醫院信息系統數據庫云平臺及零數據丟失建設實踐*

余莎莎 李漢民 肖 輝

(武漢大學中南醫院信息中心 武漢 430071)

1 引言

自2018年醫院信息系統(Hospital Information System，HIS)升級上線以來，隨著電子病歷系統(Electronic Medical Record,EMR)功能陸續完善，以及互聯網醫院的發展，HIS、EMR數據負載日益增大，對臨床數據中心數據庫安全性與時效性提出更高要求。為進一步增強全院核心系統數據安全性，盡量保證核心業務系統數據不丟失，提高服務器運行速度,加快臨床數據中心業務分析效率，武漢大學中南醫院對醫院信息系統基礎架構進行改造，使其安全性、系統性能都得到明顯提升。

2 改造目的

2.1 數據平臺建設的必要性

多院區互聯互通需構建一個以數據為中心的信息集成平臺，除了需要統一基礎字典、數據平臺，還需要可以支撐再造業務流程的平臺，以實現未來多院區之間的互聯互通，完成數據中心平臺的建設。近年來，在醫療行業出現不少數據勒索與丟失的案例，隨著互聯網的發展，對醫療健康數據的重要性、安全性也提出更高要求。因此，需要尋找一種數據保護技術，一方面實現對數據庫服務器影響最小化，另一方面盡量消除數據丟失風險，爭取實現亞秒級恢復點目標(Recovery Point Object,RPO),甚至使RPO為0[1]。

2.2 數據平臺現狀分析

目前武漢大學中南醫院HIS、EMR等核心信息系統都運行在Oracle數據庫環境，該數據庫運行平臺由兩臺小型機和兩臺日立高端存儲組成。這種模式采用性能穩定、安全性高的磁盤陣列。架構優點是全冗余連接，無任何單點故障[2-3]，鏡像的存儲節點為系統重要的在線業務數據提供雙重保護[4]。雖然近年來運行比較穩定，但其系統架構是典型的“煙囪式”建設模式，隨著業務量快速增長，系統可擴展性、可維護性、可靠性不高。通過對HIS及EMR系統數據庫進行分析，發現醫院的數據庫物理I/O消耗比較高，一些大表存在全表掃描情況，消耗數據庫資源。綜合考慮，核心數據庫平臺改造勢在必行。

3 方案討論

3.1 總體建設思路

現代醫院數據中心核心數據庫建設策略包括消除復雜性和不確定性，代之以更高的業務敏捷性、更低的管理成本和更優的性能。包括對硬件、業務管理軟件和全面技術體系的解決方案，以順利完成數據中心變遷。

3.2 建設方案對比

3.2.1 自建云平臺和數據備份方案 以Oracle數據庫為核心的數據平臺建設模式有很多種[5]，武漢大學中南醫院的建設模式是典型的傳統架構。在系統規劃期間，首先分別就服務器選型、配置、高可用設計、線路規劃、存儲選型、容量設計、獨立磁盤冗余陣列(Redundant Arrays of Independent Disks，RAID)實現等一系列工作進行準備，然后分別執行安裝操作系統、打補丁、安裝存儲管理軟件、集群軟件、劃分文件系統、安裝數據庫軟件等操作，最后進行集成聯調測試、性能聯調等準備工作，才能達到上線基本要求[6]。這種建設模式需要從多個廠商/供應商分別采購軟、硬件設備，全部到齊后需要一支經驗豐富的信息技術(Information Technology，IT)團隊協作部署數據庫平臺，耗費較長時間才能構建一套可用的數據庫系統。而且該方案是通用設計，未針對Oracle數據庫設計開發，不能滿足醫院對Oracle數據庫數據保護及性能的嚴苛要求，難以實現安全保護。

3.2.2 一體化數據庫云平臺及零數據丟失方案 該方案生產環境采用數據庫原廠的數據庫云一體機，并通過數據庫多租戶的特性來對數據庫進行整合，形成數據庫即服務(Database as a Service，DBaaS)的云服務。同時數據庫云服務提供Oracle容器數據庫克隆、快照相關技術，可以快速實現新業務的開發、測試、上線、交付一體化。數據備份采用原廠的數據集中零丟失，可恢復的備份解決方案。相對于傳統備份模式，該方案有以下優勢：零數據丟失；對生產環境影響最小；自驗證保證備份集的可用性；一次全量，永久增量。

3.2.3 兩種方案對比(表1)

表1 兩種建設方案對比

續表1

3.3 方案選擇

醫院新的數據中心建設初衷及原則是高性能、高可靠、高安全、零丟失、可恢復、易管理、簡單、綠色、低成本、云化(前瞻性、先進性)。基于醫院信息系統的特點，最終選擇將數據庫部署在Oracle數據庫原廠的數據云一體機上，構建安全、高效的數據加工層，而核心數據備份在數據零丟失備份恢復一體機上，構建零數據丟失的數據保護層，這樣就形成醫院現代化數據中心，同時結合醫院已經建設的Oracle數據庫企業版動態數據衛士(Active Data Guard，ADG)功能以及多租戶DBaaS，構建數據零丟失、可恢復的數據庫云平臺。

4 方案實施

4.1 總體規劃

通過Oracle Exadata構建安全、高效的私有數據庫平臺即服務(Platform as a Service，PaaS)云平臺，而核心數據庫備份在Oracle 零數據丟失恢復一體機上[7]，構建零數據丟失的備份云平臺。該平臺實現獨特的數據庫網絡資源管理，確保報告、批處理和備份等網絡密集型負載不會影響對響應時間敏感的交互式負載。系統架構，見圖1。

圖1 系統平臺架構

云平臺所有設備采用完全冗余硬件配置。Oracle真正應用集群技術(Real Application Cluster，RAC)保護數據庫服務器免受故障影響。Oracle自動存儲管理技術(Automatic Storage Management，ASM)通過數據鏡像防范磁盤或存儲服務器故障。Oracle恢復管理器(Recovery Manager，RMAN)[8]以極快速度高效地將數據備份到磁盤或磁帶。Oracle 閃回技術支持在數據庫級、表級甚至行級回退用戶錯誤。結合使用 Oracle數據衛士(Data Guard，DG)[9-10]，可以在最高可用性架構下配置第2個數據庫云平臺一體機，遠程站點透明地維護數據庫實時副本，從而針對主數據庫故障和站點災難提供全面保護，構成醫院數據中心最核心的數據加工層。

4.2 實施步驟

4.2.1 初始安裝 由于Exadata的零數據丟失恢復是一體機設計，所有硬件已經預置在相應機架之中，并以整體方式送至用戶現場，且核心軟件已經預安裝在設備中，所以實施工作并不復雜，根據用戶現場情況進行配置。

4.2.2 數據遷移至Exadata數據庫云平臺 醫院原有數據庫安裝在Solaris平臺上，本次跨Solaris平臺到X86平臺的數據遷移選擇采用Oracle Golden Gate(OGG)方式進行。Oracle Golden Gate軟件是一種基于日志的結構化數據復制軟件，通過解析源數據庫在線日志或歸檔日志獲得數據的增、刪、改變化，再將這些變化應用到目標數據庫，實現源數據庫與目標數據庫同步、雙活。Oracle Golden Gate可以在異構信息系統基礎結構之間實現大量數據亞秒級捕捉、轉換和投遞。具體計劃，見表2。

表2 數據遷移計劃

4.3 實施過程總結

4.3.1 試運行中Exadata的意外重啟 Exadata零數據丟失恢復一體機完成安裝后，在進行數據庫承載平臺驗證性測試中，于2020年12月13日下午5點意外重啟。通過Oracle支持網站提交服務請求，并按照要求上傳日志和命令，后臺迅速找到問題原因：內存用竭導致系統重啟。經檢查發現新發布的補丁沒有安裝，補丁安裝后問題解決。

4.3.2 數據平臺持續優化 數據庫遷移后在性能、可用性、安全性、管理便捷性方面都有所提升，筆者長時間追蹤數據庫及應用系統性能表現，并結合數據庫自動工作負載庫報告(Automatic Workload Repository，AWR)來分析系統實時的性能表現。持續優化1：通過數據庫AWR發現在業務高峰期數據庫每秒硬解析200～300條，其原因可能是應用開發過程中沒有使用綁定變量，建議修改程序采用綁定變量形式傳入變量值以緩解硬解析帶來的性能問題。持續優化2：數據庫AWR報告顯示Parse CPU to Parse Elapsd %: 55%，命中率較低，軟解析每秒2 200條。為提高命中率，將session_cached_cursors的大小從50調整為300。該參數的調整需要重啟數據庫，在下一次的高峰中發現命中率得到有效提高。持續優化3：系統開發中采用數據庫的分區表技術，多數表按年分區，導致查詢過程中多以年為掃描范圍進行檢索，增大了掃描過程數據結果集，經溝通，在新的年份創建表時，將提高整體細粒度，由年細化至月，從而縮小查詢檢索結果集的范圍；另一方面，結合醫療數據量大，且醫療歷史數據更新不頻繁，嘗試對歷史分區進行壓縮，既能提高空間使用率，又能通過壓縮的方式進一步提升查詢效率；此外，很多分區表建立的索引為全局索引，將逐步修改為分區索引，以從索引的角度出發來提高查詢效率。

4.3.3 經驗總結 一是安裝設備時，盡可能保持設備以及數據庫軟件補丁集已更新到最新。Oracle補丁集是對已知bug的修復，如果不及時打補丁，將會對系統的穩定運行造成不可預知的干擾。二是使用或者測試過程中，保持資源有一定的余量，特別是內存資源，使系統能夠持續健康地運行。以上僅記錄了在上線后一段時間內進行的優化，隨著業務的不斷發展，數據庫云平臺將持續進行優化，為醫患提供更加良好的數字化體驗。

4.4 平臺改造成效

4.4.1 實現資產統一管理 隨著大數據時代的到來，屬于資產的不僅僅是實際物理設備，數據逐漸成為更加重要的無形資產。通過本次數據云平臺的建設，不僅對云平臺硬件進行監控，還實現數據全生命周期管理，從計劃、安裝、搭建、測試、部署到監控、管理、計量計費和優化等。

4.4.2 實現數據中心DBaaS平臺構建 通過本次武漢大學中南醫院數據庫云平臺即醫院DBaaS云平臺的建設，信息中心有能力為從應用到數據庫的CPU、網絡和存儲提供獨特的端到端優先級排序。不同科室、應用系統用戶可以在數據庫、連接、應用、用戶甚至作業層面指定優先級和資源限制，確保各個整合數據庫或 SQL操作均可獲得必要的資源，并達到目標響應時間要求。

4.4.3 實現數據安全防護 通過本次數據庫云平臺的建設，實現了針對所有故障類型提供全方位防護，包括針對磁盤、服務器和網絡的簡單故障以及復雜的站點故障和人為錯誤。同時本次建設規劃實現了完全消除數據丟失風險、大幅降低數據保護給生產服務器帶來的開銷，還能夠持續驗證數據的完整性和可恢復性。

5 結語

本文介紹了零數據丟失的數據庫云平臺前期準備工作、各種升級方法優劣的比較、選型及搭建、調優工作。數據庫云平臺的搭建非常復雜，必須在事前做好規劃、事中做好控制、事后做好驗證，并且要保證系統的良好體驗，還需要不斷對系統進行調優、改造。希望本文的實踐過程能夠為數據管理工作者帶來一些幫助，在確保關鍵業務7×24小時不間斷的同時，建設一套數據零丟失、可恢復的數據庫云平臺，以提高醫院信息系統的安全性，從而增加患者和醫護人員的滿意度和醫院競爭力。

?醫學信息資源管理與利用?