服務器虛擬化技術及其在醫(yī)院的應用

馬錫坤，張穩(wěn)

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 a.信息科；b.訓練中心，江蘇 南京 210002

1 服務器虛擬化的概念

1.1 服務器虛擬化的定義

服務器虛擬化是把物理服務器的資源抽象整合成一個邏輯資源，然后虛擬成多臺相互隔離的虛擬服務器即虛擬機[1]。所有的應用都是在這個邏輯設備上運行，充分利用了單臺物理設備的運算能力，打破了1臺服務器1個應用系統(tǒng)的傳統(tǒng)結構，能夠提高服務器的復用率和利用率，實現服務器的高可用性。服務器的虛擬化在硬件和操作系統(tǒng)之間引入了虛擬化層。虛擬化層允許多個操作系統(tǒng)實例同時運行在1臺物理服務器上，動態(tài)分區(qū)和共享所有可用的物理資源，包括：CPU、內存、存儲和I/O設備。

1.2 虛擬機基本原理

虛擬機是運行操作系統(tǒng)和應用程序的軟件計算機，與物理機相似[2]。虛擬機包含1組規(guī)范和配置文件，由主機的物理資源支持。虛擬機并不是真正的機器，但它能像真正的機器一樣工作，每個虛擬機就像1臺獨立運行的服務器，有自己的一套虛擬硬件，從上層操作系統(tǒng)和軟件看來，它們就是一臺臺相對獨立的服務器。不同的虛擬機可以運行相同或不同類型的操作系統(tǒng)，作為不同業(yè)務的支撐平臺。每個虛擬機都有可提供與物理硬件相同功能的虛擬設備，而且在可移植能力、可管理性和安全性方面更出色。

1.3 虛擬基礎架構

虛擬架構可以將操作系統(tǒng)和應用從硬件上分離出來，打包成獨立的、可移動的虛擬機，從而帶來了極大的靈活性。支持虛擬機的基礎架構包含2個軟件層：虛擬化層和管理層，見圖1。虛擬化層提供虛擬化功能，用于將主機硬件作為一組標準化資源進行聚合并將其提供給虛擬機。管理層用于將多個主機的資源加入池中并管理這些資源，而且可以有效監(jiān)控和管理物理及虛擬基礎架構，可以管理虛擬機的資源、置備虛擬機、調度任務、收集統(tǒng)計信息日志、創(chuàng)建模板，實現虛擬機的高效自動化資源管理及高可用性。

2 服務器虛擬化發(fā)展現狀

虛擬化技術于20世紀60年代出現在IBM的大型機上，利用它可以對屬于稀有而昂貴的大型機硬件進行分區(qū)，從而提高大型機的利用率。虛擬化和系統(tǒng)分區(qū)在大型機系統(tǒng)上存在了幾十年。到20世紀80年代，因為基于x86架構的計算機可以提供更有效、更經濟的方法來分配處理能力，那時虛擬化技術不再廣泛使用。但是，隨著x86架構的PC服務器性能逐漸提高，到20世紀90年代，人們開始將虛擬化技術引入x86平臺，特別是最近幾年，PC服務器性能突飛猛進，它們具有強大的處理能力、海量的內存，具有硬件輔助虛擬化技術、極強的可擴展性、極高的可靠性，虛擬化技術再次得到人們的關注。

目前，服務器虛擬化技術在國內外已被廣泛應用[3-4]，正改變著服務器的使用方式。據市場研究公司Gartner稱，目前大約16%的企業(yè)服務器是虛擬化的。財富500強的企業(yè)中，99%都開始使用虛擬化技術。一些遠程接入和應用接入廠商也積極轉型，加入應用虛擬化大軍。這個市場的領先者美國公司VMware有15萬多用戶，技術優(yōu)勢明顯，產品線豐富，高端用戶多，在國內占有相當大的市場份額。自2007年進駐中國市場以來，VMware公司在中國的市場占有率已高達80%。但在過去的幾年間，VMware競爭對手的技術有了大幅改進，可供選擇的廠商逐漸增多，有競爭力的選擇方案趨于成熟。

3 服務器虛擬化在醫(yī)院的應用

近年來，醫(yī)院在信息化建設和應用方面發(fā)展迅速，醫(yī)院數據中心有著各種各樣的服務器，運行著數量眾多的業(yè)務系統(tǒng)，核心系統(tǒng)一般為雙機環(huán)境，其他系統(tǒng)一般均為單機運行，1個應用系統(tǒng)對應1臺物理服務器[5]。單服務器單應用的部署模式，導致服務器資源利用率很低，造成大量服務器資源、電力、維護人力的浪費。并且應用系統(tǒng)單機運行，單點故障隱患嚴重，其可用性、安全性較低。而為了實現應用系統(tǒng)的高可用性，需投入成倍的服務器，造成投資成本加大，且資源得不到充分利用。正是由于上述原因，虛擬服務器在醫(yī)院的應用正逐步深入[6]。經調研論證，我們采用VMware vSphere服務器虛擬化軟件[7-8]，把8個刀片服務器和2臺高性能PC服務器整合成1個虛擬計算池,采用EMC存儲設備作為共享存儲，構建了一個虛擬化平臺，其在醫(yī)院的應用主要體現在以下幾個方面：

（1）全面整合服務器，合理利用資源。醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）、實驗室信息系統(tǒng)（LIS）、影像傳輸和通訊系統(tǒng)（PACS）、電子病歷（EMR）等各類應用系統(tǒng)眾多，通過虛擬架構整合服務器，在1臺服務器上運行多個虛擬機，提高了服務器的使用效率，減少了物理機數量，節(jié)省硬件對空間的占用[9]。服務器虛擬化可根據各應用情況動態(tài)調節(jié)資源，動態(tài)地實現服務器資源負載平衡，根據業(yè)務優(yōu)先級向正確的應用程序提供正確的資源，更加合理地分配資源，提高服務器的利用率。在1臺服務器上運行多個操作系統(tǒng)和應用，使新的硬件支持老的應用，滿足系統(tǒng)和應用遷移的需要，使得數據中心可以撤退舊的硬件，有效利用資源。借獨特的動態(tài)優(yōu)化和內存管理功能，實現了最高的服務器整合率。

（2）快速部署服務器，加速推進應用。虛擬化整合前，為新應用安裝開發(fā)測試環(huán)境或上線部署時，每臺物理機要安裝操作系統(tǒng)，打補丁，進行安全設置，實施速度慢。虛擬化整合后，用虛擬架構預備新的項目，可以主動地提前規(guī)劃硬件資源。在新版EMR系統(tǒng)試運行時，通過預先制定好的操作系統(tǒng)、應用模板或拷貝虛擬機，快速部署了數據庫、中間件等各類服務器和開發(fā)測試環(huán)境。當系統(tǒng)正式上線后應用需求增加時，迅速創(chuàng)建了更多虛擬機而不增加物理服務器，大大降低服務器重建和應用加載時間，快速響應系統(tǒng)上線需求，避免了每部署一套新的應用就要采購一次設備，從而改變了新應用上線部署周期長的局面。

（3）實現系統(tǒng)高可用，排除單點故障。服務器虛擬架構的高可用功能為在虛擬機中運行的任何應用程序提供了經濟高效的高可用性解決方案[10-11]，而不需要考慮其應用操作系統(tǒng)設置或應用系統(tǒng)基礎硬件配置，顯著降低實施成本。醫(yī)院應用系統(tǒng)服務中斷往往會造成許多的負面影響，因此醫(yī)院應用系統(tǒng)不論規(guī)模大小，絕大部分都要求7×24 h不間斷運行。利用虛擬機構建虛擬服務器集群，有效地實現了HIS的高可用性，排除了設備的單點故障[12-13]。當服務器出現故障時，高可用集群自動切換服務，使故障服務器的業(yè)務迅速平穩(wěn)地遷移到虛擬機，不會發(fā)生任何數據丟失或停機，實現服務不中斷，對業(yè)務無影響。

（4）實現在線式遷移，保障業(yè)務連續(xù)。虛擬化整合前，硬件故障維護或者升級擴容時需要停機進行，容易造成應用中斷，影響業(yè)務正常開展。因此，確保醫(yī)院業(yè)務連續(xù)性的要求對平臺架構的構建提出了新的要求。服務器虛擬化可以快速順應業(yè)務需求，無中斷地按需升級擴容，進行有計劃的服務器維護和升級遷移。虛擬化整合后，通過在線遷移功能將虛擬機遷移至另一臺物理機，實現虛擬機的動態(tài)遷移，而服務不中斷，不影響醫(yī)療業(yè)務的正常開展，從而無需為計劃內的服務器維護安排應用程序停機，保證了業(yè)務的連續(xù)性。

（5）實現節(jié)能和減排，降低運維成本。虛擬化整合前，基本上是單服務器單應用的部署模式，導致醫(yī)院服務器數量不斷增加。利用服務器虛擬化技術，采用虛擬機完成應用需求，減緩了服務器數量的增速，在顯著地節(jié)約能源的同時實現中心機房高效運作，降低了運行和維護成本，包括機房空間、機柜、網線、耗電量、冷氣空調和人力成本等，并且增加了數據中心的靈活性，從而減少數據中心的整體擁有成本。智能化的電源管理，可以優(yōu)化虛擬機的實際運行狀態(tài)，達到耗電最小化，顯著降低用電成本，實現節(jié)能的綠色計算。

（6）集中管理服務器，提高維護效率。醫(yī)院數據中心資源大量增加使得對設備的運行、監(jiān)控和管理變得日益復雜。虛擬化整合后，管理維護的物理機數量大大減少，并且在統(tǒng)一管理平臺里集中管理所有的服務器和虛擬機，全面監(jiān)控系統(tǒng)的利用率和性能，自動通知和報警，通過強壯的訪問控制確保環(huán)境安全，消除了不必要的投資并降低IT基礎架構的管理及維護成本和復雜性。不需要跟虛擬化整合前那樣，硬件維護需要數天的變更管理準備和數小時的維護窗口，現在可以快速地進行硬件維護和升級，從而更高效地提供IT服務。

4 展望

虛擬化技術可以說是云計算時代的核心技術。應用虛擬化最大的障礙是一種思維邏輯。傳統(tǒng)思維是采用應用部署的方式，而不是應用虛擬化的方式。因此，需要轉換思路，改變慣性思維，充分認識應用虛擬化所帶來的高效、安全、節(jié)能等好處。通過服務器整合和虛擬化，控制和減少了物理服務器的數量，明顯提高資源利用率，從而降低硬件成本，減少服務器的電力、維護等各種開銷[14]。但不是買幾臺設備，實行服務器虛擬化，就實現了云計算數據中心。在設備選型配置方面，要充分考慮虛擬化平臺下服務器對高端多核CPU、大內存、高速網絡、高磁盤I/O的要求。堅持整體規(guī)劃的原則，把服務器虛擬化和存儲虛擬化、網絡虛擬化有效融合，更能彰顯虛擬化的價值，發(fā)揮其在醫(yī)院信息化中的作用[15-16]。另外，服務器虛擬化在標準化等方面仍有待完善，還需產業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的共同努力。

[1]韓寓.服務器虛擬化技術研究與分析[J].電腦知識與技術,2011,7(7):1654-1655.

[2]韓晟,陳衍,彭紅波,等.虛擬機在醫(yī)院信息系統(tǒng)中的應用[J].中國醫(yī)療設備,2012,27(5):35-37.

[3]周彩陽.圖書館服務器虛擬化技術可行性分析[J].圖書館論壇,2008,28(3):65-67,27.

[4]Foster I,Zhao Y,Raicu I,et al.Cloud computing and grid computing 360-degree compared[A].Grid Computing Environments Workshop[C].Chicago,2008:1-10.

[5]李先鋒,王凱蕓,呂強,等.三甲醫(yī)院虛擬化技術的研究與實踐[J].中國醫(yī)院,2012,16(2):12-14.

[6]繆一峰.醫(yī)院虛擬化服務器部署[J].計算機應用與軟件,2011,28(8):206-208,259.

[7]吳乾清.基于VMware的數字圖書館服務器虛擬化研究與應用[J].科技情報開發(fā)與經濟,2010,20(21):47-49.

[8]張巍.企業(yè)虛擬化實戰(zhàn)-VMware篇[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[9]劉華.服務器虛擬化技術在企業(yè)中的應用[J].電腦知識與技術,2012,8(8):1929-1932.

[10]曾龍海,張博鋒,張麗華,等.基于云計算平臺的虛擬集群構建技術研究[J].微電子學與計算機,2010,27(8):31-35,40.

[11]耿新民,王少峰,許飛.基于VMware的高可用性集群在電力信息系統(tǒng)中的應用[J].上海電力學院學報,2009,26(4):193-196.

[12]趙志云,李泰環(huán),楊宏橋,等.高可用集群在醫(yī)院信息系統(tǒng)中的設計與實現[J].中國醫(yī)療設備,2008,23(8):31-33.

[13]周渝霞,郝玉清,顧鳳軍.虛擬服務器技術實現醫(yī)院信息系統(tǒng)安全可靠[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2010,31(9):50-51,64.

[14]李波.服務器的虛擬化技術在醫(yī)院信息系統(tǒng)中的應用[J].醫(yī)療裝備,2010,23(12):15-16.

[15]馬錫坤,于京杰,楊國斌.存儲虛擬化技術在醫(yī)院信息系統(tǒng)平臺中的作用[J].中國醫(yī)療設備,2011,26(10):39-40,50.

[16]趙建華,韓智慧.淺談存儲虛擬化與服務器虛擬化[J].電腦知識與技術,2009,5(21):5606,5609.