醫院私有云雙活數據中心的研究與設計

何海燕 陳亞文

醫院私有云雙活數據中心的研究與設計

何海燕①陳亞文②*

目的：研究與設計一套既滿足醫療業務連續性需求、又能保證數據的容災備份系統，實現資源最大利用率的數據中心方案。方法：針對醫院數據中心建設現狀，結合云計算、虛擬化、存儲雙活、數據庫集群等技術，通過建設計算、存儲、網絡、桌面和安全5個資源池，最終實現生產云、測試云、災備云、桌面云和安全云5個醫院私有云的應用，建立一套恢復點目標(RPO)=0和恢復時間目標(RTO)≈0的醫院私有云雙活數據中心方案。結果：設計出一套具有高可用、高性能、高擴展和高便捷管理的醫院私有云雙活數據中心，實現所有數據中心的管理和操作簡單便捷，并提高了數據資源的利用率。結論：私有云雙活數據中心在滿足業務連續性需求的前提下，可最大限度地實現資源的充分利用，節省IT基礎設施的投資建設成本。

雙活數據中心；云計算；虛擬化技術；醫院信息化；醫院私有云

隨著醫院信息化建設的發展，為使凝聚了巨大人力、物力和財力投入的信息基礎設施發揮出更高的效益，保障整個信息系統的平穩可靠運行，需要有一個可從整體上對互聯網技術(internet technology， IT)基礎設施進行綜合管理的技術。云計算是繼20世紀80年代大型計算機到客戶端-服務器的大轉變之后的又一種變革[1]。醫院私有云雙活數據中心的建設，是實現數字化醫院的創新模式，是取得重大突破的有力抓手，是醫院信息化建設的重要舉措[2]。

1 醫院數據中心現狀分析

1.1 數據中心的建設

傳統的數據中心建設主要是服務器和存儲的建設。①服務器，傳統的醫院數據中心將應用系統的服務部署在獨立的物理服務器上，醫院信息系統(hospital information system，HIS)、影像歸檔及傳輸系統(picture archiving and communication systems，PACS)、電子病歷(electronic medical record，EMR)、檢驗信息系統(Laboratory inform-ation system，LIS)等重要的應用都部署在雙機熱備的兩臺服務器上，其他系統則根據醫院規模可采用單個物理服務部署[3]；②存儲架構，為了能保障數據的安全，傳統存儲架構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，資源嚴重浪費。然而，由于備存儲不在工作狀態，當主存儲發生問題時備存儲并不能保證正常啟動。

1.2 數據中心建設現狀

(1)數據中心管理復雜。按照傳統模式，所有業務系統均運行于獨立的物理服務器，如果增加新的業務則必須要購置新的物理服務器，則會出現機房空間短缺、服務器管理復雜及資費成本增加等問題。

(2)資源利用率低。按照傳統模式，關鍵業務都設置了雙機熱備和雙存儲冗余，即只有一臺服務器和存儲在工作，而另一臺服務器和存儲一直在備用中，使得資源嚴重浪費。

(3)信息“孤島”。系統架構形成信息“孤島”，導致業務系統不能橫向擴展。所有業務系統在物理上被隔離，在邏輯上也缺乏關聯，導致業務系統間缺乏信息互通。

2 醫院私有云雙活數據中心建設

由于醫院數據中心承載著醫院信息系統業務，重要性高，不允許業務中斷是一個真正的7×24 h的實時業務，因此建設高效、穩定的醫院數據中心極其重要。以云計算技術架構為核心思想，使用“池”的概念，高度整合并充分利用醫院信息資源，構建標準統一的資源池，建立節能、環保、低碳和綠色云計算技術架構的動態數據中心。

2.1 私有云數據中心

充分利用云計算的核心技術——虛擬化技術，結合醫院數據中心建設的特點，構建高效節能的私有云數據中心[4]。建設5個云：即生產云、測試云、災備云、桌面云和安全云；5個資源池：即計算資源池、存儲資源池、網絡資源池、桌面資源池和安全資源池(如圖1所示)。

圖1 私有云數據中心示圖

2.2 私有云雙活數據中心

雙活數據中心，即區別于一個數據中心和一個災備中心的模式，前者在兩個數據中心之間無明確的主-備之分，兩個數據中心(同城或園區不同機房間)均為生產中心且互為備份，同時運行為用戶提供業務服務，包括主機和存儲均可分擔業務負載，因此稱為“雙活”[5]。

私有云雙活數據中心建設內容包含數據中心A和數據中心B，兩個數據中心采用雙活架構，利用服務器虛擬化、存儲虛擬化和網絡虛擬化技術構建新一代私有云數據中心，最終達到恢復點目標(recovery point objectives，RPO)=0、恢復時間目標(recovery time objectives，RTO)≈0。私有云雙活數據中心整體架構如圖2所示。

圖2 私有云雙活數據中心整體架構示圖

2.3 資源池設計

2.3.1 計算資源池

計算資源池采用服務器虛擬化解決方案，利用業界領先的VMware的vSphere構建云計算基礎架構的虛擬化平臺。使IT能以最低的總體擁有成本(total cost of ownership，TCO)滿足要求最嚴格的關鍵業務應用的服務等級協議(service level agreement，SLA)。vSphere通過在計算、存儲、網絡、可用性、安全和自動化等方面提供的一整套應用和基礎架構服務實現了完整、高效和安全的虛擬化平臺[6]。

為保證各業務應用的安全隔離，方案設計管理集群、桌面集群、開發和(或)測試集群、數據庫集群和生產集群5個跨數據中心虛擬化集群，針對應用系統所需USB Key設計“USB Key服務器”(如圖3所示)。

圖3 虛擬化計算資源池示圖

(1)生產集群。5臺四路刀片和2臺四路機架服務器，部署在數據中心A3臺刀片、2臺機架和“數據中心B”2臺刀片，用于實現未來全部業務服務器以及未來新業務系統部署。

(2)數據庫集群。3臺四路機架式服務器，部署2臺在數據中心A，1臺在數據中心B ，用于所有信息系統的Oracle數據庫，實現數據庫的統一管理、統一維護。采用Oracle Extended RAC技術實現3節點跨數據中心的雙活集群架構，當數據中心A中心故障時，數據中心B存活的節點可自動接管業務，接管過程對上層業務透明，用戶無感知[7]。

(3)開發測試集群。1臺四路刀片式服務器，部署在數據中心A，用于為開發測試人員提供測試環境，利用私有云管理平臺實現申請、審批、回收的資源生命周期管理，同時可快速克隆線上業務系統，用于故障排除測試。

(4)桌面集群。2臺四路刀片服務器，部署在數據中心A和數據中心B各1臺，用于門診醫生站、住院醫生站等遠程桌面的桌面云的服務器。

(5)管理集群。2臺二路機架式服務器，部署在數據中心A和數據中心B各1臺，用于私有云管理、運維管理，同時為遠程運維人員提供桌面接入服務。

2.3.2 存儲資源池

為解決存儲數據分散保存和缺少高可靠性保護等問題，設計雙活“FC架構”存儲系統。“FC存儲”采用兩臺中高端存儲，分別部署在數據中心A和數據中心B構建雙活存儲架構，管理集群、桌面集群、開發測試集群、數據庫集群和生產集群業務服務器部署在此雙活存儲中；

存儲資源需要將位于不同數據中心的磁盤陣列系統整合在一起，實現數據在底層的完全同步。存儲雙活方案作為醫院的核心基礎架構，其架構的選擇決定了整個系統是否可靠可用、安全可信賴和彈性可擴展[8]。

通過對醫院需求的分析，結合醫院應用系統的業務特點，采用存儲雙活、數據庫雙活、虛擬化容災的數據中心方案，存儲雙活的定義是指兩個數據中心共享存儲，做到實時數據共享，同時讀取和同時寫入[9]。在兩臺存儲中任意一臺出現故障后，另一臺存儲實時接管全局的讀取和寫入業務。在數據庫方面，兩個數據中心的數據庫節點通過OracleRAC實現數據庫雙機，在存儲層面通過雙活技術實現存儲聯動，保證了存儲的聯動后，在圖2所示的兩臺光纖交換機通過裸光纖連接建立交換層的互通。

2.3.3 網絡資源池

在數據中心A和數據中心B各部署2臺CE6851作匯聚交換機，同時部署二層業務，兩臺集群部署的S12708作為數據中心A網關，行政樓兩臺集群部署的S7706作為數據中心B網關，兩個網關基于虛擬局域網(virtual local area network，VLAN)劃分虛擬路由冗余協議(virtual router redundancy protocol，VRRP)組，使得兩個數據中心網關互為主用與備用，通過骨干環網部署的雙向轉發檢測(bidirectional forwarding detection，BFD)＋VRRP快速檢測機制，檢測兩個數據中心網關鏈路狀態，當主數據中心業務故障后，業務由S7706接替為VRRP的主設備，從而實現主用與備用數據中心業務的倒換(如圖4所示)。

圖4 數據中心網絡結構圖

業務4-7層網絡功能：①采用網絡虛擬化技術，利用網絡虛擬化解決方案(VMware NSX)中的分布式防火墻實現虛擬化網絡內的訪問控制，利用虛擬化感知實現基于安全組和操作系統類型等細粒度安全控制；②虛擬化網關(VMware NSX Edge)組件實現4-7層負載均衡，實現應用可用連接和負載分配。

2.3.4 安全資源池

為了保障醫院信息系統的安全，建立安全資源池，保障信息系統的穩定運行、保障醫療信息的安全可靠[10]。所有的雙鏈路防火墻或者安全網關均采用Active－Active雙鏈路方案，兩臺防火墻或安全網關同時工作，互為主用與備用。具有最高級別的可用性和可靠性，同時發揮兩臺設備的性能，上下行設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]。網絡安全的架構如圖5所示。

圖5 網絡安全架構圖

2.3.5 桌面資源池

桌面資源池采用桌面云方案，是通過應用云計算技術，實現基礎設施、桌面和應用等資源的共享，并對其進行集中部署和管理，在數據中心統一托管以服務方式交付桌面的云計算平臺。即用戶用任何終端設備(PC機、平板電腦、手機等)，通過網絡可以訪問駐留在服務器的個人桌面，感覺與使用傳統的個人電腦相同。

桌面云的優勢：①安全辦公，醫療數據、應用程序運行于虛擬機、本地不保留任何數據；②靈活辦公，醫護人員可在任意時間、任意地點、任意終端接入，辦公時與座位無關；③綠色環保，辦公座位只有顯示器及TC和鍵盤鼠標，占用空間小，噪音低，能耗低；④多種外設，支持多種醫院常用外設，如打印機、掃描槍和語音播報器等。

2.4 容災備份

在住院樓設立數據中心A，在行政科研樓設立數據中心B，通過私有云雙活數據中心的5個資源池，實現醫院數據中心的容災備份[12]。

容災備份在解決物理災難帶來的業務中斷及數據丟失的同時，為避免數據庫文件誤刪、數據庫bug以及數據庫升級失誤等邏輯故障導致數據的丟失，醫院建立數據備份策略，采用數據備份一體機，對醫院所有的數據庫進行統一備份[13-14]。當誤操作發生時，只需選擇需要恢復點，即將數據恢復至誤操作前的任一時間點，保障了RPO=0，極大縮短了故障恢復時間，避免了因邏輯性數據錯誤帶來的損失。

在數據中心A和數據中心B分別放置1臺備份一體機，防止其中一個數據中心完全癱瘓時數據丟失。

3 醫院私有云雙活數據中心應用效果

(1)管理簡單便捷。采用一個界面即可實現所有數據中心的管理和操作，使數據中心管理簡單便捷，如圖6所示。

圖6 數據中心管理界面圖

(2)資源利用率高。在私有云雙活數據中心可隨時查看每個虛擬機的資源利用情況，可自動調整資源利用，也可手動調整，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”現象。私有云雙活數據中心的應用，使醫院數據共享不再受物理條件限制，避免醫院內數據信息出現“孤島”現象。

4 結語

私有云雙活數據中心利用云計算技術通過建設計算資源池、存儲資源池、網絡資源池、桌面資源池和安全資源池，最終形成醫療應用的生產云、測試云、災備云、桌面云和安全云。不僅解決了醫院數據中心的容災備份，同時還提高了整個數據中心的資源利用率，實現了數據中心的統一管理[15]。

醫院私有云雙活數據中心方案徹底顛覆了傳統數據中心“一主一備”的容災設計方案思路，利用云計算、服務器虛擬化、存儲雙活及數據庫云平臺等技術和方法，在滿足業務連續性需求的前提下，最大限度地實現了資源的充分利用，為用戶節省IT基礎設施的投資建設成本。

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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。內蒙古婦幼保健院信息科，從事醫療信息化管理工作。

1672-8270(2017)12-0104-04

R-058

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.12.029

①內蒙古婦幼保健院信息科 內蒙古 呼和浩特 010020

②內蒙古婦幼保健院器械科 內蒙古 呼和浩特 010020

*通訊作者：438780899@qq.com

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

2017-06-25