李曉菲

（南京腦科醫(yī)院 設(shè)備科，江蘇 南京210029）

負(fù)載均衡技術(shù)在醫(yī)院PACS系統(tǒng)升級、改造中的應(yīng)用

李曉菲

（南京腦科醫(yī)院 設(shè)備科，江蘇 南京210029）

目的 完成醫(yī)院從Mini PACS系統(tǒng)向 “大影像中心”的升級、改造，打造一個24×7小時高可用、高安全、可擴展的PACS系統(tǒng)。方法 采用 “雙機、雙核 （雙回路）”思路構(gòu)建服務(wù)器集群，利用負(fù)載均衡技術(shù)實現(xiàn)DAS服務(wù)器、WEB服務(wù)器、復(fù)制服務(wù)器、核心服務(wù)器數(shù)據(jù)智能分流。結(jié)果 PACS原有硬件得到最大化利用，實現(xiàn)了硬件級別的 “零”故障率，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度得到了較大提升。結(jié)論 負(fù)載均衡技術(shù)在PACS系統(tǒng)升級、改造中的應(yīng)用，為實現(xiàn)醫(yī)院的信息化打下堅實的基礎(chǔ)。

負(fù)載均衡；服務(wù)器集群；PACS；雙機雙核

我院于2012年采購了GE的影像歸檔和通訊系統(tǒng) （picture archiving and communication system，PACS），系統(tǒng)上線初期，共連接5臺影像設(shè)備，數(shù)據(jù)量為3 GB／天。隨著醫(yī)院日檢查量的迅速增長，醫(yī)學(xué)影像科近年來新引進了3臺大型醫(yī)療影像設(shè)備。目前檢查量超過了200人次／日，日平均數(shù)據(jù)量總量超過20 GB。2016年我院成立以醫(yī)學(xué)影像科、超聲醫(yī)學(xué)科為中心的“大影像中心”，隨著醫(yī)院信息化建設(shè)的全面推進，PACS系統(tǒng)數(shù)據(jù)量和用戶訪問量將會井噴式增長，服務(wù)器的計算強度和數(shù)據(jù)處理壓力劇增。因此，打造一個24×7小時高可用、高安全、可擴展的PACS系統(tǒng)成為一個迫在眉睫的需要［1］。傳統(tǒng)的解決方案是更換高性能服務(wù)器，其弊端在于：①成本高、資源利用率低；②可擴展性差，無法持續(xù)滿足業(yè)務(wù)量快速發(fā)展的需要；③安全性差，存在單點故障、信息孤島等問題［2-3］。因此本院PACS升級改造摒棄了該方案，選擇通過構(gòu)建服務(wù)器集群的方式，利用負(fù)載均衡技術(shù)，合理分配服務(wù)器間的資源，實現(xiàn)各服務(wù)器集群間的業(yè)務(wù)均衡，以解決PACS系統(tǒng)面臨的上述問題。

1 負(fù)載均衡技術(shù)的基本概念與工作原理

1.1 負(fù)載均衡技術(shù)的基本概念 負(fù)載均衡技術(shù) （load balance）是對處于同一個局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)并同時對外提供一組 （或多組）相同 （或相似）服務(wù)的服務(wù)器提供負(fù)載均衡業(yè)務(wù)［4］。通過負(fù)載均衡特有的調(diào)度算法，將大量并發(fā)的訪問或單個重負(fù)載的運算平均分配到各個服務(wù)器上分別處理，每個服務(wù)器處理結(jié)束后，再將各部分結(jié)果匯總到一起，既減少了用戶等待時間，又提高了服務(wù)器的處理速度。負(fù)載均衡技術(shù)為用戶提供了一種廉價、有效、透明的方法，通過增加吞吐量、擴展服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的帶寬，加強了服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理能力，顯著提高了服務(wù)器的可用性和靈活性。服務(wù)器負(fù)載均衡技術(shù)主要基本元素：①LB設(shè)備 （load balance device）：根據(jù)每個服務(wù)器所處的工作狀態(tài)將用戶的請求均衡地發(fā)給每個服務(wù)器；server：負(fù)責(zé)響應(yīng)和處理各種服務(wù)請求；VSIP（virtual service IP address）：提供用戶訪問時虛擬IP地址，供用戶服務(wù)請求時訪問；server IP：提供服務(wù)器的真實IP地址［5］，供LB設(shè)備分發(fā)服務(wù)請求時訪問。

1.2 負(fù)載均衡技術(shù)工作原理 根據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)方式的不同可將服務(wù)器負(fù)載均衡技術(shù)分為NAT（network address translation）方式和DR（direct routing）方式。兩者對數(shù)據(jù)的處理思路相同，但具體的處理方式有區(qū)別。兩者均是通過LB設(shè)備提供VSIP，用戶不直接訪問server真實地址，VSIP獲得請求服務(wù)后，LB設(shè)備根據(jù)特有的調(diào)度算法將請求均衡地分發(fā)到各個實服務(wù)。NAT方式通過LB設(shè)備分發(fā)服務(wù)請求后，LB設(shè)備會將server IP的地址轉(zhuǎn)換 （目的IP地址為實服務(wù)IP），然后通過路由將請求轉(zhuǎn)發(fā)給各個實服務(wù)。而 DR則不改變server IP的地址，通過將請求的目的MAC地址替換為實服務(wù)的MAC地址后直接將請求轉(zhuǎn)發(fā)給實服務(wù)［6］。NAT方式組網(wǎng)靈活，不需要修改服務(wù)器配置，對服務(wù)器無額外要求，適用于各種組網(wǎng)，而DR方式只有單邊請求通過負(fù)載均衡設(shè)備，設(shè)備負(fù)擔(dān)小，不易成為瓶頸，轉(zhuǎn)發(fā)性能更強。因此充分考慮到并發(fā)數(shù)據(jù)訪問的快速要求，本院選擇使用DR方式的服務(wù)器負(fù)載均衡技術(shù)構(gòu)建PACS網(wǎng)絡(luò)。

2 基于負(fù)載均衡技術(shù)的PACS系統(tǒng)構(gòu)建

本次PACS系統(tǒng)升級的主要原則是 “雙機、雙核 （雙回路）”，基于醫(yī)院未來五年的發(fā)展趨勢，充分利用醫(yī)院現(xiàn)有資源，保證系統(tǒng)健康平穩(wěn)過渡和運行。

PACS系統(tǒng)硬件升級：增加PACS數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WEB服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器各1套，與之前的服務(wù)器形成 “雙機熱備”，以防止單點故障；4臺 HP DL380影像采集服務(wù)器 （data acquisition system，DAS）負(fù)責(zé)圖像壓縮、數(shù)據(jù)緩沖和圖像傳輸?shù)热蝿?wù)；2臺HP DL360服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時同步；增加2套F5公司的BIG IP負(fù)載均衡服務(wù)器 （支持active－stand by工作方式），提供心跳線和線路冗余判斷連接方式，故障自動切換至鏡像連接，為當(dāng)前的連接提供無縫故障恢復(fù)保護，安全性高［7］；2臺歸檔服務(wù)器，實現(xiàn)在線存儲數(shù)據(jù)向近線存儲的歸檔任務(wù)；增加1臺100 T的EMC VNX5500在線存儲設(shè)備，共2臺在線存儲服務(wù)器，實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)分流，提高存儲效率［8］；1臺EMC CX4－480近線存儲設(shè)備。上述硬件設(shè)備均由原廠商提供3年24 ×7當(dāng)天上門硬件服務(wù)，保修期為三年。

軟件配置：PACS服務(wù)器操作系統(tǒng)由早期的Windows XP系統(tǒng)升級為Linux 64位企業(yè)版，可以支持無限大內(nèi)存且不易受病毒侵襲；安裝雙機熱備程序、防火墻，防止單機故障，提高系統(tǒng)安全性；PACS終端工作站安裝RA1000軟件 （RA600的升級版）。終端診斷設(shè)備的操作系統(tǒng)均全部由Windows XP升級為WIN 7系統(tǒng)，提高了各診斷終端的穩(wěn)定性。

負(fù)載均衡架構(gòu)下的PACS系統(tǒng)運行流程：兩臺高性能數(shù)據(jù)庫服務(wù)器作為系統(tǒng)核心，負(fù)載均衡控制器實現(xiàn)硬件級別的智能負(fù)載均衡機制，將DAS服務(wù)器、WEB服務(wù)器、復(fù)制服務(wù)器、核心服務(wù)器的數(shù)據(jù)進行分流，且控制冗余線路切換［9］。在線服務(wù)器定時自檢，24 h圖像數(shù)據(jù)無更新將自動歸檔當(dāng)天數(shù)據(jù)到近線存儲設(shè)備中。工作流程如圖1。

圖1 PACS系統(tǒng)各服務(wù)器工作流程

3 PACS系統(tǒng)升級改造的效果評價

改造后的PACS系統(tǒng)的優(yōu)點：通過負(fù)載均衡技術(shù)自帶的高級調(diào)度算法，將客戶端請求合理地均衡到各服務(wù)器上，最大化服務(wù)器性能的利用率，解除系統(tǒng)傳輸?shù)乃俣绕款i，使PACS具有更高的性能；通過BIG IP自帶的管理軟件實時監(jiān)控服務(wù)器群組的流量和健康狀態(tài)，保證在部分硬件和軟件發(fā)生故障的情況下，整個系統(tǒng)的服務(wù)仍然可用；通過服務(wù)器集群技術(shù)，將多個獨立服務(wù)器構(gòu)成一個虛擬服務(wù)器，保證系統(tǒng)服務(wù)的連續(xù)性，且保持了用戶操作的一致性［10-11］；實施周期短，2～3周內(nèi)即可完成系統(tǒng)升級。本次PACS系統(tǒng)的升級改造按照 “雙機、雙核（雙回路）”的主要原則，通過組建服務(wù)器集群，利用負(fù)載均衡技術(shù)，完成24×7小時高可用、高安全、可擴展的PACS系統(tǒng)的構(gòu)建；PACS系統(tǒng)的核心服務(wù)器數(shù)據(jù)處理能力得到了顯著提升，整個系統(tǒng)架構(gòu)更加清晰，解決了核心服務(wù)器單點故障問題；影像存儲被分配到兩臺存儲器進行處理，容量由原有的30 T提升至100 T，處理速度快，安全性高［12-13］，可擴展性強。

4 結(jié)語

隨著國家醫(yī)改工作的深入進行，醫(yī)院已經(jīng)出現(xiàn)了集團化建設(shè)的體系架構(gòu)［14］，如何解決影像數(shù)據(jù)傳輸緩慢甚至宕機這類問題，建立一個24×7小時高可用、高安全、可擴展的PACS系統(tǒng)成為迫在眉睫的問題。本次系統(tǒng)升級通過組建服務(wù)器集群的方式，利用負(fù)載均衡技術(shù) （load balance）對集群的服務(wù)器之間進行業(yè)務(wù)均衡，解決了服務(wù)器單點故障引起的系統(tǒng)宕機問題，同時使各服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理能力得到了顯著的提升，為全面實現(xiàn)醫(yī)院信息化管理打下了堅實的基礎(chǔ)。

[1] 胡敏.模塊化PACS系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)研究 [J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué), 2015,10(11):57-59.

[2] 仲曉偉,王建強.GE PACS/RIS的升級改造 [J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2009,30(9):55-56.

[3] 李婧,束研,張紅燈,等.PACS數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué),2011,6(7):71-73.

[4] 劉謙.基于負(fù)載均衡技術(shù)的大型醫(yī)院PACS系統(tǒng)建設(shè) [J].中國醫(yī)療器械信息,2013,(7):1-4.

[5] 趙旺林.負(fù)載均衡技術(shù)及應(yīng)用部署模式探討 [J].有限電視技術(shù), 2014,(7):77-80.

[6] 張燁,王俊玲,肖革新.應(yīng)用虛擬專用網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)直報系統(tǒng)信息傳輸平臺 [J].醫(yī)學(xué)信息學(xué)雜志,2009,30(12):21-23.

[7] 曹新志,沈君姝,李昂,等.醫(yī)院PACS/RIS系統(tǒng)的架構(gòu)和實施探討[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2014,35(1):57-59.

[8] 王晨希,任海萍,李佳戈.集群在PACS系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].中國醫(yī)療器械雜志,2012,36(5):385-387.

[9] 陳文輝,朱大榮,王楚雄,等.RIS/PACS在大型綜合性醫(yī)院的建設(shè)與應(yīng)用 [J].中國數(shù)字醫(yī)學(xué),2007,2(1):35-38.

[10] 鄧曉焱,何仲廉,馬嘉潛.PACS服務(wù)器與存儲集群系統(tǒng)遷移方案設(shè)計及實現(xiàn) [J].中國醫(yī)療設(shè)備,2015,30(3):124-126.

[11] 郭晉蜀,邱慶春.大集群PACS的設(shè)計 [J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2009,30 (7):41-43.

[12] 金昌曉,陳仲強,田金,等.大型醫(yī)院PACS/RIS系統(tǒng)建設(shè)實例總結(jié)[J].中國醫(yī)院,2008,12(7):76-77.

[13] 淡攀東,查云飛.SAN架構(gòu)存儲技術(shù)在PACS中的應(yīng)用 [J].中國醫(yī)療設(shè)備,2013,28(7):38-39.

[14] 周茉,劉蓉,陳琦.醫(yī)院管理信息網(wǎng)絡(luò)高可用性的研究與實現(xiàn) [J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2006,20(1):77-80.

（責(zé)任編輯：常海慶）

Application of Load Balance in Upgrade and Transformation of PACS in Hospital

LI Xiaofei(Department of Medical Equipments,Nanjing Brain Hospital,Nanjing 210029,China)

ObjectiveTo complete the upgrade and transformation from Mini PACS to"Large Image Center",a PACS system with high availability of 24×7 hours,high safety and extendibility.MethodsThe sever clusters were built with the thought of"dual device and dual core(double loops)".The intelligent distributary of data among DAS sever,WEB sever,copy sever and core sever was accomplished with the technique of load balance.ResultsPACS original hardwares were used maximumly with"zero"failure rate of hardware level,and the network transmission speed increased greatly.ConclusionsThe application of load balance technique in upgrade and transformation of PACS system provides a solid foundation of hospital informationization.

Load balance;Server cluster;PACS;Dual device and dual core

R197.32

A

10.3969/j.issn.1674-4659.2017.01.0021

2016－07－15

2016－10－24

李曉菲 （1981－），女，本科學(xué)歷，雙學(xué)士學(xué)位，工程師，研究方向：設(shè)備保障與管理。