基于虛擬化技術(shù)的醫(yī)院信息化平臺設(shè)計

吳艷君，于京杰，馬錫坤

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 信息科，江蘇 南京 210002

1 需求分析

我院信息系統(tǒng)日臻完善。除了醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）、實驗室信息系統(tǒng)（LIS）、醫(yī)學影像存檔與通訊系統(tǒng)（PACS）、電子病歷系統(tǒng)（EMR）等臨床信息系統(tǒng)外，手術(shù)麻醉、手術(shù)示教、重癥監(jiān)護、查房示教、合理用藥檢測、感染控制檢測以及全成本核算等輔助臨床和管理系統(tǒng)也逐步完善。伴隨著這些系統(tǒng)的建立和完善，急劇增加的服務器給醫(yī)院信息平臺管理帶來了一些不可避免的問題。

1.1 系統(tǒng)獨立 資源浪費

在信息系統(tǒng)平臺建設(shè)過程中，為了滿足醫(yī)院各種需要而添置的各種存儲系統(tǒng)，雖然發(fā)揮了各自的作用，但是無法得到整合和充分合理利用[1]。除此之外，部分業(yè)務系統(tǒng)服務器CPU及內(nèi)存負載并不高，而硬盤資源負載很高；另一部分則可能是CPU資源負載過高，而其他資源負載很低。如此高投入、高能耗的服務器群，其中很多資源是被浪費、不能共享的，造成資源利用率低。

1.2 平臺復雜 管理難度大

我院目前信息平臺中的服務器品牌不同、型號不同，操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫也各不相同，無論是系統(tǒng)的搭建、測試環(huán)境的模擬或是管理都非常復雜。傳統(tǒng)模式下，搭建一套業(yè)務系統(tǒng)需經(jīng)歷硬件采購、系統(tǒng)安裝、軟件調(diào)試及發(fā)布等幾個過程，而建立相應的測試環(huán)境則需重復該流程。隨著信息平臺中數(shù)據(jù)庫規(guī)模的增大和數(shù)量類型的增多，這種傳統(tǒng)方法不僅耗費硬件資源，而且搭建周期長，已經(jīng)不能適應如今的信息系統(tǒng)迅速發(fā)展的需求。與此同時，相關(guān)設(shè)備的巡檢維護工作無論在量還是在難度上都成倍增長，特別是在進行機房整理維護時，由于涉及到的硬件設(shè)備種類復雜、數(shù)量龐大，簡單的維護工作也變得異常復雜，需兼顧所有設(shè)備情況，稍不注意可能會使多個系統(tǒng)受影響。

1.3 單點故障增多 系統(tǒng)安全性差

目前，我院應用核心的服務器、數(shù)據(jù)庫都已采用雙機模式，數(shù)據(jù)文件存放在存儲平臺上，通過mirror view鏡像軟件將數(shù)據(jù)實時同步備份。但其他業(yè)務系統(tǒng)則缺乏相應的雙機備份機制，如遇故障，各系統(tǒng)不可避免地會宕機。傳統(tǒng)模式下，將業(yè)務系統(tǒng)升級為雙機模式，除需配置與原服務器性能一致的設(shè)備外，還需為每個業(yè)務系統(tǒng)采購雙機軟件。不同系統(tǒng)架構(gòu)雙機實現(xiàn)方式也各異，如將每個業(yè)務系統(tǒng)都按傳統(tǒng)模式升級為雙機模式，則需要投入的軟硬件成本及人力成本巨大。

1.4 能耗增大 運維成本高

我院機房建于2008年，建立之初，有冗余機柜位5個。僅5年時間，原設(shè)計的機柜位幾乎被占滿，而醫(yī)院各部門對信息系統(tǒng)的需求仍然在快速增加。硬件設(shè)備的急速增多使機房的總體能耗迅速增加，機房的溫濕度控制壓力也不斷加大。2臺精密空調(diào)原設(shè)計為主備輪流切換使用，正常情況下只有1臺設(shè)備工作。隨著設(shè)備規(guī)模擴大，這種雙機模式已經(jīng)不能保證機房溫濕度的控制。為保證機房安全，已改為2臺空調(diào)同時工作模式，失去了冗余功能，使機房安全風險增加。與此同時，客戶端的數(shù)量也迅速增長，造成品牌多、年限跨度大，能耗累積量也增大。傳統(tǒng)模式下的客戶端維護需分別為每個客戶端進行硬件配備、系統(tǒng)軟件及應用軟件安裝，所有的文件數(shù)據(jù)也分別存放于各個PC機中。如果系統(tǒng)發(fā)生故障，則需重新安裝操作系統(tǒng)等軟件，并且有數(shù)據(jù)丟失的風險。無論是中心機房還是客戶端的運維成本都在增加。

綜上所述，傳統(tǒng)模式的醫(yī)院信息平臺已經(jīng)從最初的促進醫(yī)療信息系統(tǒng)發(fā)展的沃土，變成了制約醫(yī)院數(shù)字化進程的瓶頸。如何轉(zhuǎn)變醫(yī)院信息化平臺架構(gòu)已是刻不容緩的課題。

2 概要設(shè)計

本項目旨在利用虛擬化技術(shù)解決以上問題。在我院現(xiàn)有平臺基礎(chǔ)上，構(gòu)建和利用虛擬化平臺，整合系統(tǒng)資源、提高資源利用率、降低設(shè)備能耗，提高各系統(tǒng)的安全性以及整體管理水平。

2.1 提高資源利用率

充分利用現(xiàn)有設(shè)備，建立標準化的資源池。將已有資源納入資源池，實現(xiàn)資源共享，對各業(yè)務系統(tǒng)按需動態(tài)分配硬件資源，提高資源利用率。

2.2 提高各系統(tǒng)安全性

利用虛擬化雙機技術(shù)，改變原有的單機模式，建立雙機系統(tǒng)，避免單點故障，提高系統(tǒng)整體安全性。

2.3 提高管理效率

利用虛擬化平臺技術(shù)，改變管理模式，主要涉及服務器管理、存儲設(shè)備管理以及客戶端管理等，以簡化管理模式、優(yōu)化管理流程、降低運維成本來提高管理效率。

2.4 降低運維成本

利用虛擬化平臺資源共享特點，避免資源浪費，降低設(shè)備投入資本，減少設(shè)備能耗，提高投入收益比。

3 詳細設(shè)計

虛擬化是一個廣義的術(shù)語，在計算機方面通常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。虛擬化技術(shù)可以共享硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程。CPU的虛擬化技術(shù)可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個平臺同時運行多個操作系統(tǒng)，并且應用程序都可以在相互獨立的空間內(nèi)運行而互不影響，從而顯著提高計算機的工作效率[2]。虛擬化平臺主要包括服務器虛擬化、存儲虛擬化以及桌面虛擬化等。目前，國內(nèi)多家醫(yī)院已經(jīng)認識到信息系統(tǒng)劇增帶來的問題并開始探索虛擬化平臺的構(gòu)建和應用，但由于各單位軟硬件基礎(chǔ)各不相同，因此該平臺的構(gòu)建以及應用也必須根據(jù)實際情況，逐步推進。

3.1 服務器虛擬化

可以解釋為將服務器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺服務器變成幾臺甚至上百臺相互隔離的虛擬服務器，不再受限于物理上的界限，而是讓CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O等硬件變成可以動態(tài)管理的“資源池”，從而提高資源的利用率，簡化系統(tǒng)管理，實現(xiàn)服務器整合，使IT對業(yè)務的變化更具適應力。

3.2 存儲虛擬化

存儲虛擬化是按照一定的虛擬存儲體系結(jié)構(gòu)，將不同的物理存儲設(shè)備（RAID、JBOD、磁帶庫等）通過不同的接口協(xié)議（SCSI、ISCSI、IFCP 等）整合成一個虛擬的存儲池，為用戶提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務，實現(xiàn)資源共享[3-5]。最通俗的理解就是對存儲硬件資源進行抽象化表現(xiàn)。存儲虛擬化的思想是將資源的邏輯映像與物理存儲分開，在物理存儲和服務器之間增加一個虛擬層，它管理和控制所有存儲，并對服務器提供存儲服務。對于用戶來說，虛擬化的存儲資源就像是一個巨大的“存儲池”，用戶不會看到具體的磁盤、磁帶，也不必關(guān)心自己的數(shù)據(jù)經(jīng)過哪一條路徑通往哪一個具體的存儲設(shè)備。利用存儲虛擬化技術(shù)可以把許多零散的存儲資源整合起來，采取集中化管理，并可以按需把存儲資源動態(tài)地分配給各個應用，從而提高整體利用率，同時降低系統(tǒng)管理成本。

3.3 桌面虛擬化

將計算機的桌面進行虛擬化，以實現(xiàn)桌面使用的安全性和靈活性。用戶可以通過任何設(shè)備，在任何地點、任何時間訪問網(wǎng)絡(luò)上屬于個人的桌面系統(tǒng)。個人數(shù)據(jù)的運算和存儲都在數(shù)據(jù)中心進行，應用不受制于客戶端性能。桌面虛擬化的應用不僅提升了客戶端的應用體驗，更降低了客戶端的硬件成本和運維成本。

本項目以上述3種技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建新一代醫(yī)院信息平臺。

4 架構(gòu)設(shè)計

該項目以現(xiàn)有架構(gòu)為基礎(chǔ)，有計劃有步驟地實施。在更新信息平臺的同時，應充分考慮前臺應用程序的穩(wěn)定性，保證數(shù)據(jù)安全。

4.1 硬件平臺搭建

目前，我院已采購2臺高性能PC服務器，用于搭建服務器“資源池”。按計劃會增購2臺HP刀片服務器加入該集群，由于我院的HIS、門急診以及PACS數(shù)據(jù)都已存儲在EMC設(shè)備中，因此我們?nèi)栽鲑廍MC存儲設(shè)備，將原有存儲和新購存儲統(tǒng)一建成“存儲池”。我院虛擬化平臺具體架構(gòu)，見圖1。

圖1 我院虛擬化平臺架構(gòu)圖

4.2 軟件平臺搭建

目前，業(yè)界較為流行的虛擬化產(chǎn)品主要包括VMware 的vSphere、Citrix的XenServer、微軟Windows Server 2008Hype r-V和甲骨文的Oracle VM[6]?；谖以旱膶嶋H情況，我們選擇了VMware軟件。該軟件適用于任何虛擬計算機環(huán)境，能提供完全動態(tài)的資源控制，適合各種要求嚴格的應用程序，同時可以實現(xiàn)服務器部署整合。我院已利用VMware軟件，將2臺高配置的PC服務器，構(gòu)建成一套高效、可靠的虛擬化集群平臺，目前運行于該平臺上的應用系統(tǒng)主要有財務系統(tǒng)、新版電子病歷系統(tǒng)等。

5 討論

通過利用虛擬化技術(shù)搭建新一代的醫(yī)院信息平臺，可以解決如下問題：

（1）整合資源，提高資源利用率。利用服務器及存儲虛擬化技術(shù)，將所有硬件資源進行整合，構(gòu)建“計算池”和“虛擬池”?；诼阍O(shè)備的虛擬化軟件將服務器虛擬化，即把物理服務器的資源抽象成邏輯資源，構(gòu)建虛擬計算池，進而把服務器虛擬成多臺相互隔離的虛擬服務器即虛擬機。每個虛擬機就像一臺獨立運行的服務器，有自己的一套虛擬硬件，實現(xiàn)與物理硬件的分離，可以運行相同或不同類型的操作系統(tǒng)。虛擬機可根據(jù)應用負載情況動態(tài)調(diào)整計算資源，并可在不同物理服務器之間動態(tài)漂移，以達到資源利用最大化和無宕機服務器維修的目的。通過存儲虛擬化，將實際的物理存儲實體與存儲的邏輯表示分離，通過建立一個虛擬抽象層，將多種或多個物理存儲設(shè)備映射到一個單一邏輯資源池中，構(gòu)建虛擬存儲池。虛擬存儲池支持多種存儲協(xié)議，可以將現(xiàn)有各類存儲設(shè)備都納入整體資源池，節(jié)約成本。存儲池資源可以實現(xiàn)磁盤容量的按需配置、動態(tài)擴展，從而提高空間利用率、降低硬件投入成本、提高數(shù)據(jù)備份效率。

可見，利用服務器虛擬化及存儲虛擬化技術(shù)，可以避免硬件資源浪費，提高設(shè)備利用率。同時也保證了部分負擔較重的系統(tǒng)能更有效地利用資源。

（2）使核心業(yè)務數(shù)據(jù)存儲方式規(guī)范化。我們已將HIS、LIS、電子病歷系統(tǒng)（EMR）等核心應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)從PC服務器遷移至存儲設(shè)備中，并且通過mirror view軟件從主存儲設(shè)備同步復制到備用存儲設(shè)備，進行數(shù)據(jù)鏡像保護，為下一步建立整體的虛擬存儲池打下良好基礎(chǔ)。

（3）提升系統(tǒng)可靠性、數(shù)據(jù)安全性。因為虛擬機沒有和底層硬件綁定，所以能夠在不干預用戶的情況下移動虛擬機。因此，服務器的升級和維護操作都不需要中斷應用程序。如系統(tǒng)故障時，利用自動遷移虛擬機可保證應用程序不中斷。數(shù)據(jù)庫的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及備份數(shù)據(jù)存儲在虛擬化存儲平臺中，可以利用平臺自身的備份機制進行備份，更安全高效。

（4）促進系統(tǒng)管理水平發(fā)展，優(yōu)化客戶端應用體驗。利用虛擬化技術(shù)簡化了管理流程，包括服務器及客戶端管理。系統(tǒng)管理員不必再逐一配置和管理服務器，而是利用虛擬化平臺的高級工具實現(xiàn)工作負載平衡、容量規(guī)劃；虛擬機實時自動化部署，從而提高管理效率。利用桌面虛擬化技術(shù)，在服務器上構(gòu)建虛擬桌面池，提供給用戶使用，使得用戶采用不同類型的終端設(shè)備就像使用傳統(tǒng)桌面系統(tǒng)一樣，并可將桌面應用靈活擴展至移動應用。

結(jié)合服務器虛擬化與應用虛擬化，實現(xiàn)虛擬桌面與應用軟件的無縫集成、動態(tài)發(fā)布與高效管理。這種模式使服務器以及客戶端的維護工作更加方便快速，給使用者帶來了前所未有的全新體驗。

（5）降低能耗和成本投入，建設(shè)綠色醫(yī)院信息平臺。在虛擬化平臺上，可以在一個虛擬機中創(chuàng)建多臺新服務器，并可對每臺服務器動態(tài)分配硬件資源。利用此技術(shù)可以避免無限量地購置各種類型、各種配置的服務器，減少了成本投入，節(jié)省了機房空間，同時還降低了機房能耗。與此同時，瘦終端相比普通PC機，能耗更低、更環(huán)保。普通PC機功率約200 W，瘦終端約70 W，以1000臺終端每天工作8 h為例，用瘦終端取代普通PC機可以在1年內(nèi)節(jié)約幾十萬元電費。在當今環(huán)境加速惡化的情況下，虛擬化平臺的建立，為節(jié)能減排、建設(shè)綠色信息平臺奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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