服務器虛擬化在醫院信息化系統中的研究與應用

王淑平， 劉杉

(湖北省腫瘤醫院， 武漢 430079)

0 引言

醫院信息系統是支撐醫院發展的重要工具，在醫院整體規劃和信息化建設中占有重要的地位。近年來，醫院建設面臨的信息化需求越來越多，需要上線的信息系統也越來越多，而每套信息系統都需要配套進行相應的軟硬件環境，如物理服務器、操作系統等。隨著不同廠商的信息系統的使用，硬件環境也越來越復雜，物理服務器的數量從幾臺到十幾臺，再到幾十臺，甚至上百臺，給運維和管理帶來了極大的困難，物理服務器數量的不斷增加和較低的資源利用率是當前醫院信息系統建設面臨的現實問題，將物理服務器進行虛擬化是解決該問題的有效途徑。

1 醫院信息系統建設現狀分析

1.1 醫院信息系統建設現狀

隨著信息技術的不斷發展，醫院的業務和管理需求也逐漸從傳統的單一化向多元化轉變，醫院的信息化系統也從原始的以手工為主的方式轉變為計算機系統輔助為主的多系統融合。醫院信息化系統建設主要包括電子病歷系統(EMR)、醫院信息管理系統(HIS)、醫學影像存檔與通訊系統(PACS)、實驗室信息管理系統(LIS)、辦公自動化系統(OA)、財務管理系統、人力資源管理系統及物資管理系統等等。其中，醫院信息系統(HIS)是醫院信息系統中的核心組成部分，基本覆蓋了醫院所有的業務流程，主要包括醫護工作站、門急診掛號、病人住院收費等。圖1是醫院信息系統建設圖。一般來說，隨著醫院信息化發展進程的快慢，不同的信息系統上線的時間點不同，開發部署的公司不同，運行的軟硬件環境也有很大差異。

1.2 系統部署存在的問題

醫院信息系統的建設通常對系統的穩定性要求很高，往往要求系統能提供7*24小時不間斷服務，在醫院信息化發展早期，大部分信息系統基本都采用的是單一應用部署模式，即一臺物理服務器只安裝一種操作系統支撐一套信息系統軟件。隨著業務量需求的提升，軟件規模也越來越大，對硬件的要求也越來越高，部分系統遷移到了高可用集群上部署。不管是單一應用部署還是集群部署，隨著系統數量的增加，都越來越需要大量的硬件設施，尤其是物理服務器的數量劇增，也因此造成了很多問題：(1)運營成本增加，大量的物理服務器購買，不僅耗費了大量的資金，同時對機房占地、耗電、維護等帶來了高額消耗；(2)資源利用率低，一般的系統部署都是單一應用部署模式，對于業務量較少的系統，物理服務器的硬件資源如CPU、內存等利用率很低，造成了系統資源的浪費；(3)運維難度增加，物理服務器臺數的不斷變多，品牌雜亂，分布方式由集中變得分散，給服務器的運維帶工作來了難度，尤其當服務器發生故障時候，解決問題的成本耗費很大。

圖1 醫院信息化系統建設框圖

2 服務器傳統部署架構分析

2.1 服務器物理部署架構

醫院信息中心機房運行著大量的物理服務器，支撐著數量眾多的醫院業務系統，核心業務系統如HIS，一般是物理雙機環境，其他大部分信息系統一般是單機運行，一個應用系統對應一臺物理服務器。圖2是醫院信息系統服務器物理部署架構圖。物理服務器大多以單臺分散獨立式部署為主，架構特點是需要大量的物理服務器,如圖2所示。

圖2 服務器物理部署架構

單一應用部署模式簡單易行，尤其是在信息化建設過程中逐步部署系統時，針對單一系統，采購單臺服服務器，部署單服務，可以很快地實現業務應用。但是當單臺服務器數量達到一定規模時，單一應用部署模式的弊端就體現出來了，主要集中在資源利用率不均衡的情況。絕大部分系統應用對服務器的資源利用和性能要求都不高，導致服務器長期處于空負荷狀態，而一些業務量大的系統應用長期超負荷運行，處于卡、慢狀態，資源負載不能均衡分配。隨著物理服務器數量的不斷增加，信息中心管理維護人員需要應對多種不同型號品牌的硬件設備以及操作配置，提高了運維環境的復雜度。服務器物理部署架構擴展性較差，尤其當醫院部署新的應用系統時候，通常都需要重新單獨采購硬件，耗費時間長花費大，導致系統部署周期長，效率低下。

2.2 服務器虛擬化部署架構

服務器虛擬化是一種將物理服務器通過虛擬化軟件虛擬成多臺虛擬服務器的技術，通過虛擬化后的虛擬服務器可以無感知的與物理服務器相同的方式提供服務，每臺虛擬服務器可以通過資源池動態分配資源，兼容不同的操作系統，支撐不同的系統應用。圖3是醫院信息系統服務器虛擬化部署架構圖。如圖3所示。

圖3 服務器虛擬化部署架構

在圖3中，將醫院一定數量的高性能服務器虛擬出多臺服務器，按需分配給醫院各個應用系統。

服務器虛擬化部署方式可以實現少量的物理服務器支撐多個應用系統，為服務器層面管理提供一個集中的圖形化管理界面，便于管理和管理。在眾多的醫院信息系統中，并非所有的系統都需要高性能服務器支持，有些業務量較小的系統如人力資源管理系統屬于部門級系統，數據訪問量有限，因此可以通過虛擬化的方式為其提供虛擬化服務器。同時，醫院還會存在一些老舊系統在與新操作系統的兼容性方面存在問題，通過虛擬化服務器方式可以很好的解決兼容性問題，對異構操作系統具有良好的支持。服務器虛擬化技術雖然可以通過管理少數的物理服務器來實現應用部署問題，但是也面臨著集中式架構的通病，即支撐虛擬化服務器的物理服務器一旦崩潰，會造成眾多的應用系統不能使用，此外還存在I/O瓶頸等問題，因為虛擬化服務器適合部署一些非核心關鍵類信息系統。

2.3 服務器物理架構和虛擬化架構比較

服務器物理部署架構是早期信息化建設采用的主要模式，隨著虛擬化技術的不斷發展，醫療領域也越來越多的使用服務器虛擬化架構部署方式，但是二者各有優劣，如表1所示。

服務器物理架構和虛擬化架構比較，從服務器數量、服務器質量、資源利用率、運維管理及適用場景等方面進行了比較。服務器物理部署架構需要服務器數量多、管理復雜，但對核心業務系統如HIS能提供較好的性能。服務器虛擬化部署架構需要的服務器數量較少、管理相對集中簡單，能很好的支持業務量較小的應用系統如OA等，但可能會存在I/O瓶頸等。

表1 服務器物理架構和虛擬化架構比較

3 基于服務器虛擬化的混合架構設計與應用

3.1 基于服務器虛擬化混合架構設計

純物理服務器部署架構或純虛擬化服務器部署架構都不能完全滿足醫院信息系統的全部署，基于服務器虛擬化的混合架構部署是可以有效的發揮兩者的優勢，將業務量大數據訪問頻繁的關鍵核心應用部署在物理服務器集群上，將業務量小數據訪問頻率低的非核心業務部署在虛擬機服務器上，圖4是基于服務器虛擬化混合架構圖,如圖4所示。

圖4 基于服務器虛擬化混合架構

在圖4中，將服務器劃分為物理集群和虛擬化服務器，分別支持不同的應用系統，如醫院信息系統(HIS)、電子病歷系統(EMR)和醫學影像存檔與通訊系統(PACS)等關鍵業務可以部署在物理集群環境以保證業務系統的高性能，而辦公自動化系統(OA)、財務管理系統及人力資源管理系統等非關鍵業務可以部署在虛擬服務器上以保證可用性。此外，虛擬服務器可以實現快速部署新的業務系統，當有新的非關鍵業務系統需要上線時，可以迅速劃分虛擬服務器，進行快速部署。

3.2 基于服務器虛擬化混合架構實例應用

作為醫院的信息系統核心關鍵系統的HIS系統以及圍繞著HIS的接口系統，是各醫院正常業務的基礎保證，保障其穩定高效的運行是重點工作，架構設計和部署方面需要重點考慮。HIS系統數據量大、實時訪問量多，較適合部署在物理雙機中，其他的如醫保支持系統、OA報表系統等業務訪問量較小，可以部署在虛擬服務器中。基于服務器虛擬化混合架構的醫院信息系統實際部署圖,如圖5所示。

圖5 基于服務器虛擬化混合架構的醫院信息系統實際部署

在圖5的實際部署圖中，服務器被劃分為物理集群和虛擬化服務器兩大部分。物理雙機實現采用的是ORACLE 11G RAC技術，用來向核心系統系統HIS提供高效可靠的服務。服務器虛擬化采用是市場上主流的VMware vSphere商業軟件，通過在物理服務器上部署ESXi產品，實現物理服務器的虛擬化，通過vCenter對虛擬服務器進行統一的管理。在實際應用過程中，虛擬化服務器在支持新系統上線方面效果明顯，通過克隆鏡像等能快速提供測試環境以及正式部署，極大了提升了效率。通過服務器虛擬化混合架構部署，不僅保障了核心業務系統HIS的高效持續運行，同時實現了非核心系統的集中整合，醫保支持系統和OA報表等系統均可部署在虛擬服器上，打破了單一服務器僅支持單一應用的模式。服務器虛擬化減少了物理服務器的數量，實現了一臺服務器多種應用的模式。

4 總結

本文討論了服務器虛擬化在醫院信息系統中的研究與應用，在分析服務器物理部署架構和虛擬化部署架構的基礎上，對二者進行了比較，提出了基于服務器虛擬化的混合架構，并結合醫院的實際情況，通過RAC技術和vSphere軟件在醫院信息化系統中進行了實際部署，為醫院信息化系統的高效運行提供了保障。