, 而整個醫院網絡的瓶頸在于核心層交換機網關備份與匯聚層交換機鏈路備份的單一性[3]。對此，我們提出醫院可靠性網絡改造方案：采用MSTP 與VRRP 相結合的雙交換機雙鏈路架構，當某一網關或者鏈路發生故障時，主備交換機之間實現快速故障切換，網絡仍然聯通。

于此，我們采用MNSS 模擬器來模擬醫院可靠性網絡改造方案。將MNSS 引入到醫院改造方案的仿真模擬實驗中，通過計算機仿真模擬真實醫院網絡環境，可以很大程度降低改造成本，保障改造后醫院網絡的安全運行。本文將詳細講述在醫院網絡規劃與設計中普遍使用的MSTP 和VRRP 技術[4]。

2 相關技術研究

2.1 MSTP 多生成樹協議

MSTP 多生成樹協議通過為不同的生成樹實例選舉出不同的根交換機，將有環路的網絡轉變為一個無環路的生成樹型網絡，從而避免通信報文在環路網絡中的無限轉發，實現交換機負載均衡，解決廣播風暴以及冗余備份快速收斂等問題[5]。

2.1.1 MSTP 工作機制

交換機端口的優先級是決定端口角色的惟一要素。MSTP有五種端口類型：根端口、指定端口、備份端口、替換端口和禁用端口。生成樹算法（STA）使用BPDU 報文來決定端口類型，各端口通過比較端口中保存的BPDU 數據包來確定自身的優先級。在網絡中進行數據發送時，交換機每個端口都將根ID、內部路徑開銷、指定橋BID、指定端口以及自身端口ID 五個優先級評判標準封入BPDU 數據包中。交換機各端口通過傳遞BPDU包的來比較這個五個標準，確定彼此之間的相對優先級，從而確定端口類型形成快速生成樹結構。

2.1.2 MSTP 協議優勢

MSTP 協議繼承了CST 協議與PVST+協議的各自優勢，將整個網絡劃分成多個區域，每個區域里綁定多個VLAN 并生成一個區域級的生成樹，采用RSTP 快速生成樹協議并且各區域相互獨立。MSTP 協議將多個VLAN 綁定到同一實例中，相較于CST 協議對所有的VLAN 生成一棵生成樹以及RSTP 協議對每個VLAN 獨立運行維護的方式，MSTP 協議能夠快速收斂并降低交換機的CPU 開銷。

2.2 VRRP 虛擬路由器冗余協議

VRRP 是解決網絡中靜態網關單點故障問題的一種路由選擇協議，具有高容錯性。它將局域網內一組路由器組織成一個虛擬路由組，其中任意一個路由器都使用同一個虛擬IP 地址和虛擬MAC 地址。同時，在這個組中有且只有一個主路由器處于活動狀態，這個主路由器是通過一種特定的選舉機制進行選舉。同樣的，當設備發生故障導致主路由器不能正常工作時，VRRP 協議又通過特定的搶占機制對其進行切換[6]。

2.2.1 VRRP 選舉機制

在整個醫院網絡系統啟動后，VRRP 組中的所有路由器都處于初始狀態。主路由器的選舉有兩種情況：若虛擬IP 地址和其中一臺路由器的物理接口的地址相同, 則該路由器成為主路由器，也就是進入活動狀態；否則,各路由器將查看各自的優先級，擁有最高優先級的路由器將會成為主路由器。當選舉產生主路由器之后，主路由器將會向同一組中的各個路由器發送VRRP 通告，其他路由器在收到主路由器發送的通告消息后進入備份狀態并啟動定時器等待主路由器通告報文的到來。

2.2.2 VRRP 搶占機制

VRRP 協議默認開啟搶占機制。處于活動狀態的路由器每隔一定時間向224.0.0.18 組播地址發送VRRP 通告報文進行宣告。一旦主路由器發生故障，處于備份狀態的路由器便接收不到此通告消息，此時主用失效時間最短的備份路由器將切換為活動狀態并發送通告報文通知組內其他備份路由器。其中，主用失效時間=公告時間*3+（256- 優先級/256），顯然路由器主用失效時間的長短主要取決于其優先級的高低[6]，VRRP 協議就是基于這一搶占機制實現網絡設備故障動態切換的。

3 仿真實驗分析

3.1 實驗搭建

本次實驗采用MNSS 虛擬仿真實驗平臺搭建實驗環境[7]，并通過真實網絡設備鏡像最大程度地保證實驗的真實性。實驗通過模擬醫院門診部、住院部等各大科室，并劃分相應的VLAN，利用VRRP＋MSTP 雙交換機雙鏈路架構對醫院網絡的數據鏈路層及網絡層進行優化改造，進一步提高醫院網絡的容錯率。本次實驗采用OSPF 協議進行全網全通，整體網絡拓撲圖如圖1所示：

圖1 實驗拓撲圖

3.2 實驗配置

交換機CoreA 的關鍵配置如下：

交換機CoreB 的配置基本與CoreA 一致，交換機SW1 的關鍵配置如下：

3.3 實驗驗證

對本次實驗進行驗證，測試主機PC1 與邊界路由器Border之間的連通性，使用“ping”命令進行結果驗證，實驗結果如圖2所示。

圖2 網絡連通性測試圖

實驗證明主機與邊界路由器Border 之間連通性良好，通過將交換機CoreA 的f1/1 端口“down”掉進行單點故障的模擬，然后再次使用“ping”命令檢查連通性，也可以通過“Traceroute”查看報文傳遞的路徑，單點故障后連通性測試如圖3 所示。

圖3 單點故障連通性測試圖

4 結論

通過在MNSS 虛擬仿真環境中模擬醫院高可靠性網絡改造方案的仿真實驗，我們驗證了MSTP 與VRRP 相結合的雙交換機雙鏈路架構可以有效的保證醫院網絡可靠高效的運行，從而實現了醫院網絡核心層到匯聚層的網關冗余和負載均衡的目的，保障了醫院的經濟效益與社會效益。