何海燕 陳亞文

醫(yī)院私有云雙活數(shù)據(jù)中心的研究與設(shè)計(jì)

何海燕①陳亞文②*

目的：研究與設(shè)計(jì)一套既滿足醫(yī)療業(yè)務(wù)連續(xù)性需求、又能保證數(shù)據(jù)的容災(zāi)備份系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源最大利用率的數(shù)據(jù)中心方案。方法：針對醫(yī)院數(shù)據(jù)中心建設(shè)現(xiàn)狀，結(jié)合云計(jì)算、虛擬化、存儲雙活、數(shù)據(jù)庫集群等技術(shù)，通過建設(shè)計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、桌面和安全5個資源池，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)云、測試云、災(zāi)備云、桌面云和安全云5個醫(yī)院私有云的應(yīng)用，建立一套恢復(fù)點(diǎn)目標(biāo)(RPO)=0和恢復(fù)時間目標(biāo)(RTO)≈0的醫(yī)院私有云雙活數(shù)據(jù)中心方案。結(jié)果：設(shè)計(jì)出一套具有高可用、高性能、高擴(kuò)展和高便捷管理的醫(yī)院私有云雙活數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)中心的管理和操作簡單便捷，并提高了數(shù)據(jù)資源的利用率。結(jié)論：私有云雙活數(shù)據(jù)中心在滿足業(yè)務(wù)連續(xù)性需求的前提下，可最大限度地實(shí)現(xiàn)資源的充分利用，節(jié)省IT基礎(chǔ)設(shè)施的投資建設(shè)成本。

雙活數(shù)據(jù)中心；云計(jì)算；虛擬化技術(shù)；醫(yī)院信息化；醫(yī)院私有云

隨著醫(yī)院信息化建設(shè)的發(fā)展，為使凝聚了巨大人力、物力和財(cái)力投入的信息基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)揮出更高的效益，保障整個信息系統(tǒng)的平穩(wěn)可靠運(yùn)行，需要有一個可從整體上對互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(internet technology， IT)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行綜合管理的技術(shù)。云計(jì)算是繼20世紀(jì)80年代大型計(jì)算機(jī)到客戶端-服務(wù)器的大轉(zhuǎn)變之后的又一種變革[1]。醫(yī)院私有云雙活數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化醫(yī)院的創(chuàng)新模式，是取得重大突破的有力抓手，是醫(yī)院信息化建設(shè)的重要舉措[2]。

1 醫(yī)院數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀分析

1.1 數(shù)據(jù)中心的建設(shè)

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心建設(shè)主要是服務(wù)器和存儲的建設(shè)。①服務(wù)器，傳統(tǒng)的醫(yī)院數(shù)據(jù)中心將應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)部署在獨(dú)立的物理服務(wù)器上，醫(yī)院信息系統(tǒng)(hospital information system，HIS)、影像歸檔及傳輸系統(tǒng)(picture archiving and communication systems，PACS)、電子病歷(electronic medical record，EMR)、檢驗(yàn)信息系統(tǒng)(Laboratory inform-ation system，LIS)等重要的應(yīng)用都部署在雙機(jī)熱備的兩臺服務(wù)器上，其他系統(tǒng)則根據(jù)醫(yī)院規(guī)?？刹捎脝蝹€物理服務(wù)部署[3]；②存儲架構(gòu)，為了能保障數(shù)據(jù)的安全，傳統(tǒng)存儲架構(gòu)采用雙存儲冗余備份，即2臺存儲，一臺工作，另一臺為備份狀態(tài)，資源嚴(yán)重浪費(fèi)。然而，由于備存儲不在工作狀態(tài)，當(dāng)主存儲發(fā)生問題時備存儲并不能保證正常啟動。

1.2 數(shù)據(jù)中心建設(shè)現(xiàn)狀

(1)數(shù)據(jù)中心管理復(fù)雜。按照傳統(tǒng)模式，所有業(yè)務(wù)系統(tǒng)均運(yùn)行于獨(dú)立的物理服務(wù)器，如果增加新的業(yè)務(wù)則必須要購置新的物理服務(wù)器，則會出現(xiàn)機(jī)房空間短缺、服務(wù)器管理復(fù)雜及資費(fèi)成本增加等問題。

(2)資源利用率低。按照傳統(tǒng)模式，關(guān)鍵業(yè)務(wù)都設(shè)置了雙機(jī)熱備和雙存儲冗余，即只有一臺服務(wù)器和存儲在工作，而另一臺服務(wù)器和存儲一直在備用中，使得資源嚴(yán)重浪費(fèi)。

(3)信息“孤島”。系統(tǒng)架構(gòu)形成信息“孤島”，導(dǎo)致業(yè)務(wù)系統(tǒng)不能橫向擴(kuò)展。所有業(yè)務(wù)系統(tǒng)在物理上被隔離，在邏輯上也缺乏關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致業(yè)務(wù)系統(tǒng)間缺乏信息互通。

2 醫(yī)院私有云雙活數(shù)據(jù)中心建設(shè)

由于醫(yī)院數(shù)據(jù)中心承載著醫(yī)院信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)，重要性高，不允許業(yè)務(wù)中斷是一個真正的7×24 h的實(shí)時業(yè)務(wù)，因此建設(shè)高效、穩(wěn)定的醫(yī)院數(shù)據(jù)中心極其重要。以云計(jì)算技術(shù)架構(gòu)為核心思想，使用“池”的概念，高度整合并充分利用醫(yī)院信息資源，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的資源池，建立節(jié)能、環(huán)保、低碳和綠色云計(jì)算技術(shù)架構(gòu)的動態(tài)數(shù)據(jù)中心。

2.1 私有云數(shù)據(jù)中心

充分利用云計(jì)算的核心技術(shù)——虛擬化技術(shù)，結(jié)合醫(yī)院數(shù)據(jù)中心建設(shè)的特點(diǎn)，構(gòu)建高效節(jié)能的私有云數(shù)據(jù)中心[4]。建設(shè)5個云：即生產(chǎn)云、測試云、災(zāi)備云、桌面云和安全云；5個資源池：即計(jì)算資源池、存儲資源池、網(wǎng)絡(luò)資源池、桌面資源池和安全資源池(如圖1所示)。

圖1 私有云數(shù)據(jù)中心示圖

2.2 私有云雙活數(shù)據(jù)中心

雙活數(shù)據(jù)中心，即區(qū)別于一個數(shù)據(jù)中心和一個災(zāi)備中心的模式，前者在兩個數(shù)據(jù)中心之間無明確的主-備之分，兩個數(shù)據(jù)中心(同城或園區(qū)不同機(jī)房間)均為生產(chǎn)中心且互為備份，同時運(yùn)行為用戶提供業(yè)務(wù)服務(wù)，包括主機(jī)和存儲均可分擔(dān)業(yè)務(wù)負(fù)載，因此稱為“雙活”[5]。

私有云雙活數(shù)據(jù)中心建設(shè)內(nèi)容包含數(shù)據(jù)中心A和數(shù)據(jù)中心B，兩個數(shù)據(jù)中心采用雙活架構(gòu)，利用服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)構(gòu)建新一代私有云數(shù)據(jù)中心，最終達(dá)到恢復(fù)點(diǎn)目標(biāo)(recovery point objectives，RPO)=0、恢復(fù)時間目標(biāo)(recovery time objectives，RTO)≈0。私有云雙活數(shù)據(jù)中心整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 私有云雙活數(shù)據(jù)中心整體架構(gòu)示圖

2.3 資源池設(shè)計(jì)

2.3.1 計(jì)算資源池

計(jì)算資源池采用服務(wù)器虛擬化解決方案，利用業(yè)界領(lǐng)先的VMware的vSphere構(gòu)建云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的虛擬化平臺。使IT能以最低的總體擁有成本(total cost of ownership，TCO)滿足要求最嚴(yán)格的關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用的服務(wù)等級協(xié)議(service level agreement，SLA)。vSphere通過在計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、可用性、安全和自動化等方面提供的一整套應(yīng)用和基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)實(shí)現(xiàn)了完整、高效和安全的虛擬化平臺[6]。

為保證各業(yè)務(wù)應(yīng)用的安全隔離，方案設(shè)計(jì)管理集群、桌面集群、開發(fā)和(或)測試集群、數(shù)據(jù)庫集群和生產(chǎn)集群5個跨數(shù)據(jù)中心虛擬化集群，針對應(yīng)用系統(tǒng)所需USB Key設(shè)計(jì)“USB Key服務(wù)器”(如圖3所示)。

圖3 虛擬化計(jì)算資源池示圖

(1)生產(chǎn)集群。5臺四路刀片和2臺四路機(jī)架服務(wù)器，部署在數(shù)據(jù)中心A3臺刀片、2臺機(jī)架和“數(shù)據(jù)中心B”2臺刀片，用于實(shí)現(xiàn)未來全部業(yè)務(wù)服務(wù)器以及未來新業(yè)務(wù)系統(tǒng)部署。

(2)數(shù)據(jù)庫集群。3臺四路機(jī)架式服務(wù)器，部署2臺在數(shù)據(jù)中心A，1臺在數(shù)據(jù)中心B ，用于所有信息系統(tǒng)的Oracle數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一維護(hù)。采用Oracle Extended RAC技術(shù)實(shí)現(xiàn)3節(jié)點(diǎn)跨數(shù)據(jù)中心的雙活集群架構(gòu)，當(dāng)數(shù)據(jù)中心A中心故障時，數(shù)據(jù)中心B存活的節(jié)點(diǎn)可自動接管業(yè)務(wù)，接管過程對上層業(yè)務(wù)透明，用戶無感知[7]。

(3)開發(fā)測試集群。1臺四路刀片式服務(wù)器，部署在數(shù)據(jù)中心A，用于為開發(fā)測試人員提供測試環(huán)境，利用私有云管理平臺實(shí)現(xiàn)申請、審批、回收的資源生命周期管理，同時可快速克隆線上業(yè)務(wù)系統(tǒng)，用于故障排除測試。

(4)桌面集群。2臺四路刀片服務(wù)器，部署在數(shù)據(jù)中心A和數(shù)據(jù)中心B各1臺，用于門診醫(yī)生站、住院醫(yī)生站等遠(yuǎn)程桌面的桌面云的服務(wù)器。

(5)管理集群。2臺二路機(jī)架式服務(wù)器，部署在數(shù)據(jù)中心A和數(shù)據(jù)中心B各1臺，用于私有云管理、運(yùn)維管理，同時為遠(yuǎn)程運(yùn)維人員提供桌面接入服務(wù)。

2.3.2 存儲資源池

為解決存儲數(shù)據(jù)分散保存和缺少高可靠性保護(hù)等問題，設(shè)計(jì)雙活“FC架構(gòu)”存儲系統(tǒng)。“FC存儲”采用兩臺中高端存儲，分別部署在數(shù)據(jù)中心A和數(shù)據(jù)中心B構(gòu)建雙活存儲架構(gòu)，管理集群、桌面集群、開發(fā)測試集群、數(shù)據(jù)庫集群和生產(chǎn)集群業(yè)務(wù)服務(wù)器部署在此雙活存儲中；

存儲資源需要將位于不同數(shù)據(jù)中心的磁盤陣列系統(tǒng)整合在一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在底層的完全同步。存儲雙活方案作為醫(yī)院的核心基礎(chǔ)架構(gòu)，其架構(gòu)的選擇決定了整個系統(tǒng)是否可靠可用、安全可信賴和彈性可擴(kuò)展[8]。

通過對醫(yī)院需求的分析，結(jié)合醫(yī)院應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，采用存儲雙活、數(shù)據(jù)庫雙活、虛擬化容災(zāi)的數(shù)據(jù)中心方案，存儲雙活的定義是指兩個數(shù)據(jù)中心共享存儲，做到實(shí)時數(shù)據(jù)共享，同時讀取和同時寫入[9]。在兩臺存儲中任意一臺出現(xiàn)故障后，另一臺存儲實(shí)時接管全局的讀取和寫入業(yè)務(wù)。在數(shù)據(jù)庫方面，兩個數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)通過OracleRAC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫雙機(jī)，在存儲層面通過雙活技術(shù)實(shí)現(xiàn)存儲聯(lián)動，保證了存儲的聯(lián)動后，在圖2所示的兩臺光纖交換機(jī)通過裸光纖連接建立交換層的互通。

2.3.3 網(wǎng)絡(luò)資源池

在數(shù)據(jù)中心A和數(shù)據(jù)中心B各部署2臺CE6851作匯聚交換機(jī)，同時部署二層業(yè)務(wù)，兩臺集群部署的S12708作為數(shù)據(jù)中心A網(wǎng)關(guān)，行政樓兩臺集群部署的S7706作為數(shù)據(jù)中心B網(wǎng)關(guān)，兩個網(wǎng)關(guān)基于虛擬局域網(wǎng)(virtual local area network，VLAN)劃分虛擬路由冗余協(xié)議(virtual router redundancy protocol，VRRP)組，使得兩個數(shù)據(jù)中心網(wǎng)關(guān)互為主用與備用，通過骨干環(huán)網(wǎng)部署的雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測(bidirectional forwarding detection，BFD)＋VRRP快速檢測機(jī)制，檢測兩個數(shù)據(jù)中心網(wǎng)關(guān)鏈路狀態(tài)，當(dāng)主數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)故障后，業(yè)務(wù)由S7706接替為VRRP的主設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)主用與備用數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的倒換(如圖4所示)。

圖4 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

業(yè)務(wù)4-7層網(wǎng)絡(luò)功能：①采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化解決方案(VMware NSX)中的分布式防火墻實(shí)現(xiàn)虛擬化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的訪問控制，利用虛擬化感知實(shí)現(xiàn)基于安全組和操作系統(tǒng)類型等細(xì)粒度安全控制；②虛擬化網(wǎng)關(guān)(VMware NSX Edge)組件實(shí)現(xiàn)4-7層負(fù)載均衡，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用可用連接和負(fù)載分配。

2.3.4 安全資源池

為了保障醫(yī)院信息系統(tǒng)的安全，建立安全資源池，保障信息系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、保障醫(yī)療信息的安全可靠[10]。所有的雙鏈路防火墻或者安全網(wǎng)關(guān)均采用Active－Active雙鏈路方案，兩臺防火墻或安全網(wǎng)關(guān)同時工作，互為主用與備用。具有最高級別的可用性和可靠性，同時發(fā)揮兩臺設(shè)備的性能，上下行設(shè)備有一臺失效的情況下仍然可以保持兩臺防火墻雙鏈路同時工作[11]。網(wǎng)絡(luò)安全的架構(gòu)如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)圖

2.3.5 桌面資源池

桌面資源池采用桌面云方案，是通過應(yīng)用云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施、桌面和應(yīng)用等資源的共享，并對其進(jìn)行集中部署和管理，在數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一托管以服務(wù)方式交付桌面的云計(jì)算平臺。即用戶用任何終端設(shè)備(PC機(jī)、平板電腦、手機(jī)等)，通過網(wǎng)絡(luò)可以訪問駐留在服務(wù)器的個人桌面，感覺與使用傳統(tǒng)的個人電腦相同。

桌面云的優(yōu)勢：①安全辦公，醫(yī)療數(shù)據(jù)、應(yīng)用程序運(yùn)行于虛擬機(jī)、本地不保留任何數(shù)據(jù)；②靈活辦公，醫(yī)護(hù)人員可在任意時間、任意地點(diǎn)、任意終端接入，辦公時與座位無關(guān)；③綠色環(huán)保，辦公座位只有顯示器及TC和鍵盤鼠標(biāo)，占用空間小，噪音低，能耗低；④多種外設(shè)，支持多種醫(yī)院常用外設(shè)，如打印機(jī)、掃描槍和語音播報(bào)器等。

2.4 容災(zāi)備份

在住院樓設(shè)立數(shù)據(jù)中心A，在行政科研樓設(shè)立數(shù)據(jù)中心B，通過私有云雙活數(shù)據(jù)中心的5個資源池，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院數(shù)據(jù)中心的容災(zāi)備份[12]。

容災(zāi)備份在解決物理災(zāi)難帶來的業(yè)務(wù)中斷及數(shù)據(jù)丟失的同時，為避免數(shù)據(jù)庫文件誤刪、數(shù)據(jù)庫bug以及數(shù)據(jù)庫升級失誤等邏輯故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，醫(yī)院建立數(shù)據(jù)備份策略，采用數(shù)據(jù)備份一體機(jī)，對醫(yī)院所有的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一備份[13-14]。當(dāng)誤操作發(fā)生時，只需選擇需要恢復(fù)點(diǎn)，即將數(shù)據(jù)恢復(fù)至誤操作前的任一時間點(diǎn)，保障了RPO=0，極大縮短了故障恢復(fù)時間，避免了因邏輯性數(shù)據(jù)錯誤帶來的損失。

在數(shù)據(jù)中心A和數(shù)據(jù)中心B分別放置1臺備份一體機(jī)，防止其中一個數(shù)據(jù)中心完全癱瘓時數(shù)據(jù)丟失。

3 醫(yī)院私有云雙活數(shù)據(jù)中心應(yīng)用效果

(1)管理簡單便捷。采用一個界面即可實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)中心的管理和操作，使數(shù)據(jù)中心管理簡單便捷，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)中心管理界面圖

(2)資源利用率高。在私有云雙活數(shù)據(jù)中心可隨時查看每個虛擬機(jī)的資源利用情況，可自動調(diào)整資源利用，也可手動調(diào)整，且能夠看到可回收的資源，資源使用情況如圖7所示。

圖7 資源使用情況界面圖

(3)消除信息“孤島”現(xiàn)象。私有云雙活數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，使醫(yī)院數(shù)據(jù)共享不再受物理?xiàng)l件限制，避免醫(yī)院內(nèi)數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)“孤島”現(xiàn)象。

4 結(jié)語

私有云雙活數(shù)據(jù)中心利用云計(jì)算技術(shù)通過建設(shè)計(jì)算資源池、存儲資源池、網(wǎng)絡(luò)資源池、桌面資源池和安全資源池，最終形成醫(yī)療應(yīng)用的生產(chǎn)云、測試云、災(zāi)備云、桌面云和安全云。不僅解決了醫(yī)院數(shù)據(jù)中心的容災(zāi)備份，同時還提高了整個數(shù)據(jù)中心的資源利用率，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心的統(tǒng)一管理[15]。

醫(yī)院私有云雙活數(shù)據(jù)中心方案徹底顛覆了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心“一主一備”的容災(zāi)設(shè)計(jì)方案思路，利用云計(jì)算、服務(wù)器虛擬化、存儲雙活及數(shù)據(jù)庫云平臺等技術(shù)和方法，在滿足業(yè)務(wù)連續(xù)性需求的前提下，最大限度地實(shí)現(xiàn)了資源的充分利用，為用戶節(jié)省IT基礎(chǔ)設(shè)施的投資建設(shè)成本。

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Research and design of dual-active data center of private cloud in hospital

/HE Haiyan, CHEN Ya-wen

Objective:To study and design a disaster recovery backup system that not only can meet the continuous requirement of medical services but also can ensure data so as to achieve a data center plan that has maximum utilization ratio of resources.Methods:Face to the current situation of constructing data center of hospital, the cloud computing, virtualization technique, dual-active storage and database cluster were combined in the research,and through established calculation, storage, network, desktop and safety to finally achieve five private cloud included of producing cloud, testing cloud, disaster recovery cloud, desktop cloud and secure cloud. And then,based on above design to establish a plan about dual-active data center of private cloud included of recovery point objectives(RPO)=0 and recovery time objective(RTO)≈0.Results:This research has designed a dual-data center of private cloud with high availability, high performance, high expansion and high convenience management. It has realized simple and convenient management and operation for all data centers, and enhanced the utilization ratio of data resources.Conclusion:The dual-active data center of private cloud can farthest realize full use for resource and save investment and construction costs of IT infrastructure under the preconditions of meeting the continuous requirement of medical services.

Dual-active data center; Cloud computing; Virtualization technique; Hospital informatization; Hospital private cloud

Department of Information, Inner Mongolia Maternal and Child Health Care Hospital,Hohhot 010020,China.

何海燕,女,(1984- ),碩士，工程師。內(nèi)蒙古婦幼保健院信息科，從事醫(yī)療信息化管理工作。

1672-8270(2017)12-0104-04

R-058

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.12.029

①內(nèi)蒙古婦幼保健院信息科 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020

②內(nèi)蒙古婦幼保健院器械科 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020

*通訊作者：438780899@qq.com

//China Medical Equipment,2017,14(12):104-107.

2017-06-25