陳雷

東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院江北院區(qū) 信息中心，江蘇 南京 210044

基于VMware vSphere云計算技術(shù)構(gòu)建醫(yī)院虛擬化信息平臺

陳雷

東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院江北院區(qū) 信息中心，江蘇 南京 210044

目的 利用虛擬化技術(shù)整合醫(yī)院業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)，優(yōu)化醫(yī)院管理，保證醫(yī)院業(yè)務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。方法 使用VMware vSphere云計算將多臺物理服務(wù)器組建成高可用性（HA）集群，將醫(yī)院信息系統(tǒng)原有的21臺服務(wù)器縮減至7臺，再根據(jù)具體應(yīng)用重新分配服務(wù)器工作任務(wù)。結(jié)果 大大提高了硬件服務(wù)器的資源利用率，為醫(yī)院節(jié)約了建設(shè)成本，并且使系統(tǒng)易于管理和維護。通過HA的構(gòu)建，有效地保障了醫(yī)院各信息系統(tǒng)運行的連續(xù)性、穩(wěn)定性及系統(tǒng)安全。結(jié)論 集團化醫(yī)院虛擬化信息平臺的建設(shè)，實現(xiàn)了集團醫(yī)院內(nèi)各醫(yī)院資源的高度共享、統(tǒng)一調(diào)度，提高了醫(yī)院現(xiàn)代化管理水平。

云計算；虛擬服務(wù)器；物理服務(wù)器；醫(yī)院信息系統(tǒng)

引言

我院以引進高新技術(shù)為突破口，以信息化管理為先導(dǎo)，充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合醫(yī)院信息化實際情況構(gòu)建云計算虛擬化平臺。目前該平臺運行穩(wěn)定可靠，具有良好的經(jīng)濟性和擴展性，且成本低、易維護。

1 服務(wù)器虛擬化技術(shù)概述

服務(wù)器虛擬化技術(shù)（VMware vSphere）由VMware公司推出，被稱為第一款云計算操作平臺。VMware vSphere技術(shù)能將系統(tǒng)中應(yīng)用部分和操作程序與底層分開，從而簡化計算機操作流程。根據(jù)應(yīng)用程序需求調(diào)配專用資源，并通過硬件服務(wù)器對系統(tǒng)資源實施有效管理。對比ESX Server，VMware vSpher可以承載更多虛擬機。

該平臺主要由3部分組成： VMware ESX4、VMware vCenter以及VMware Infrastructure CIient[1]。其中VMware ESX4負責(zé)整合硬件服務(wù)器資源，把硬件資源統(tǒng)籌合理分配到各虛擬機中，并保證全部虛擬機正常并行；VMware vCenter負責(zé)VMM的管理與整合，提升虛擬構(gòu)架的可見性，進行可視管理，集中控制，充分發(fā)揮VMware vCenter的優(yōu)勢；VMware Infrastructure CIient是一款管理客戶端的應(yīng)用軟件。

VMware vSphere是利用虛擬化技術(shù)[2]，將信息數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)化為云計算架構(gòu)，并通過虛擬化技術(shù)手段提供調(diào)配及部署功能，實現(xiàn)資源智能化遷移、實現(xiàn)硬件資源負載平衡，優(yōu)化資源配置，根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級別分配資源，VMware vSphere的基本框架，見圖1。

圖1 VMware vSphere基本框架圖

2 我院虛擬化系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃解決方案

目前，醫(yī)院日門診量達3580人次，住院人數(shù)約1907人。醫(yī)院各信息系統(tǒng)共有硬件服務(wù)器21臺，實施服務(wù)器虛擬化使硬件服務(wù)器縮減至7臺（服務(wù)器型號是HP DL580G7）。作為安裝VMware vSphere虛擬化平臺的物理服務(wù)器，配備兩顆10核至強處理器E7-4850、128 G內(nèi)存、4塊300 G 10K 6 G 2.5 SAS熱插拔硬盤，2塊雙口8 G FC HBA卡，雙通道光纖連接存儲服務(wù)器。

使用VMware vSphere將多臺物理服務(wù)器組建成高可用性（HA）集群[3]，通過服務(wù)器有效整合，從而大大降低總體建設(shè)成本。嚴格控制和減少物理服務(wù)器的數(shù)量，明顯提高了每個物理服務(wù)器的資源利用率，也降低醫(yī)院運營和維護成本。VMware vSphere的在線動態(tài)遷移技術(shù)，可將現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)平穩(wěn)遷移到虛擬化平臺[4]。VMware的ESX的高可用HA技術(shù)保護，可杜絕因服務(wù)器硬件故障而造成業(yè)務(wù)系統(tǒng)的停機，其高可用技術(shù)可以在最短的時間內(nèi)自動恢復(fù)業(yè)務(wù)運行，實現(xiàn)零停機保護[5]，高度實現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的可用性，讓醫(yī)院信息系統(tǒng)永不止步。當(dāng)虛擬機負載很高的時候，平臺會自動遷移到新的硬件，實現(xiàn)更高的運行負載能力。虛擬平臺擴展性，可以通過增加硬件服務(wù)器的方式來擴展。

2.1 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)

為了整合醫(yī)院目前的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，優(yōu)化科學(xué)管理，保證醫(yī)院業(yè)務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高可用、可遷移、可適應(yīng)未來的高負載運行要求，方案主要針對目前醫(yī)院的各信息系統(tǒng)資源進行整合，見圖2。醫(yī)院未來將會把更多的服務(wù)器整合上線管理，初期選用7臺四路服務(wù)器作為VMware ESX服務(wù)器，再利用2臺獨立物理服務(wù)器作為重要的PACS和HIS的主工作服務(wù)器，外加1臺VMware vCenter管理中心虛擬服務(wù)器[6]，所有的服務(wù)器都接上FC-SAN共享存儲，VMware虛擬化平臺方案拓撲圖，見圖2。平臺使用ESX Server作為服務(wù)器虛擬化的主要底層的支撐系統(tǒng)[7]，安裝在4臺高性能的服務(wù)器上，并在4臺高性能的服務(wù)器上加裝雙網(wǎng)口網(wǎng)卡，加上原有服務(wù)器上的4個網(wǎng)卡，平臺服務(wù)器上總共有8個網(wǎng)卡可以使用。其中的6個網(wǎng)卡分別進行網(wǎng)絡(luò)聚合，是對外服務(wù)的網(wǎng)卡，聯(lián)接2個不同的交換機；另外2個網(wǎng)卡分別用于做心跳網(wǎng)、VMware的核心交換網(wǎng)，而VC Server用于管理所有的ESX Server。

圖2 VMware虛擬化平臺方案拓撲圖

2.2 角色分配

ESX服務(wù)器，在這次的架構(gòu)中使用3臺服務(wù)器用于支撐醫(yī)院信息系統(tǒng)的正常運行，在日常的正常運行中兩臺服務(wù)器同時工作，并且互為備份，兩臺服務(wù)器配置為HA的高可用[8-9]工作方式，當(dāng)其中任意一臺出現(xiàn)故障，上面運行的虛擬機都可以自動切換過來，保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)在幾分鐘之內(nèi)就可以恢復(fù)正常運行。

HIS與PACS所承載的物理服務(wù)器，架構(gòu)中設(shè)置了兩臺專用的服務(wù)器，一般情況下HIS與PACS服務(wù)器主要用于支撐日常的工作，同時與虛擬服務(wù)器的HIS與PACS做為群集，只有當(dāng)前面的物理服務(wù)器出現(xiàn)了故障后，才需要切換到虛擬服務(wù)器中的HIS或PACS。當(dāng)物理服務(wù)器修復(fù)后，可以把工作負載重新在切換回物理服務(wù)器，通過使用物理與虛擬機的群集來做HIS與PACS的高可用，從而保障醫(yī)院業(yè)務(wù)系統(tǒng)正常運行。平臺硬件配置，見表1。

2.3 虛擬服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案

vSphere 4.0的企業(yè)增強版的虛擬交換機是分布式交換機，平臺對分布式交換機的配置進行統(tǒng)一管理配置，考慮到醫(yī)院各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)對于網(wǎng)絡(luò)的要求較高，方案中采用4個網(wǎng)卡進行聚合使用，充分保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。鑒于醫(yī)院各個系統(tǒng)的獨立性，使用VMware的虛擬交換機[10]，把各個虛擬的服務(wù)器進行邏輯隔離。VMware虛擬交換機支持802.11Q的虛擬局域網(wǎng)（VLan）技術(shù)，只需要把VLan號設(shè)置在虛擬的交換機內(nèi)，通過這個交換機的數(shù)據(jù)包都會自動在IP包頭附加上VLan號，從而實現(xiàn)VLan的技術(shù)支持。此時，舊的三層交換機的VLan，可以把虛擬服務(wù)器上的網(wǎng)卡獨立對應(yīng)一個物理網(wǎng)卡，從而可以適應(yīng)任何的網(wǎng)絡(luò)要求（圖3）。

表1 硬件配置

圖3 VMware網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案

2.4 ESX主機層HA高可用解決方案

本次方案運用了目前最先進的VMware 云計算平臺，這個平臺提供了平臺硬件的HA高可用解決方案，當(dāng)平臺內(nèi)的硬件服務(wù)器出現(xiàn)故障時，原運行在這個硬件服務(wù)器上的所有虛擬機都會自動切換到其他可正常工作的硬件服務(wù)器上，所以通過使用HA技術(shù)，可以為所有運行在這個VMware云計算平臺內(nèi)的所以虛擬機提供HA高可用的解決方案，充份保證醫(yī)院信息系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地運行。

2.5 存儲方案設(shè)計

FC-SAN存儲通過光纖連到光纖交換機，VMware ESX可以支持管理多通道的負載均衡與失效轉(zhuǎn)移，不需要安裝額外的多通道管理軟件。此VMware ESX使用的VMFS磁盤格式可以支持新型分布式服務(wù)，虛擬機完全封裝在虛擬磁盤文件中，這些文件集中存儲在共享的SAN存儲中。集中存儲方式在企業(yè)環(huán)境中更為常見，這樣，其他ESX也可以使用共享的SAN來集中訪問各個虛擬機。這種配置功能很強大，因為它允許資源池中包含多個ESX并行訪問若干相同的文件來引導(dǎo)和運行虛擬機，并能夠?qū)μ摂M機存儲進行有效的虛擬化（圖4）。

3 平臺建設(shè)效果

通過VMware vSphere云計算技術(shù)構(gòu)建的信息化平臺，整合了系統(tǒng)硬件資源，根據(jù)具體應(yīng)用分配虛擬服務(wù)器，大大提高了硬件服務(wù)器的資源利用率，不但為醫(yī)院節(jié)約了成本，并且易于管理和維護系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過HA的構(gòu)建有效保障了醫(yī)院系統(tǒng)運行的連續(xù)性[11-16]：

圖4 存儲方案設(shè)計圖

（1）通過服務(wù)器整合，控制和減少了物理服務(wù)器的數(shù)量，明顯提高每個物理服務(wù)器及其CPU的資源利用率，從而降低硬件成本和運營維護成本。

（2）加快了服務(wù)器和應(yīng)用的部署，大大降低服務(wù)器重建和應(yīng)用加載時間。同時，快速進行硬件的維護和升級，提高了運營效率。

（3）建立醫(yī)院業(yè)務(wù)和IT資源之間的關(guān)系，使IT和業(yè)務(wù)優(yōu)先級對應(yīng)。將所有服務(wù)器作為大的資源統(tǒng)一進行管理，并按需進行資源調(diào)配，提高了服務(wù)水平。

（4）虛擬化打破了操作系統(tǒng)和硬件的必然聯(lián)系，實現(xiàn)了對舊硬件和操作系統(tǒng)的投資保護。

（5）為以后的集中網(wǎng)絡(luò)存儲提供可能。利用網(wǎng)絡(luò)存儲的優(yōu)勢，將分散的數(shù)據(jù)集中管理備份，為服務(wù)器和應(yīng)用以及以后的容災(zāi)打下了基礎(chǔ)。同時，通過虛擬機的特有功能和網(wǎng)絡(luò)存儲的有效結(jié)合，提高了應(yīng)用的可用性，移動性和靈活性。

4 問題與思考

VMware vSphere虛擬化平臺為醫(yī)院提供一個可靠、高效、靈活的運行平臺，但該平臺也有它的局限性以及待改進的內(nèi)容。

（1）在當(dāng)前的虛擬化環(huán)境中，為實現(xiàn)虛擬化的一些高級特性而必須采用共享存儲方式存儲虛擬化環(huán)境中的所有數(shù)據(jù)，這也導(dǎo)致了關(guān)鍵數(shù)據(jù)的單點問題，這種問題只能通過存儲容災(zāi)方式解決。

（2）虛擬化的架構(gòu)中把多個應(yīng)用放到一臺服務(wù)器上，類似于多個雞蛋放在一只籃子里，一旦出現(xiàn)重大硬件故障的狀況下，雖然有HA保護，但也可能會短時間影響到多個應(yīng)用，尤其是對服務(wù)級別要求較高的應(yīng)用。這種應(yīng)用只能通過在虛擬化環(huán)境中同時加入雙機熱備的方式加以避免。

（3）虛擬化在實際中，并不是百分之百兼容的解決方案，它并不能和所有的應(yīng)用程序或者所有硬件協(xié)調(diào)工作，比如有些應(yīng)用要直接訪問硬件資源，或者需要特定的硬件加密狗等問題，只能采取比較折中的辦法犧牲一些虛擬化的特性加以解決。

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本文編輯 韓淑英

Construction of Virtual Hospital Information Platform Based on VMware vSphere Cloud Technology

CHEN Lei
Information Center, Zhongda Hospital Southeast University(Jiangbei), Nanjing Jiangsu 210044, China

Objective Using virtualization platform to integrate hospital information system, this study optimizes hospital management and ensures the stable operation of the hospital business system. Methods With VMware vSphere, this study assembled several physical servers into a high availability (HA) cluster and integrate system hardware resources, which reduced the number of servers to 7 from original 21. Then, server tasks were redistributed according to specific application. Results Resource utilization of hardware servers was improved greatly, which saved the construction cost for hospital and made management and maintenance easy. The construction of HA guaranteed the continuity, stability and security of each hospital information systems effectively. Conclusion Grouping virtual hospital information platform realized resource sharing and unified dispatches among the group hospitals, and enhanced the hospital modern management level.

cloud computing; virtual server; physical server; hospital information system

TP391.9

C

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.06.032

1674-1633(2017)06-0121-03

2016-09-22

2016-10-12

作者郵箱：33879141@qq.com