服务器虚拟化技术及其在医院的应用

马锡坤，张稳

南京军区南京总医院 a.信息科；b.训练中心，江苏 南京 210002

1 服务器虚拟化的概念

1.1 服务器虚拟化的定义

服务器虚拟化是把物理服务器的资源抽象整合成一个逻辑资源，然后虚拟成多台相互隔离的虚拟服务器即虚拟机[1]。所有的应用都是在这个逻辑设备上运行，充分利用了单台物理设备的运算能力，打破了1台服务器1个应用系统的传统结构，能够提高服务器的复用率和利用率，实现服务器的高可用性。服务器的虚拟化在硬件和操作系统之间引入了虚拟化层。虚拟化层允许多个操作系统实例同时运行在1台物理服务器上，动态分区和共享所有可用的物理资源，包括：CPU、内存、存储和I/O设备。

1.2 虚拟机基本原理

虚拟机是运行操作系统和应用程序的软件计算机，与物理机相似[2]。虚拟机包含1组规范和配置文件，由主机的物理资源支持。虚拟机并不是真正的机器，但它能像真正的机器一样工作，每个虚拟机就像1台独立运行的服务器，有自己的一套虚拟硬件，从上层操作系统和软件看来，它们就是一台台相对独立的服务器。不同的虚拟机可以运行相同或不同类型的操作系统，作为不同业务的支撑平台。每个虚拟机都有可提供与物理硬件相同功能的虚拟设备，而且在可移植能力、可管理性和安全性方面更出色。

1.3 虚拟基础架构

虚拟架构可以将操作系统和应用从硬件上分离出来，打包成独立的、可移动的虚拟机，从而带来了极大的灵活性。支持虚拟机的基础架构包含2个软件层：虚拟化层和管理层，见图1。虚拟化层提供虚拟化功能，用于将主机硬件作为一组标准化资源进行聚合并将其提供给虚拟机。管理层用于将多个主机的资源加入池中并管理这些资源，而且可以有效监控和管理物理及虚拟基础架构，可以管理虚拟机的资源、置备虚拟机、调度任务、收集统计信息日志、创建模板，实现虚拟机的高效自动化资源管理及高可用性。

2 服务器虚拟化发展现状

虚拟化技术于20世纪60年代出现在IBM的大型机上，利用它可以对属于稀有而昂贵的大型机硬件进行分区，从而提高大型机的利用率。虚拟化和系统分区在大型机系统上存在了几十年。到20世纪80年代，因为基于x86架构的计算机可以提供更有效、更经济的方法来分配处理能力，那时虚拟化技术不再广泛使用。但是，随着x86架构的PC服务器性能逐渐提高，到20世纪90年代，人们开始将虚拟化技术引入x86平台，特别是最近几年，PC服务器性能突飞猛进，它们具有强大的处理能力、海量的内存，具有硬件辅助虚拟化技术、极强的可扩展性、极高的可靠性，虚拟化技术再次得到人们的关注。

目前，服务器虚拟化技术在国内外已被广泛应用[3-4]，正改变着服务器的使用方式。据市场研究公司Gartner称，目前大约16%的企业服务器是虚拟化的。财富500强的企业中，99%都开始使用虚拟化技术。一些远程接入和应用接入厂商也积极转型，加入应用虚拟化大军。这个市场的领先者美国公司VMware有15万多用户，技术优势明显，产品线丰富，高端用户多，在国内占有相当大的市场份额。自2007年进驻中国市场以来，VMware公司在中国的市场占有率已高达80%。但在过去的几年间，VMware竞争对手的技术有了大幅改进，可供选择的厂商逐渐增多，有竞争力的选择方案趋于成熟。

3 服务器虚拟化在医院的应用

近年来，医院在信息化建设和应用方面发展迅速，医院数据中心有着各种各样的服务器，运行着数量众多的业务系统，核心系统一般为双机环境，其他系统一般均为单机运行，1个应用系统对应1台物理服务器[5]。单服务器单应用的部署模式，导致服务器资源利用率很低，造成大量服务器资源、电力、维护人力的浪费。并且应用系统单机运行，单点故障隐患严重，其可用性、安全性较低。而为了实现应用系统的高可用性，需投入成倍的服务器，造成投资成本加大，且资源得不到充分利用。正是由于上述原因，虚拟服务器在医院的应用正逐步深入[6]。经调研论证，我们采用VMware vSphere服务器虚拟化软件[7-8]，把8个刀片服务器和2台高性能PC服务器整合成1个虚拟计算池,采用EMC存储设备作为共享存储，构建了一个虚拟化平台，其在医院的应用主要体现在以下几个方面：

（1）全面整合服务器，合理利用资源。医院信息系统（HIS）、实验室信息系统（LIS）、影像传输和通讯系统（PACS）、电子病历（EMR）等各类应用系统众多，通过虚拟架构整合服务器，在1台服务器上运行多个虚拟机，提高了服务器的使用效率，减少了物理机数量，节省硬件对空间的占用[9]。服务器虚拟化可根据各应用情况动态调节资源，动态地实现服务器资源负载平衡，根据业务优先级向正确的应用程序提供正确的资源，更加合理地分配资源，提高服务器的利用率。在1台服务器上运行多个操作系统和应用，使新的硬件支持老的应用，满足系统和应用迁移的需要，使得数据中心可以撤退旧的硬件，有效利用资源。借独特的动态优化和内存管理功能，实现了最高的服务器整合率。

（2）快速部署服务器，加速推进应用。虚拟化整合前，为新应用安装开发测试环境或上线部署时，每台物理机要安装操作系统，打补丁，进行安全设置，实施速度慢。虚拟化整合后，用虚拟架构预备新的项目，可以主动地提前规划硬件资源。在新版EMR系统试运行时，通过预先制定好的操作系统、应用模板或拷贝虚拟机，快速部署了数据库、中间件等各类服务器和开发测试环境。当系统正式上线后应用需求增加时，迅速创建了更多虚拟机而不增加物理服务器，大大降低服务器重建和应用加载时间，快速响应系统上线需求，避免了每部署一套新的应用就要采购一次设备，从而改变了新应用上线部署周期长的局面。

（3）实现系统高可用，排除单点故障。服务器虚拟架构的高可用功能为在虚拟机中运行的任何应用程序提供了经济高效的高可用性解决方案[10-11]，而不需要考虑其应用操作系统设置或应用系统基础硬件配置，显著降低实施成本。医院应用系统服务中断往往会造成许多的负面影响，因此医院应用系统不论规模大小，绝大部分都要求7×24 h不间断运行。利用虚拟机构建虚拟服务器集群，有效地实现了HIS的高可用性，排除了设备的单点故障[12-13]。当服务器出现故障时，高可用集群自动切换服务，使故障服务器的业务迅速平稳地迁移到虚拟机，不会发生任何数据丢失或停机，实现服务不中断，对业务无影响。

（4）实现在线式迁移，保障业务连续。虚拟化整合前，硬件故障维护或者升级扩容时需要停机进行，容易造成应用中断，影响业务正常开展。因此，确保医院业务连续性的要求对平台架构的构建提出了新的要求。服务器虚拟化可以快速顺应业务需求，无中断地按需升级扩容，进行有计划的服务器维护和升级迁移。虚拟化整合后，通过在线迁移功能将虚拟机迁移至另一台物理机，实现虚拟机的动态迁移，而服务不中断，不影响医疗业务的正常开展，从而无需为计划内的服务器维护安排应用程序停机，保证了业务的连续性。

（5）实现节能和减排，降低运维成本。虚拟化整合前，基本上是单服务器单应用的部署模式，导致医院服务器数量不断增加。利用服务器虚拟化技术，采用虚拟机完成应用需求，减缓了服务器数量的增速，在显著地节约能源的同时实现中心机房高效运作，降低了运行和维护成本，包括机房空间、机柜、网线、耗电量、冷气空调和人力成本等，并且增加了数据中心的灵活性，从而减少数据中心的整体拥有成本。智能化的电源管理，可以优化虚拟机的实际运行状态，达到耗电最小化，显著降低用电成本，实现节能的绿色计算。

（6）集中管理服务器，提高维护效率。医院数据中心资源大量增加使得对设备的运行、监控和管理变得日益复杂。虚拟化整合后，管理维护的物理机数量大大减少，并且在统一管理平台里集中管理所有的服务器和虚拟机，全面监控系统的利用率和性能，自动通知和报警，通过强壮的访问控制确保环境安全，消除了不必要的投资并降低IT基础架构的管理及维护成本和复杂性。不需要跟虚拟化整合前那样，硬件维护需要数天的变更管理准备和数小时的维护窗口，现在可以快速地进行硬件维护和升级，从而更高效地提供IT服务。

4 展望

虚拟化技术可以说是云计算时代的核心技术。应用虚拟化最大的障碍是一种思维逻辑。传统思维是采用应用部署的方式，而不是应用虚拟化的方式。因此，需要转换思路，改变惯性思维，充分认识应用虚拟化所带来的高效、安全、节能等好处。通过服务器整合和虚拟化，控制和减少了物理服务器的数量，明显提高资源利用率，从而降低硬件成本，减少服务器的电力、维护等各种开销[14]。但不是买几台设备，实行服务器虚拟化，就实现了云计算数据中心。在设备选型配置方面，要充分考虑虚拟化平台下服务器对高端多核CPU、大内存、高速网络、高磁盘I/O的要求。坚持整体规划的原则，把服务器虚拟化和存储虚拟化、网络虚拟化有效融合，更能彰显虚拟化的价值，发挥其在医院信息化中的作用[15-16]。另外，服务器虚拟化在标准化等方面仍有待完善，还需产业链各个环节的共同努力。

[1]韩寓.服务器虚拟化技术研究与分析[J].电脑知识与技术,2011,7(7):1654-1655.

[2]韩晟,陈衍,彭红波,等.虚拟机在医院信息系统中的应用[J].中国医疗设备,2012,27(5):35-37.

[3]周彩阳.图书馆服务器虚拟化技术可行性分析[J].图书馆论坛,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]李先锋,王凯芸,吕强,等.三甲医院虚拟化技术的研究与实践[J].中国医院,2012,16(2):12-14.

[6]缪一峰.医院虚拟化服务器部署[J].计算机应用与软件,2011,28(8):206-208,259.

[7]吴乾清.基于VMware的数字图书馆服务器虚拟化研究与应用[J].科技情报开发与经济,2010,20(21):47-49.

[8]张巍.企业虚拟化实战-VMware篇[M].北京:机械工业出版社,2009.

[9]刘华.服务器虚拟化技术在企业中的应用[J].电脑知识与技术,2012,8(8):1929-1932.

[10]曾龙海,张博锋,张丽华,等.基于云计算平台的虚拟集群构建技术研究[J].微电子学与计算机,2010,27(8):31-35,40.

[11]耿新民,王少峰,许飞.基于VMware的高可用性集群在电力信息系统中的应用[J].上海电力学院学报,2009,26(4):193-196.

[12]赵志云,李泰环,杨宏桥,等.高可用集群在医院信息系统中的设计与实现[J].中国医疗设备,2008,23(8):31-33.

[13]周渝霞,郝玉清,顾凤军.虚拟服务器技术实现医院信息系统安全可靠[J].医疗卫生装备,2010,31(9):50-51,64.

[14]李波.服务器的虚拟化技术在医院信息系统中的应用[J].医疗装备,2010,23(12):15-16.

[15]马锡坤,于京杰,杨国斌.存储虚拟化技术在医院信息系统平台中的作用[J].中国医疗设备,2011,26(10):39-40,50.

[16]赵建华,韩智慧.浅谈存储虚拟化与服务器虚拟化[J].电脑知识与技术,2009,5(21):5606,5609.