醫院信息化建設中集群技術的應用

劉宇辰 董生忠

摘 要：目的：通過使用計算機及服務器的集群技術，使系統數據的處理能力，存儲能力以及系統的穩定性得到明顯提升。方法：采用windows server 2003/2008，及SQL server 2008/2014，多臺服務器，兩臺網絡存儲及其他網絡設備構成由多個服務器及計算機集群組成的集群系統，實現高性能，不間斷無故障運行。結果：采用集群技術升級醫院的網絡信息系統，可以在付出相對較低成本的情況下使系統用有高性能，高穩定性等特性。結論：集群技術在現代醫院信息化建設中可以對醫院的整體網絡系統起到很好的提升作用。

關鍵詞：計算機集群；信息化；信息系統；網絡

前言

隨著醫院信息化建設加強，大多數醫院都建立起HIS、RIS、LIS、CIS、PACS、EMR和OA系統等。如今正在進行的“四級甲等”醫院的申報及評選中，在原來的“三甲”基礎上對醫院信息互通互聯標準化成熟度進行測評，從多個方面對醫院網絡信息平臺進行綜合測試和評估。信息化是用現代技術改造傳統產業的一場革命，這也不例外地沖擊醫院的管理模式和經營理念[1]，它在為醫院發展提供有力技術保障的同時，信息系統和各類設備的運行和維護也為醫院管理帶來了一定困惑[2]。在使用過程中，隨用戶數的增加，訪問需求的加大，服務器的響應速度將成為整個網絡系統的瓶頸。而解決辦法一種是更換更高性能的服務器終端，另一種則是采用計算機及服務器的集群技術。

1 傳統醫院信息化中各系統的弊端

在醫院信息化應用的深入過程中，醫院信息系統的擴展，原有的電子設備逐漸暴露出其中的弊端。

1.1 工作連續性低

大多數醫院在信息化建設的總投入有限，除了主要核心系統采用備份模式，大多都是單一服務器，一旦服務器發生故障不可避免宕機（中斷），這可能對醫院業務產生影響。而升級雙機系統對于眾多小系統來說則需要大量的硬件軟件的投入[3]。另一種共享磁盤列陣系統，在存儲設備出現問題時雙機如同虛設。

1.2 管理復雜和運行成本高

醫院原系統建設獨立，各基礎設施各司其職，大多由人工進行資源的分配，極其浪費人力資源，沒有自動服務和自動部署能力[4]。

醫院信息系統的不斷擴大，使得所用的服務器數量成倍的增長，占地及能源消耗成為一個不可避免的難題擺在人們眼前。

2 計算機集群技術簡析

計算機集群技術在目前應用最為廣泛的可分為高性能計算集群技術（HPC Cluster）、高可用性集群技術（HA Cluster）和高可擴展性集群技術。而軟件平臺選擇則有Solaris、Linux和windows三種選擇。

2.1 高性能計算集群技術

高性能計算集群（High Performance Computing Cluster）是指以提高科學計算能力為目的計算機集群技術。HPC Cluster是一種并行計算（Parallel Processing） 集群的實現方法[5]。并行計算是指將一個應用程序分割成多塊可以并行執行的部分并指定到多個處理器上執行的方法。目前的 Intel 架構上最多只可以擴展的CPU數量有限。為了勝任更大量的計算任務HPC Cluster引入到了計算機領域。

2.2 高可用性集群技術

高可用性集群（High Availability Cluster）是指以減少服務中斷時間為目的的服務器集群技術。隨著全球經濟的增長，世界各地各種各樣的組織對IT系統的依賴都在不斷增加，在許多領域我們無時無刻不依賴于穩定的計算機系統。許多單位都依賴于計算機系統，任何中斷都會帶來不可估量的損失。

2.3 高可擴展性集群技術

高可擴展性集群技術是帶均衡算法的服務器群集。負載均衡群集在多節點之間按照一定的策略（算法）分發網絡或計算處理負載。負載均衡建立在現有網絡結構之上，它提供了一種廉價有效的方法來擴展服務器帶寬，增加吞吐量，提高數據處理能力，同時又可以避免單點故障[6]。

將這三種技術綜合起來應用于醫院信息化建設中，可以使醫院網絡系統的綜合處理能力大幅提升。

2.4 軟件平臺

在三種軟件平臺中LINUX可以在廉價系統上運行，提供了UNIX的靈活性和強大功能。但LINUX系統可操作人數相對較少，在普通人群中通用性相對較低；Solaris 是 SUNSoft 公司的基于 UNIX 的多線程多用戶的操作系統，系統在容錯方面的實時性不是十分理想，而且通用性較低。所以選擇Windows系統。Windows Server支持了三種集群技術，分別是NLB、CLB與MSCS，NLB和MSCS已經集成在Windows Server中，而CLB則需要購買Application Center。

三種集群技術的用途如下：

2.4.1 NLB，提供以TCP/IP為基礎的服務與應用程序的網絡流量負載均衡，用于提升操作系統的可用性和延展性。常見的應用有終端服務（terminal service）、網絡服務（web service）與網絡應用（web application）等。

NLB是通過一個虛擬的IP提供對外服務。當收到請求時，NLB會隨機決定由哪一臺服務器來處理這個請求。

2.4.2 CLB，提供使用COM+組件的中介層應用程序的動態負載均衡，用于提升系統的可用性和延展性[7]。CLB會依據目前的工作負載來決定由誰來處理服務請求。

2.4.3 MSCS，提供后端服務與應用程序的容錯移轉（failover），用來提升系統的可用性。常見的應用有SQL Server與Exchange Server等。

MSCS是由client來決定由誰來處理服務請求，所有服務器共享一個share storage來儲存session狀態。當主動服務器出現問題不能正常運轉，則繼續由被動服務器接手。被動服務器會從share storage取出session狀態，繼續未完成的工作，以達到容錯移轉的目的。

3 集群系統設計

集群系統由三部分組成：（1）終端的存儲系統；（2）后端的MSCS主機集群；（3）前端的NLB服務器集群。

3.1 終端存儲系統

存儲系統采用雙存儲設備使用雙機熱備份技術，將兩組磁盤列陣進行異地容災備份設計，以保證網絡的24*365天無故障運行[8]。

3.2 MSCS主機集群

將高可用性集群技術應用于此，由一臺主服務器和一臺備用服務器組成，每臺機器均可以作為主服務器和備用服務器。用MSCS集群技術建立集群，當某臺機器出現問題時MSCS的“心跳檢測功能”（Heartbeats）便會檢測出出現錯誤的應用軟件和服務器，自動在備用服務器上重啟工作任務。每臺服務器均通過SCSI線連接到兩個磁盤列陣上。

集群管理員還可以通過使用MSCS上的“集群管理程序（Cluster administrator）”，完成各種各樣的集群管理任務。集群管理程序是一個圖形操控臺，管理員可以從兩個節點中的任意一個上，或者從運行Windows Server 20xx或Workstation的另一臺計算機上為每個應用程序和設備編寫故障恢復策略，這樣服務器便可以進行自動管理。還可使用MSCS上的圖形化設置為每個應用程序和設備編寫故障恢復策略，使服務器在操作系統級對所有資源進行自動管理[9]。

3.3 NLB集群

現有的各系統服務器均可作為NLB集群中的服務器，每個服務器均需安裝兩張網卡，一張用于連接局域網為用戶提供服務，一張用于連接專供NLB集群的交換機負責檢測及負載分配。這樣一來即使NLB集群中任何一臺服務器出現故障無法使用，用戶均不會受到影響可以通過其他服務器繼續工作任務。

結束語

為了滿足醫院大數據量，強實時性及24*365天的全天候不間斷的要求，在醫院信息系統不斷擴大的情況下，技術及設備的升級已經成為必要。一個好的網絡平臺，才能使醫院網絡信息工作得以更有效的開展。計算機集群技術還可應用于很多領域如：分布計算、集中管理等。大型綜合醫院多是集醫，教，科研等多方面為一體的醫院，目前PC機的價格在不斷下降，CPU性能在不斷提升計算機集群技術的服務器解決辦法可以使成本相對降低的情況下增強性能及穩定性。■

參考文獻

[1]百度文庫，醫院信息化建設的意義[DB/OL]

[2]巴江波，陳江，淡攀東，張江江.VMware虛擬軟件在醫院數據中心建設中的應用研究[J].醫療衛生設備，2015，35（2）：78-80，86.

[3]吳艷君.基于虛擬化技術的醫院信息平臺設計[J].中國醫療設備，2014，29（1）：41-44.

[4]李波.服務器虛擬化技術在醫院信息系統中的應用[J].醫療裝備，2010，（12）：15-16.

[5]溫小飛等.高性能計算機集群的性能評價[N].武漢理工大學學報，2005，27（4）19-22.

[6]謝育波.計算機集群技術在醫院信息系統的應用[J].中國醫學裝備，2006，3（8）：51-54.

[7]51CTO技術論壇，Cluster，HA，LVS，雙機熱備，負載均衡，故障轉移，區別與聯系-企業級安全論壇-51CTO技術論壇 中國領先的IT技術社區[DB＼OL].2011.

[8]段國云.集群技術在醫院信息系統集成中的應用[J]計算機系統應用，2012，21（2）：38-41.

[9]黃衛平.計算機集群技術在醫院網絡服務器中的應用[J]醫療設備信息，2003，18（5）：35-37.