楊 眉，潘曉雷

虛擬化技術(shù)助力醫(yī)院實現(xiàn)服務(wù)器整合

楊 眉，潘曉雷

目的：為保證醫(yī)院IT系統(tǒng)的高可用性、業(yè)務(wù)的連續(xù)性和實現(xiàn)節(jié)能減排，利用虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)服務(wù)器整合。方法：采用評估當(dāng)前環(huán)境、規(guī)劃虛擬平臺、構(gòu)建虛擬環(huán)境等步驟實現(xiàn)服務(wù)器虛擬化。結(jié)果：實現(xiàn)了服務(wù)器虛擬化，服務(wù)器利用率從5%～20%提高至70%～80%。結(jié)論：服務(wù)器虛擬化的實現(xiàn)，提升了系統(tǒng)的可用性、可靠性，減少了醫(yī)院每年對IT設(shè)施的投入。

虛擬化；服務(wù)器整合；高可用性；運維成本

0 引言

虛擬化是指計算元件在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實的基礎(chǔ)上運行[1]。通過在系統(tǒng)中加入一個虛擬化層，將下層的資源抽象成另一種形式的資源供上層使用。在IT領(lǐng)域，可以把有限的固定資源根據(jù)不同需求進(jìn)行重新規(guī)劃，以達(dá)到最大利用率，從而簡化管理、優(yōu)化資源。

服務(wù)器虛擬化是將服務(wù)器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺服務(wù)器變成幾臺甚至上百臺相互隔離的虛擬服務(wù)器，不再受限于物理上的界限；讓CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O等硬件變成可以動態(tài)管理的“資源池”；通過區(qū)分資源的優(yōu)先次序，動態(tài)地運用硬件資源，隨時隨地將服務(wù)器資源分配給最需要的進(jìn)程，從而提高資源的利用率、簡化系統(tǒng)管理、實現(xiàn)服務(wù)器整合，讓IT對業(yè)務(wù)的變化更具適應(yīng)力[2]。

1 服務(wù)器虛擬化的建設(shè)需求

經(jīng)過多年的發(fā)展，信息系統(tǒng)在醫(yī)院的應(yīng)用越來越廣泛，醫(yī)院整體業(yè)務(wù)對信息系統(tǒng)的依賴程度也越來越高[3]。隨著醫(yī)院信息化進(jìn)程的加快，新的應(yīng)用不斷增加，服務(wù)器數(shù)量激增，使機(jī)房在空間、電力、管理、安全等方面面臨更大的壓力。當(dāng)前的IT基礎(chǔ)架構(gòu)已無法滿足醫(yī)院未來的發(fā)展需求，主要存在4個方面的問題，現(xiàn)分別介紹如下。

1.1 服務(wù)器數(shù)量眾多，利用率低，能耗高

醫(yī)院IT傳統(tǒng)的部署模式是一臺服務(wù)器對應(yīng)一套應(yīng)用，對于一家三甲醫(yī)院而言，為了滿足幾十個乃至上百個應(yīng)用系統(tǒng)，在機(jī)房中至少集中幾十臺服務(wù)器。大量的設(shè)備不僅使機(jī)房的空間變得日益緊張，而且還使用電、維護(hù)人力成本以及維保成本等居高不下。大多數(shù)單臺物理服務(wù)器的負(fù)載只是在一天中的某個時段會出現(xiàn)使用高峰，其他時候使用率只有5%～20%，資源浪費嚴(yán)重。

1.2 服務(wù)器維保過期，維修困難，缺支持

醫(yī)院IT經(jīng)過十幾年的發(fā)展，有的服務(wù)器已經(jīng)購買不到原廠的金牌服務(wù)，但仍在繼續(xù)使用。部分服務(wù)器屬于超齡服務(wù)，故障率上升，一旦硬件出現(xiàn)故障，將很難修復(fù)。一些老業(yè)務(wù)系統(tǒng)仍在使用，但找不到原有開發(fā)人員的支持，如果出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，將很難修復(fù)。

1.3 服務(wù)器備份不一致，系統(tǒng)災(zāi)備難統(tǒng)一

醫(yī)院的業(yè)務(wù)系統(tǒng)有的有數(shù)據(jù)庫，有的無數(shù)據(jù)庫，各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)的災(zāi)備技術(shù)方案并不完全一致，需要為每套業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)的備份和容災(zāi)方案。

1.4 服務(wù)器分布式部署，日常監(jiān)控難管理

采用分布式部署的物理服務(wù)器數(shù)量增多，造成系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜，難以進(jìn)行日常監(jiān)控。各應(yīng)用服務(wù)器的健康狀態(tài)、資源情況靠人工巡視。在故障率一定的情況下，系統(tǒng)管理員只能忙于“救火”。

如何很好地解決以上問題，是目前擺在信息科管理者面前比較急迫的問題。虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)，使提高服務(wù)器的利用率，提升服務(wù)管理水平和降低風(fēng)險管理的難度，提升系統(tǒng)的可用性、可靠性，實現(xiàn)節(jié)能減排成為了現(xiàn)實。

2 服務(wù)器虛擬化的實施步驟

針對上述難題，采用服務(wù)器虛擬化整合方案來解決，現(xiàn)主要從3個方面介紹服務(wù)器虛擬化的實施步驟。

2.1 評估當(dāng)前環(huán)境

評估當(dāng)前環(huán)境是實施服務(wù)器虛擬化的關(guān)鍵步驟。收集各服務(wù)器的配置及資源利用率數(shù)據(jù)，對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定虛擬化范圍和目標(biāo)，并對服務(wù)器虛擬化進(jìn)行可行性分析[4]。充分了解服務(wù)器和應(yīng)用的性能參數(shù)，決定轉(zhuǎn)換多少物理服務(wù)器及醫(yī)院業(yè)務(wù)系統(tǒng)到虛擬機(jī)上運行。使用性能監(jiān)控工具測量物理服務(wù)器上CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)和磁盤資源的平均值和峰值，收集1周以上的數(shù)據(jù)進(jìn)行徹底分析。I/O負(fù)載是實施虛擬化的一個重點，嚴(yán)重依賴于數(shù)據(jù)交換的服務(wù)器不容易遷移，如數(shù)據(jù)庫和郵件服務(wù)器。虛擬化在一定程度上增加了I/O開銷，對性能有明顯的影響，有時導(dǎo)致遷移不成功，因此對于需要大量I/O負(fù)載的應(yīng)用不適合采用服務(wù)器虛擬化技術(shù)[5]。不需要特別努力地對所有服務(wù)器進(jìn)行虛擬化，只有當(dāng)虛擬機(jī)達(dá)到雙倍的期望資源時，遷移才是成功的。

2.2 規(guī)劃虛擬平臺

2.2.1 選擇虛擬化軟件

目前市場上可供選擇的虛擬化軟件有不少，下面4款是服務(wù)器虛擬化部署較常使用的軟件。

（1）VMware：VMware是目前x86虛擬化市場上的佼佼者，VMware vSphere的發(fā)布有相當(dāng)?shù)母偁幜Γ涔δ茇S富，軟件許可按物理服務(wù)器的CPU個數(shù)購買，但有些版本比較昂貴，尤其是功能較多的版本。

（2）Microsoft Hyper-V：微軟的Hyper-V是內(nèi)嵌在Windows2008服務(wù)器上的，只需要購買HYPER-V管理軟件VMM的license即可[6]。如果醫(yī)院信息系統(tǒng)以微軟產(chǎn)品作為系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，與微軟管理工具的集成度很高的話，那么可以考慮選擇Hyper-V。

（3）Xen Server：思杰的Xen Server是一款基于Xen hypervisor的開源虛擬化產(chǎn)品，與Linux保持了高度的集成性。如果使用Linux服務(wù)器的話，可以考慮選擇Xen Server。

（4）Oracle VM：Oracle VM是Oracle公司主打的服務(wù)器虛擬化產(chǎn)品，該產(chǎn)品是基于服務(wù)器虛擬化市場上流行的Xen開源虛擬化技術(shù)開發(fā)的。根據(jù)物理服務(wù)器數(shù)量定價，得到了Oracle全線產(chǎn)品的認(rèn)證支持以及各個主流PC服務(wù)器廠家的認(rèn)證。

選擇哪一款產(chǎn)品需要綜合考慮虛擬化軟件的功能特點、自身的生產(chǎn)環(huán)境、總體擁有成本等因素，并對各產(chǎn)品進(jìn)行比較后，選擇符合預(yù)算并且滿足需求的虛擬化軟件。

2.2.2 設(shè)計部署硬件

購置實施虛擬化的物理機(jī)，需要認(rèn)真設(shè)計部署硬件性能，從而決定其大小，這是服務(wù)器虛擬化的另一個關(guān)鍵步驟。

當(dāng)決定虛擬主機(jī)大小時，要考慮主機(jī)發(fā)生故障時給額外虛擬機(jī)預(yù)留的空間。此外，要為未來架構(gòu)的擴(kuò)展預(yù)留空間。通常，在主機(jī)服務(wù)器上要達(dá)到70%～80%的資源利用率。如果利用率低于70%，則沒有達(dá)到服務(wù)器資源利用最大化的目的。

硬件的平衡也很關(guān)鍵，涉及內(nèi)存、CPU、磁盤、網(wǎng)絡(luò)等，不能存在資源開銷的瓶頸。為虛擬主機(jī)選擇存儲方式對性能有很大的影響，因為不同的存儲解決方案對環(huán)境有不同要求。

2.3 構(gòu)建虛擬環(huán)境

將單臺物理機(jī)虛擬出多個主機(jī)，在各個虛擬主機(jī)上安裝各自的操作系統(tǒng)，也可以將多個物理主機(jī)組成一個虛擬的服務(wù)器池，在同一服務(wù)器上的虛擬機(jī)之間相互隔離，多個虛擬機(jī)之間互不干擾。

服務(wù)器虛擬化將物理服務(wù)器、操作系統(tǒng)及其應(yīng)用程序封裝成可移動的一個或多個檔案文件，即可移動的虛擬機(jī)，每個虛擬機(jī)作為一組文件存在。這些文件模擬整個硬件平臺，包括CPU、RAM和網(wǎng)絡(luò)端口，在服務(wù)器池之間的物理主機(jī)之間進(jìn)行無縫遷移，因此可以方便地通過移動和復(fù)制這些文件的方式來移動和復(fù)制該虛擬機(jī)。這種強(qiáng)有力的技術(shù)打破了“一臺服務(wù)器一個應(yīng)用程序”的傳統(tǒng)體制[7]。

一個好的虛擬化平臺其實就是一個醫(yī)院內(nèi)部的“云計算”服務(wù)平臺。對于即將上線的新的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，只要告知所需的CPU、內(nèi)存、存儲等資源后，即可方便地從現(xiàn)有的虛擬化平臺中劃出一個虛擬機(jī)。這樣，不需要購置硬件設(shè)備即可快速實施。醫(yī)院信息系統(tǒng)在新服務(wù)器和應(yīng)用部署上采用虛擬化技術(shù)，用模版和自動部署向?qū)梢慌_虛擬機(jī)環(huán)境只需20 min左右，服務(wù)器重建和應(yīng)用的加載時間明顯縮短[8]。相對于傳統(tǒng)的應(yīng)用部署方式，縮短了部署時間，降低了部署成本，提高了工作效率。

虛擬化前后對比如圖1所示。

實施服務(wù)器虛擬化應(yīng)用，可以解決服務(wù)器無序擴(kuò)張問題；可將服務(wù)器利用率從5%～20%提高至70%～80%；改善管理靈活性，集中、統(tǒng)一地對各種平臺進(jìn)行控制、管理和維護(hù)；提高系統(tǒng)可用性，在宕機(jī)等災(zāi)難情況下縮短恢復(fù)時間，確保業(yè)務(wù)的連續(xù)性以及處理過程的完整性；加快新服務(wù)器和應(yīng)用的部署，大大縮短服務(wù)器重建和應(yīng)用加載時間；降低運維成本，包括機(jī)房空間、機(jī)柜、網(wǎng)線、耗電量、冷氣空調(diào)和人力成本等；使“老”的應(yīng)用可以在新的硬件上以建立一個虛擬機(jī)的方式運行，而不廢棄原有的軟件投資。

圖1 虛擬化前后對比

3 虛擬化平臺建設(shè)的要點

移動一臺物理計算機(jī)的活動目錄是一個復(fù)雜的技術(shù)操作，需要花費時間和金錢。一切建設(shè)都要從實用出發(fā)，建設(shè)虛擬化平臺也是這樣。為此，在建設(shè)過程中需要考慮3個方面的問題。

3.1 建設(shè)多機(jī)集群

當(dāng)前服務(wù)器虛擬化技術(shù)存在不能跨越單臺物理機(jī)邊界的限制，因為底層的操作系統(tǒng)不能安裝在多臺物理機(jī)上，因此不能將機(jī)房內(nèi)“老”、“舊”的服務(wù)器整合成虛擬服務(wù)器使用。至于一個應(yīng)用系統(tǒng)可以跨越不同的物理機(jī)做負(fù)載均衡，這涉及的是集群的概念，是應(yīng)用層的問題，而不是虛擬化架構(gòu)的問題。

因為單臺物理機(jī)無法達(dá)到業(yè)務(wù)高可用性的要求，因此至少需要2臺物理機(jī)建成一個集群。集群CPU及內(nèi)存為各個服務(wù)器CPU及內(nèi)存的總和，運行在集群之上的虛擬主機(jī)共享集群資源，各個虛擬主機(jī)之間相互隔離，虛擬機(jī)可以在這個集群內(nèi)部進(jìn)行遷移，達(dá)到業(yè)務(wù)的高可用性要求[9]。

3.2 使用高配置的物理服務(wù)器

從性價比的角度出發(fā)，對于部分性能較低的物理服務(wù)器則不建議作為虛擬平臺服務(wù)器。盡量使用高配置的物理服務(wù)器，這樣才能將盡可能多的業(yè)務(wù)系統(tǒng)放在虛擬機(jī)環(huán)境中，從而減少了物理機(jī)數(shù)量，達(dá)到降低運維成本的目的，產(chǎn)生良好的擴(kuò)展性。

對于資源利用率本來就很高的應(yīng)用（如安裝在高性能物理服務(wù)器上、平均CPU占用率已經(jīng)大于75%的應(yīng)用）沒有必要虛擬化，否則加大了運行風(fēng)險，而且虛擬化之后勢必會影響與之處于同一服務(wù)器上的其他應(yīng)用的運行速度。對于負(fù)載很高的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，需要單獨搭建符合其特性的物理機(jī)系統(tǒng)，如Oracle RAC集群架構(gòu)等，而不適合將這些應(yīng)用放到虛擬機(jī)平臺上。如果醫(yī)院信息系統(tǒng)使用了小型機(jī)，業(yè)務(wù)很穩(wěn)定，并不需要將高端的應(yīng)用遷移到PC服務(wù)器上。應(yīng)避免將相同的系統(tǒng)資源密集型應(yīng)用和在相同時段有較高資源使用率的應(yīng)用系統(tǒng)整合到一臺物理服務(wù)器上，應(yīng)保留基于原有物理服務(wù)器的應(yīng)用[10]。

3.3 制定整體的服務(wù)器整合解決方案

利用一些服務(wù)器性能監(jiān)測工具，監(jiān)控一定時期內(nèi)的現(xiàn)有基礎(chǔ)架構(gòu)，得出相應(yīng)的報告，顯示需要托管多少虛擬機(jī)、虛擬機(jī)的類型、虛擬機(jī)相對物理機(jī)的期望托管比例。哪些業(yè)務(wù)系統(tǒng)要放到虛擬化平臺上、使用什么性能的虛擬機(jī)，對不同的負(fù)載采用不同的方案，在硬件、基礎(chǔ)架構(gòu)方面作出更多的深入分析和優(yōu)化的投入等等。對于服務(wù)器少于20臺的醫(yī)院而言，服務(wù)器虛擬化帶來的效益可能和部署一臺服務(wù)器對應(yīng)一套應(yīng)用帶來的成本持平，甚至倒掛。因此，不必跟風(fēng)實施，需要結(jié)合實際，對服務(wù)器、負(fù)載、應(yīng)用和業(yè)務(wù)需求、安全管理等方面作出全面研究和規(guī)劃，深思熟慮后再確定。

4 結(jié)語

服務(wù)器虛擬化技術(shù)的出現(xiàn)為醫(yī)院的IT架構(gòu)帶來了新的選擇，更靈活的資源調(diào)配、更高效的管理控制、更高的可靠性和可用性，大大降低了醫(yī)院每年對IT設(shè)施的投入。通過虛擬化技術(shù)，可以成功地實現(xiàn)服務(wù)器整合，將服務(wù)器數(shù)量減到最少，加速了應(yīng)用業(yè)務(wù)和測試環(huán)境的部署，降低了服務(wù)器的管理難度，降低了風(fēng)險管理的難度，有效地提升了系統(tǒng)的可用性、可靠性，為醫(yī)院IT系統(tǒng)的業(yè)務(wù)連續(xù)性和節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

[1]魯長濱，郭云龍，張雨.虛擬化服務(wù)器在醫(yī)院信息化中的探索與應(yīng)用[J]．醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（7）：54-55，63．

[2]韓愛華．虛擬化技術(shù)與在構(gòu)建數(shù)字化醫(yī)院中的應(yīng)用研究[J]．醫(yī)療裝備，2012，25（8）：16-18．

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[4]孟群，屈曉暉．虛擬化技術(shù)在醫(yī)院信息平臺服務(wù)器整合中的應(yīng)用[J]．中國數(shù)字醫(yī)學(xué)，2011，6（7）：8-12．

[5]李波．服務(wù)器的虛擬化技術(shù)在醫(yī)院信息系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．醫(yī)療裝備，2010，23（12）：15-16．

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[10]陳利佳，李剛榮，汪鵬，等．服務(wù)器虛擬化技術(shù)在臨床信息中心的應(yīng)用探索[J]．中國數(shù)字醫(yī)學(xué)，2012，7（9）：65-67．

（收稿：2014-04-10 修回：2014-08-20）

Virtualization technology enabling hospital server consolidation

YANG Mei,PAN Xiao-lei
（Department of Information,Guangdong Provincial Corps Hospital of the CAPF,Guangzhou 510507,China）

ObjectiveTo apply virtualization technology to server consolidation in order to realize high availability of hospital IT system,continuity of operation,energy saving and pollutant reduction.MethodsThe server was virtualized by evaluating the existing environment,planning virtual platform,constructing virtual environment and etc.ResultsThe utilization ratio of the server was increased from within 5%and 20%to within 70%and 80%.ConclusionServer virtualization increases system availability and reliability while decreases the investment on hospital IT infrastructure.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（3）：121-123]

virtualization;server consolidation;high availability;operation and maintenance costs

R318；TP393.1

A

1003-8868（2015）03-0121-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.03.121

楊 眉（1974—），副主任，工程師，主要從事醫(yī)院信息化建設(shè)方面的研究工作，E-mail：amei_yang@163.com。

510507廣州，武警廣東省總隊醫(yī)院信息科（楊 眉，潘曉雷）