超融合技術在醫院數據中心搭建中的應用探討

朱瀝瀝 鄭昊 祁星 孫琳

南京大學醫學院附屬口腔醫院 江蘇 南京 210000

1 背景

近年來，隨著信息技術的不斷發展，各類信息系統在醫院運營、管理中發揮的作用越來越重要。各類信息系統例如HIS、EMR、PACS、移動護理等系統的數量與日俱增，系統功能日漸豐富，醫院的各項工作順利地展開，無論是從門診還是到病房都依賴于信息系統的穩定運行[1]。系統的穩定運行需要IT基礎設施提供穩定、可靠的網絡、計算、存儲資源的支撐，大數據、高并發等一系列問題對醫院數據中心的建設提出了新的挑戰。

面對新挑戰傳統數據中心的搭建方式存在瓶頸，可擴展性不高，不易于計算資源、存儲資源的及時擴展，難以滿足信息系統數量的急劇擴張以及相關數據的不斷增加，醫院信息部門需要運用新技術保障數據中心的可靠、高效及安全。

2 技術概述

超融合技術是一種底層基礎架構，利用虛擬化及分布式存儲軟件技術，基于x86服務器將計算、網絡、存儲資源進行整合，對外統一提供資源[2]。利用超融合技術，底層基礎設施的搭建得以更好地為上層系統提供穩定、高效、安全的服務，業務量的擴展，與其帶來的基礎設施的擴展也變得更加簡單、易操作。

分布式存儲軟件技術作為超融合技術的核心，打破了傳統存儲的瓶頸，傳統存儲方式主要包括DAS、NAS、SAN存儲，DAS、NAS存儲無法適用于大容量、高讀寫的使用場景，而SAN存儲雖然能夠滿足大容量、高讀寫的使用場景，但SAN存儲的搭建較為復雜，需要通過專業光纖交換機將存儲設備與計算資源連接，后期維護也較為復雜，價格高昂，無法使用跨平臺的數據共享。而分布式存儲軟件技術，通過分布式操作系統實現了平行化，數據量越大，其性能優勢越加明顯[3]。分布式存儲軟件技術成本低于SAN存儲，同時在性能上又能滿足大數據、高讀寫的要求，擴容易操作，滿足快速擴張的存儲需求，為數據中心高效、穩定地運轉打下了基礎。

3 實際應用

3.1 現狀描述

以某三甲口腔專科醫院例，數據中心包括兩個主備機房，每個機房分別有兩個機柜，現有服務器153臺，存儲數據量達到245T，每年的數據量仍在不斷增加中，已經運行在醫院數據中心的各類系統共有二十多個，例如：HIS、EMR、PACS、LIS、手術麻醉系統、移動護理系統等等。隨著信息化建設的不斷深入，新系統不斷增加，原有系統改造升級，對于數據的處理要求也不斷提高，例如：醫院將全面落實預約制度，這對醫院數據讀寫的并發要求是一項挑戰。該醫院原有的搭建方式基于服務器、存儲網絡、存儲陣列的傳統架構，存儲通過光纖交換機與服務器進行數據交互，如圖1所示。為方便業務部署，該院已使用VMware的虛擬化產品對底層資源進行整合，通過VMware的管理中心進行資源的調度，實現資源的分配、擴容、收回。采用虛擬化技術可以從物理服務器中提取計算資源（CPU 與內存）虛擬機監控程序位于一個或多個服務器主機中，并對資源進行虛擬化，從而應用需求創建單個計算資源共享池。該共享池可以動態地增長和縮減。

圖1 傳統搭建方式

3.2 存在問題

基于服務器、存儲網絡、存儲陣列的傳統架構搭建的數據中心，面對快速增長的業務量，從采購、部署、運維等各個階段都面臨著各類問題。

數據中心對于設備的采購，往往需要根據運行情況進行估計，預測未來幾個月甚至幾年的所需資源。如果預測誤差較大，造成資源配置不合理，只能通過更換設備的方式解決問題，設備的更換對業務的影響較大，且操作復雜。

部署周期長，設計復雜、范圍大。傳統架構中，服務器、存儲網絡設備、存儲需要對來自不同供應商的設備進行整合，部署時要考慮設備的兼容性，不同的光纖交換機、存儲設備配置的方式也不是完全相同的，配置方式復雜。搭建一套可用的架構，需要各類設備，占據機架的空間很大，不斷擴容時，機房的擴建速度無法滿足底層架構的擴張速度，難以實現彈性擴展。

由于該院采用虛擬化技術對資源進行管理，帶了便利的同時，也帶來新的問題，虛擬化使虛擬機遷移等功能產生了共享存儲資源的需求。傳統存儲連接方式是縱向擴展的，多個物理服務器通過一條光纖通道或iSCSI存儲網絡連接至一個存儲陣列。該存儲陣列有一對連接磁盤附件的控制器。它們負責所有數據I/O以及重復數據刪除、壓縮、快照、克隆等服務。導致I/O在存儲控制器上存在瓶頸。

在后期的運維過程中，如果出現問題，需要對分別不同類型的設備分別排障，排除問題的時間很長。運維管理中需要通過三個或四個不同的控制臺來管理資源。配置和管理需要大量人工操作，進一步增加了成本。存儲是以LUN或卷的單位進行管理的，而服務器的管理粒度則為單個虛擬機。這種不匹配使得資源分配和數據保護更具挑戰性。

3.3 解決方案

面對以上問題，該院引入超融合技術進行解決，具體采用Nutanix的軟硬一體機的解決方案。超融合技術運用軟件算法將SAN化為隱形，為虛擬化環境融合計算與存儲，提供更加簡單管理方式，實現資源的彈性擴展。

超融合技術采用分布式存儲技術，拋棄SAN/NAS的架構和陣列，消除了存儲網絡中的復雜性與瓶頸，并且為虛擬環境帶來了新的融合解決方案可以基于需求橫向擴展。智能分層，以虛擬機為中心化的管理機制。

計算資源與存儲資源的為運維管理也帶來了新的解決方案，不需要登錄多個控制臺對資源情況進行監控，只需要兩個管理平臺就能實現資源的全管控，一個是底層的資源管理平臺，一個是上層的運營管理平臺。

3.4 性能提升

超融合技術的使用，數據中心的各項性能得到了顯著提高。在典型虛擬化混合讀寫場景下，超融合架構的優勢明顯，性能約為傳統集中式存儲的5倍，3節點集群可提供78936/54078的讀/寫IOPS，提供2749 MBps/1164 MBps的讀/寫帶寬。

基于超融合架構的數據中心的搭建也十分便捷，一套設備的部署往往只需要一小時即可完成。面對業務數量的增多，數據的增長，該架構下的數據中心可實現彈性擴容，橫向擴展，線性擴容，能夠進行一鍵式在線升級，確保業務完全不受影響。

超融合架構中所有硬件均不存在單點故障，CVM、節點、磁盤、電源、鏈路等故障均對業務沒有影響可以輕松構建多地多活數據中心容災。

與傳統結構的服務器、存儲網絡、集中式存儲所占的空間相比，一臺超融合一體機即可滿足要求，一臺設備只占2U 的空間，節省寶貴的機柜空間，節能減排。

統一的管理界面允許用戶在單個界面中管理所有基礎架構硬件和虛擬機，提高了運維管理的工作效率。

4 結束語

超融合技術提升了醫院數據中心的性能，方便了管理，為醫院的信息化建設提供了穩定的基礎保障。醫院信息化建設的發展過程中，一定會面臨各種挑戰，面對問題，作為醫院信息化建設者，要能夠不斷學習新技術，并勇于將可靠成熟的新技術運用到信息化建設的實踐中，為醫院創建更好的信息化環境。