三甲醫院數據中心網絡升級改造的研究與應用

丁萬夫，鄭興通，湯學民，夏堰，林武賢

（深圳市人民醫院，廣東 深圳 518020）

0 引 言

隨著醫療信息化的飛速發展，醫療業務呈現多元化發展趨勢，電子病歷平級、互聯互通、智慧醫院等信息化建設需要，HIS、LIS、PACS 等醫療業務系統的更新迭代，為醫院網絡施加了日益增多的業務負載，也對網絡的可靠性與穩定性提出了更嚴厲的要求。同時，由于醫院的網絡設施日趨陳舊，導致網絡的終端數量急劇增多，網絡的運行效率急劇降低，醫院的基礎設施在技術應用、可靠性、擴展性和穩定性等方面都不適應當前的發展。綜上所述，通過對醫院現有網絡升級改造，建立起適用于醫院的網絡架構先進、可靠性強、擴展性好、IT 運維優的高可用基礎網絡架構。使得醫院的基礎網絡能承載起未來5—10年的業務增長，能為數字化醫院建設提供強有力的網絡基礎支撐。

1 醫院網絡現狀分析

通過對醫院網絡進行分層分類分析，可以發現當前醫院網絡呈現以下特點：

（1）網絡架構層面。匯聚層設備未部署虛擬化，使用STP 協議進行防環，網絡拓撲龐大計算復雜，網絡可靠性及穩定性差；醫院內兩個數據中心在二層網絡中無法互訪需通過路由交互，無法實現真正意義上的雙活；

（2）網絡設備層面。有線網核心提供高密度萬兆互聯的能力不足；無線網核心采用冷備部署，無線網未設置匯聚層，數據中心交換機不支持Vxlan、EVPN 等大二層技術，無法實現數據中心網絡雙活架構；

（3）網絡運維層面。院內各種交換機如Cisco、HUAWEI、H3C、Ruijie、Inspur 等品牌混雜，原有的IT 運維工具功能無法滿足日益龐大的網絡架構。

2 網絡一體化升級改造

根據對醫院網絡現狀分析的結果，針對其存在的問題，對醫院網絡一體化升級改造進行研究。采用“萬兆骨干，千兆到桌面，冗余備份，降低網絡廣播”的建設原則，同時考慮數據中心雙活設計，提出了一種基于虛擬化技術的網絡架構，并在此架構基礎上對醫院現有網絡及數據中心進行了一體化升級改造，大幅增強了網絡的負載能力，提升了醫院主干網的可靠性、穩定性和可維護性。

2.1 有線網絡升級

將有線網網絡設備從原有的老舊網絡設備升級成高性能的網絡設備，核心、匯聚采用主流的虛擬化技術，把核心和匯聚的設備兩兩邏輯成了一臺網絡設備（虛擬設備），以此將設備的核心交換容量和用戶端口的密度兩兩疊加，從而大幅度提高了設備的性能，同時簡化網絡組網難度，組成了一個無環網絡架構，提升系統可靠性。接入層實現去級聯的接入模式，保障接入網絡的穩定性。

骨干網絡核心到匯聚采用雙鏈路部署，其中單鏈路雙向40 G 速率，提供整體80 G 鏈路帶寬，保障了東西向及南北向大流量帶寬的需求。匯聚到接入能提供高密度的雙鏈路萬兆互聯，接口開啟STP 防環協議，保證業務拓展的冗余性和穩定性。接入交換機下行千兆到桌面，實測速度可達70～105 MB/s（理論最高速率：125 MB/s），保證桌面的高帶寬訪問業務系統。

HIS 系統作為醫院最重要的業務系統，無論在網絡層面或業務層面，保障其穩定、高可用是信息化建設的重要任務。本次改造升級，新增數據中心交換機，可以實現高密萬兆光口、高密萬兆電口、40GE 接口的靈活混配置。用作HIS 服務器的專用接入交換機，保障HIS 業務的穩定性，以及高可用。同時也為后續的業務拓展留了充足的升級空間。

支持軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN），大幅簡化了網絡的管理及維護難度，更為重要的是實現了網絡流量的靈活控制，為核心網絡及應用的創新提供了良好的網絡平臺。

支持VXLAN（Virtual Extensible LAN，虛擬擴展局域網），VXLAN 通過將虛擬機發出的數據包封裝在UDP 中，并使用物理網絡的IP/MAC 作為outer-header 封裝后在物理IP 網上傳輸，當到達指定地點時，由隧道終結點解封后，將數據發送給目標虛擬機，解決了地理分散的數據中心之間遠距離虛擬機遷移問題。改造后網絡拓撲如圖1所示。

圖1 有線網網絡拓撲

2.2 無線網絡升級

2.2.1 核心側

醫院現有無線核心因為版本不一致且設備老化，無法做雙機熱備部署，備機為冷備，無法實現故障動態切換，高可用層面得不到保障。改造方案將現有無線核心升級為兩臺高性能核心，采用All in one 的設計理念，增加無線控制管理模塊插卡部署到核心交換機上，實現全網有線、無線設備統一管理。使用虛擬化部署，簡化了網絡結構的同時增強了性能和高可用，為全院無線業務保駕護航。

2.2.2 匯聚側

現有無線的POE 接入交換機全部接入到無線核心上，無線核心壓力較大，不利于核心的長期穩定運行。改造方案增加4 臺高性能匯聚，作為無線網的樓棟匯聚，分別承擔核心的交換壓力，提供高密度的萬兆接入能力。為后續無線物聯網的升級改造，建設智慧醫院提供網絡基礎。同時全面支持40GE、100GE Ethernet 協議，并將MPLS VPN，IPv6，網絡安全，無線，無源光網絡等各種網絡服務，并支持不間斷轉發、不間斷升級、優雅重啟、環網保護等各種安全技術，在提升用戶的生產效率的前提下，確保網絡最大正常運行時間，從而降低了客戶的總持有成本（Total Cost of Ownership，TCO）。

2.3 雙活數據中心建設

醫院大部分應用系統及數據均采用集中建設的模式，增加了數據中心的風險，增大了業務系統的訪問壓力，系統的負荷能力、穩定性、可靠性和安全性都必須得到改善。

改造方案充分利用新一代數據中心的建設思路，通過SDN 數據中心間對關鍵業務提供業務雙活的保障能力，為企業業務系統提供更穩定、安全、可靠的基礎架構設施服務。實現數據中心雙活的目標。通過對部署在兩棟大樓的數據中心中網絡交換設備進行升級改造，利用SDN 大二層技術對兩個數據中心機房二層環境打通，并且通過SDN 控制器對兩個數據中心設備做統一管理及自動化運維，搭建成雙活數據中心，設計方案如圖2所示。雙活數據中心可以為兩個SDN 數據中心中所部署的關鍵業務提供DNS 業務雙活或IP 主備自動切換的能力。當一個數據中心故障以后，另一個數據中心仍可提供服務，實現對關鍵業務的連續性保障。

圖2 雙活數據中心設計方案

SDN 數據中心DNS 業務雙活方案，在不同SDN DC 間對外同時提供相同業務。實現業務雙活，整體方案中包括三部分：

（1）DC 內ADDC EVPN 弱控方案；

（2）DC 間部署EVI2.0 方案；

（3）利用GSLB+LB 設備，對外提供DNS 業務雙活/IP 主備能力。

2.4 IT 運維管理平臺建設

在網絡的發展中，高帶寬、高速率、高穩定性固然是關鍵，但是安全、高效、可靠的網絡同樣不可或缺，兩者互為補充是最好的選擇。與一系列優秀的管理軟件相結合，對提高網絡的質量具有十分關鍵的意義。

在醫院內部配置一組IT 運營管理系統，實現對網絡的拓撲管理、故障管理、性能管理、配置管理、安全管理等管理，達到主動預防（智能的告警及轉發能力）、敏捷應對（問題快速分析及定位能力、回溯及審計能力）、宏觀決策（完善的性能管理、智能化的容量預測能力）、業務感知（端到端業務體驗量化評測全面深入納管業務及服務端）。

2.5 全面的基礎資源管理

全面的基礎資源管理內容有：

（1）綜合的基礎設施管理更多的設備。在傳統的路由器、交換機之外，還可以對無線、安全、語音、存儲、監控、服務器、打印機、UPS 等進行集中的管理。

（2）多廠商的設備管理。對H3C，HP，3Com，華為，Cisco 等廠商的網絡設備進行歸類與標識；對系統的基本信息進行全面的分析，既包括基本信息、接口信息、性能信息和報警信息，而且還可以通過添加其他部件實現對已擴充的服務信息進行實時展示。

（3）靈活快速的發現方法。除了能快速發現外，還能實現路由、ARP、IPsec VPN、網段模式、PPP 模式等五種先進的發現方式。

（4）性能管理一目了然。圍繞運維人員最關心的CPU利用率、內存利用率、帶寬利用率、設備響應性能、設備不可達等等性能指標，iMC 平臺通過TopN 列表方式展現，使運維人員能一目了然當前網絡中的性能瓶頸問題。

（5）系統的效能和告警的高度融合。該系統為每個性能指數設定了兩級門限，并向用戶發出了警告。通過告警，維護員可以直觀地掌握監控系統的工作狀況，及時掌握系統的工作狀況，對業務發展的趨勢進行預報，并對網絡進行最優的規劃。

3 改造建設后的功能效果

醫院基于以上的建設，基礎網絡層面，把有線網的核心層、各樓棟匯聚層網絡建設成了高帶寬、無環的網絡架構；無線網，核心層面把原來冷備的核心改造為熱備的核心，匯聚層面新增匯聚層交換機，減低無線核心交換數據壓力，同時為后續建設無線物聯網應用提供網絡基礎。數據中心層面，leaf 交換機支持承載VXLAN、EVPN 等大二層協議，為建設院內的雙活數據中心提供了網絡基礎。運維管理層面，搭建統一的IT 運維平臺，建立科學合理的運維管理體系。為醫院業務運行提供先進、可靠和擴展性好及IT 運維優的網絡“快車道”，為建設更方便、更快捷、更優質的數字化醫院提供良好的網絡基礎。

本次建設具有以下的三大特點：

（1）網絡架構具備先進性。有線網、無線網核心、匯聚及服務器區交換機能夠支持業界主流的VXLAN、EVPN等大二層特性，為醫院園區網實現SDN 智能化和院內雙活數據中心提供基礎設施保障；

（2）網絡架構穩定性高、可靠性強、擴展性廣。交換機具備一虛多和多虛一的虛擬化功能，能夠有足夠的可靠性去承載醫院整個智慧醫療、智慧管理、智慧服務的業務；支持100 G、40 G和高密度萬兆以及未來PON 網絡互聯的端口，充分考慮網絡的擴展性，能為醫院的醫療業務、影像業務、語音業務、視頻業務、移動醫療（Wi-Fi）、物聯網等應用留有足夠的升級空間；

（3）構建一套科學化的IT 運營系統。從“粗”到“精”，實施“集中式”的信息技術資源監控和管理方式，從“分散”到“集中”；構建一個統一、有效、敏感的管理平臺，實現從雜亂化到有序化，如圖3所示。

圖3 IT 運營系統功能展示

4 結 論

醫療信息化沒有終點。運用現代信息技術和計算機技術，有效地收集、存儲、傳輸和整合病人的診療信息、衛生經濟信息、醫院經營信息，使醫院資源整合和流程優化，有效地提升醫療服務質量、工作效率和經營水平。為了滿足醫院數字化的復雜、高安全和簡單的管理要求，構建一個穩定、可靠的底層網絡體系結構是醫院數字醫院信息化平臺的重要保障。通過對某大型三甲醫院的網絡狀況進行全面的剖析，探討了應用虛擬技術來實現虛擬現實，從而有效地提升了網絡的資源利用率，從而達到了醫院的高可靠性擴充需求，取得了很好的使用結果。