基于虚拟化技术的医院云计算数据中心构建与应用

唐龙凯 潘大钊 张 鑫

(解放军第九八医院信息科 湖州 313000)



•医学信息技术•

基于虚拟化技术的医院云计算数据中心构建与应用

唐龙凯 潘大钊 张 鑫

(解放军第九八医院信息科 湖州 313000)

以解放军第九八医院为例，在分析目前医院数据中心存在问题的基础上，介绍基于VMware虚拟化技术的医院云计算数据中心建设方案，阐述设计原则、总体架构、实施步骤及应用成效，指出云计算技术的应用将成为未来医院数据中心建设与发展的方向。

数据中心；云计算；虚拟化；VMware；建设方案

1 引言

随着电子病历在我国的普遍应用，越来越多的医疗机构启动了医院数据中心建设项目，将分散的医疗数据集成、综合化。通过建设数据中心，不仅能够方便各级领导从众多的数据中及时、方便地获得有价值的信息，把握医院经营管理动态，了解医院管理需求，而且也便于各级专业人员快速、准确地进行医院经营分析和预测，对促进医院持续、健康发展有很强的现实意义和战略意义。随着信息化业务的飞速发展，医院信息化建设不断深入，传统医院数据中心存在的IT基础设施投入成本高、利用率低，应用布置周期长，运维难度随系统增加而增大，能源消耗大等一系列问题越来越突出。为解决上述问题，云计算应运而生。云计算是信息化建设的新理念、新技术、新模式[1]，基于虚拟化技术，通过整合计算资源，能够建立一个高效的技术平台，以支持业务需求，为医院内部提供服务，同时降低运营成本和电力消耗，大大提高医院IT基础设施的利用率和应用系统的可靠性。本文以解放军第九八医院为例，在分析目前医院数据中心现状的基础上，对云计算技术进行研究，提出基于虚拟化技术的医院云计算数据中心建设方案。

2 医院数据中心现状分析

2.1 概述

目前，解放军第九八医院已经建成了较为完善的信息化管理体系，主要有医院信息系统、医学影像系统、电子病历系统、办公自动化等各类临床应用与管理信息系统。这些系统都是由各自相对应的服务器组成，部署在医院的数据中心[2]，其中核心系统一般为双机环境，数据存储在统一的共享磁盘阵列中，其他系统一般均为单机运行。这种传统的应用系统与硬件资源捆绑模式已经不能适应目前数字化医院建设与发展的需要。

2.2 服务器多，利用率较低

数据中心有服务器40余台，分别运行着不同的业务系统，绝大部分服务器在绝大部分工作时间里，系统资源利用率都在10%以下。但是当某些应用系统在短时间内出现繁忙时，单台服务器又无法承受资源紧张的压力。而各业务系统之间的工作繁忙，时间也不是同时并发，因此服务器利用率和工作效率都很低。

2.3 单机运行，安全性较差

随着应用系统数量的不断增加，相对应的服务器数量也在不断增加，除了医院信息系统、影像存储与传输系统等访问量、数据流量大的核心业务系统外，其他系统都是采用单台服务器独立运行模式，一旦出现问题，相应业务活动将面临全面瘫痪，安全隐患非常严重。

2.4 资源浪费，运维成本较高

为保证医院应用系统的高可用性，一些服务级别要求较高的应用系统都是采用购置冗余服务器的方法，利用专业的数据同步软件，通过实时或定时备份与恢复模式来实现信息系统的安全运行，不仅增加了系统管理员的维护工作量，而且大约一半的服务器系统资源被闲置或浪费，能耗问题、维护成本、冷却费用也会成倍增加。

2.5 业务灵活性差，上线周期较长

根据业务应用的范围不同，各个应用系统分布在不同的地方，各自为政，数据不能共享，某些应用系统硬件环境也无法满足正常运行的要求，不能灵活地相互调整资源以及相互切换；同时在新业务系统上线时，需要完成大量重复的工作，如服务器系统部署以及运行参数配置等，项目实施周期长。

3 云计算技术简介

3.1 含义

云计算是随处理器、虚拟化、分布式存储、宽带互联网和自动化管理技术的发展而产生的，其将计算任务分布在大量的资源池上，使各种应用系统能够通过网络根据需要获取计算力、存储空间和各种软件服务[3]。所谓“云”即指提供资源的网络是能自我管理和维护的虚拟计算资源，“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，且可以随时获取、按需使用。云计算的出现打破了现有计算模式，已成为IT业一个新的发展趋势。

3.2 实现基础

信息平台要实现云计算，虚拟化是一个重要基础，这也是云计算技术最主要的特点。将各种IT资源要素进行虚拟化，放在云计算平台中统一管理，把资源根据不同需求进行重新规划以达到最大利用率。虚拟化技术已经被迅速应用于数据中心与其他设备上，正在从主流的服务器虚拟化、存储虚拟化技术蔓延到IT应用的各个角落[4]。

3.3 构建方法

基于云计算的信息基础平台使用“池”的概念，通过虚拟化技术构建标准化的虚拟计算池、存储池、网络池、安全池等资源池，每个池均可实现动态的资源调整，以达到调度过程中充分利用资源的目的。而基于云计算的信息基础平台构建可分为资源整合、虚拟化、部署自动化3个阶段性步骤[5]。

4 基于虚拟化技术的医院云计算数据中心构建

4.1 设计原则

4.1.1 先进性 运用虚拟化技术，建立符合国际标准、开放、高性能、易管理的云计算平台，满足当前医院所有应用系统改造建设的资源需求。

4.1.2 实用性 建立符合医院当前业务要求和今后一段时期发展需要、具有现代化管理手段的信息平台，实现所有应用系统资源整合和集中调度。

4.1.3 安全性 系统安全建设应同步实施，除了在多个层次上实现安全目标外，还需要建立完善的管理体系，保障医院所有应用系统安全运行。

4.1.4 可扩展性 构建具有灵活扩展性的基础架构平台，通过统一的资源池方式，使搭建的基础设施平台仍然可以在未来相当长时间内继续工作。

4.2 总体架构及产品选择

4.2.1 总体架构 系统架构设计主要是在硬件设备层和基础软件层之间加入虚拟化层，建立基础设施资源池[6]。通过虚拟化技术，将不适宜放在同一台服务器中的应用整合到一台物理服务器中；同时，为充分考虑云计算平台的安全性和可操作性，在异地建立了一个灾备云计算平台，利用资源冗余性和地理分散性来保证医院云计算数据中心对灾难事件的抵御能力[7]。云计算数据中心建设拓扑结构，见图1。

图1 医院云计算数据中心建设拓扑结构

4.2.2 产品选择 为了评估现有架构能否达到预期的目标，分别研究了来自Microsoft、Citrix和VMware 3家主要公司的产品。最终根据以下标准，选择了VMware：(1)产品在大型数据中心的成熟度。(2)解决方案的可升级特性。(3)通过VMware高级特性获得高水平服务的可能性。(4)使用单个工具进行管理、虚拟化平台监控和灾难恢复计划，在vCenter中集成站点恢复管理器。(5)健全的生态系统，具有许多选项(包括迁移工具、与备份工具的广泛兼容性，以及报告工具)。(6)实施全局备份策略的能力。(7)原有的内部VMware技能[8]。

4.3 实施步骤

4.3.1 服务器虚拟化 采用4台具有强大处理能力和高扩展性的双路4核2.0GHz、128GB内存、两块千兆速率以太网卡的刀片服务器，按照云计算平台搭建要求作为虚拟化宿主服务器，并且每台宿主服务器上都安装配置VMware 虚拟架构软件vShpere 5.1。利用服务器的强大处理能力，生成多台配置均为4个以上虚拟CPU和8GB以上内存的相互独立的虚拟服务器，所有虚拟服务器共享宿主机的网络资源。每一个虚拟服务器从功能、性能和操作方式上，都等同于传统的单台物理服务器，从而大大提高资源利用率，降低成本，增强系统和应用的可用性，提高系统扩展的灵活性和快速响应[9]。

4.3.2 数据集中存储 为了实现数据的集中存储、集中备份以及充分利用VMware虚拟架构中虚拟机可动态在线从一台物理服务器迁移到另一台物理服务器上的特性，配置一套光纤虚拟化存储阵列，通过两台冗余光纤交换机，组成标准的SAN集中存储架构，由VMware虚拟化架构生成出来的虚拟机的封装文件都存放在SAN存储阵列上。通过共享的SAN存储架构，可以最大化地发挥虚拟架构的优势[10]。利用虚拟机动态迁移、动态资源调度、快速存储备份等技术可以实现在线虚拟服务器迁移、动态资源管理以及快照整合备份。

4.3.3 部署管理优化 在架构建立之后，为了能够集中管理、统一部署以及实时监控所有虚拟机，实现自动化管理以及简化资源调配过程，可以利用虚拟化平台实现用户业务系统的快速部署，在系统运行过程中进行资源的动态调整，从而实现系统的最优化运行[11]。目前，虚拟化平台中的业务系统部署有两种方式：一种是对于新建的业务系统，只需要创建一个新的虚拟服务器，把相关的业务系统部署在这台虚拟服务器中；另一种是对于已经存在的业务系统，可以选择P2V Coverter或PlateSpin Migrate作为迁移工具，实现物理服务器在线迁移到虚拟服务器中。

4.3.4 异地灾备云 出于系统运行安全考虑，一般都会建设两个(或多个)数据中心：一个是生产数据中心，用于承担用户的实时业务；一个是灾备数据中心，用于备份生产数据中心的数据、配置以及业务等[12]。利用两台双核2.4GHz、64GB内存、两块千兆速率以太网卡的机架式服务器、1台光纤交换机以及1台磁盘阵列在异地数据中心搭建灾备云计算平台。通过使用VMware vCenter Server的扩展技术VMware vSphere Replication(VR)，实现了基于管理程序的复制，替代基于传统存储的复制模式，不仅可以支持虚拟机的复制和恢复，而且可用于避免部分或整个站点故障。VMware vSphere Replication(VR)模式，见图2。

图2 基于VMware vSphere的数据复制模式(VR)

5 应用效果

5.1 提高用户并行处理能力和扩展性

用户数据分析迁移到VMware云平台后，针对各个应用系统数据创建独立的系统虚拟机，支持虚拟机资源或宿主服务器群资源的灵活高扩展，系统可在云平台内根据资源使用情况在线迁移，满足业务需求。

5.2 大大降低总成本

通过服务器整合，控制和减少物理服务器的数量，明显提高每个物理服务器及其CPU的资源利用率，从而降低硬件、运营和维护成本，包括数据中心空间、机柜、网线、耗电量、冷气空调和人力成本等，同时也解决旧系统的兼容性、维护和升级等一系列问题，进一步降低运维成本。

5.3 提高运营效率

加快新服务器和应用系统的部署，大大降低服务器重建和应用加载时间。提前规划资源增长，对用户和应用需求响应快速，不需要像以前那样长时间的采购流程，然后再进行测试。还可以进行快速的硬件维护和升级。

5.4 提高应用系统服务水平

建立业务和IT资源之间的关系，使IT资源和业务优先级对应。将所有服务器、存储、网络等作为大的资源统一进行管理，按需进行资源调配。

6 结语

采用虚拟化技术建设的医院云计算数据中心，具有规模大、可靠性高、通用性强、服务按需使用、运维成本低等优点[13]，降低建设和运营成本，同时也减轻数据中心管理者的工作量，实现服务器、存储、网络等资源的集中统一管理、升级和维护，提供安全防护和容灾能力，彻底改变长期以来分散、低效的管理模式，提高信息平台的安全性和稳定性，为各部门业务的稳定运行提供强有力的保证。云计算技术为数据中心的建设提供了一种既基于未来发展战略又符合当前要求的解决方案[14]，必将成为数字化医院数据中心建设与发展的方向。

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3 胡新平,张志美,董建成.基于云计算理念与技术的医疗信息化[J].医学信息学杂志,2010,31(3):6-9.

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5 马锡坤,杨国斌,于京杰.基于虚拟化的云计算数据中心整体解决方案[J].中国医疗设备,2012,27(12):62-64,92.

6 戴声,艾育华,陈芳炯.服务器虚拟化技术在医院信息系统中的应用[J].中国数字医学,2012,7(10):100-103.

7 刘锦,刘晓洁,李涛,等.一种异地容灾系统的设计与实现[J].计算机应用研究,2007,24(8)294-296.

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11 沈碧飞.利用虚拟化技术构建医院数据中心[J].医学信息学杂志,2014,35(1):22-25.

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13 赵为民.云计算难掩十大优势,2012年将遍地开花[J].网络与信息,2012,26(3):14-15.

14 谈永奇,李平,孙阳,阎旭.基于云计算的医院数据中心设计与实现[J].中国数字医学,2013，8(8):51-52.

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《医学信息学杂志》编辑部

Construction and Application of Hospital Cloud Computing Data Center Based on Virtualization Technology

TANGLong-kai,PANDa-zhao，ZHANGXin,

DepartmentofInformation, 98thHospitalofPLA，Huzhou313000，China

Taking 98th Hospital of PLA as an example, based on analyzing current existing problems in hospital data center, the paper introduces the plan of hospital cloud computing data center construction based on VMware virtualization technology, describes the design principle, overall architecture, implementation steps and application effect, points out that the application of cloud computing technology will become the construction and development direction of hospital data center.

Data center；Cloud computing；Virtualization；VMware；Construction scheme

2015-01-29

唐龙凯，工程师，发表论文5篇。

R-058

A 〔DOI〕10.3969/j.issn.1673-6036.2015.07.004