医院网络异地容灾软硬件及服务器虚拟化设计

程思杰

（复旦大学附属华山医院，上海 200040）

近年来，随着医院HIS（医院信息系统）、LIS（检验科信息系统）等各类信息系统的推广应用，在提高业务办理效率、减轻医护人员工作压力和优化病患就医体验等方面产生了积极效果。与此同时，医院信息系统产生了海量数据，如何实现数据的安全存储、高效利用，也成为医院信息化建设中必须要考虑的问题。异地容灾备份是将业务中心与备份中心分别设在不同的地方，同时保证备份数据与原始数据同步更新，这样即便是原始数据丢失、破坏，也可以启用备份数据，保证医院业务开展的连续性。而服务器虚拟化技术则能够用虚拟服务器代替物理服务器，完成医院各类信息系统的功能。开展异地容灾系统和服务器虚拟化的设计应用，成为当下医院信息化建设的重要内容。

1 医院网络异地容灾系统的整体架构

本文设计的医院网络异地容灾备份系统由业务中心和备份中心构成。其中，业务中心主要包含医院的各类信息系统，如HIS（医院信息系统）、LIS（检验科信息系统）、PACS（影像存储与传输系统）等；备份中心则是以虚拟机的方式存储各类信息系统的备份数据。系统的整体架构如图1 所示。

图1 医院容灾备份系统整体架构图

在医院的某个楼内设立一个灾备中心，要求灾备中心与业务中心分属于不同楼宇，实现异地容灾备份。从灾备中心的网络线路集成到业务中心的2 台交换机上，保证网络冗余。灾备服务器上除了必备的操作系统和系统插件外，还包括医院的各类业务系统以及用于存储备份数据的数据库管理系统。业务中心的重要数据会按照设定好的时间自动完成备份，并传输到灾备中心的服务器上[1]。

2 医院网络异地容灾系统的硬件设计

2.1 服务器系统

本系统的服务器采用Intel Xeon E5520 四核处理器，主频2.13 GHz，配置5×144GB 热交换器和3.5 寸SAS硬盘，有12 个8 GB 光纤通道和4 个短波SFP 接口，标配集成PERC H1200 高性能磁盘阵列卡，支持虚拟光驱、软驱和闪存，自带Bios、Image 等文件的快速恢复系统。

2.2 光纤SAN 网络系统

医院业务中心的HIS 系统、PACS 系统等每天会产生海量数据，这些数据需要同步备份到异地容灾系统。频繁地传输和调用数据，使得系统服务器面临着较大的运行负载，保证网络访问的安全性、传输的稳定性至关重要。本文在设计异地容灾系统时，选择了光纤SAN网络，最大传输距离为10 km，最大传输率稳定在1 GB/s 以上。光纤SAN 网络系统的核心设备是光纤通道交换机（DELL Brocade 5100 24 口交换机），采用双冗余配置，可以实现FC 网络和SAN 网络的切换，保证了网络传输的稳定性和连续性。每1 台服务器配置2个光纤通道卡，这就意味着1 台服务器可以连接2 台互为冗余的光纤通道交换机。光纤通道交换机可以将业务中心服务器上采集到的海量数据分类存储到磁盘阵列中。光纤SAN 网络拓扑结构如图2 所示。

图2 SAN 网络拓扑图

2.3 存储系统

异地容灾系统的存储系统应当满足高性能、高可靠、易扩展等要求。本文选择了DELL EMC CX4 系列光纤存储系统，标准容量4.5 TB，支持扩展，最大扩展容量可达到10 TB。

3 医院网络异地容灾系统的软件设计

异地容灾备份系统的软件部分主要包括灾难检测、同步复制、灾难切换和系统恢复4 个模块。医院业务中心的各类信息系统在运行过程中，每隔一定周期进行循环性的灾难检测，判断系统运行是否正常。如果正常，则将医院各类信息系统产生的数据同步到备份数据库中；如果存在异常，在进行灾难报警，支持手动和自动容灾切换。切换至容灾备份系统后，使用备份数据保证医院各项业务的正常开展。在此期间，进行系统故障修复，并执行一个判断程序“系统故障是否消除？”如果故障未消除，保持灾备系统运行，维持医院业务的连续性；如果故障已消除，则进行系统恢复，从容灾备份系统再次切换回业务系统，医院业务中心的各类信息系统恢复正常运行，同时继续按照设定好的时间进行灾难检测，直到下一次灾难的发生[2]。整个流程如图3 所示。

图3 医院灾备系统流程设计图

3.1 灾难检测模块

医院业务中心各类信息系统的灾难检测可通过“心跳包”实现。系统中包括1 个主节点和若干个从节点，并且2 种节点分别向控制层上报心跳。异地灾备系统的控制层每隔一定周期会发出响应心跳包；正常情况下，业务中心的服务器会立即响应，系统顺利接收到任意一个节点的心跳，说明该服务器正常；若控制层收不到某个节点的心跳，则认为该节点不可用，服务器存在故障，这种情况下使用备用信道发送心跳数据包。

3.2 同步复制模块

同步复制可以保证业务中心和备份中心的数据保持一致性，是异地灾备系统软件设计的核心内容。本文使用Data Guard 技术实现海量业务数据的同步复制，将医院业务中心的在线日志和归档日志复制到备份数据库中。在系统同步复制软件设计中，需要分别对主库和备库进行配置。

主库配置如下：首先检查主库是否为“归档”模式，如果是则直接进行主备库的联通测试；如果不是该模式，则需要初始化数据库，进入到mount 环节，修改数据库的状态，使之切换为“归档”模式。将主库设置为force logging 状态，提高响应速度，防止修改记录丢失。然后新建一个standby.ctl 文件，用于存储备份数据；新建一个pfileWDS.ora 文件，用于存储初始化参数文件。指定归档文件的保存路径后，设置主库与备库的连接服务“fal_server=wjerm2;”最后重启主库，让各项设定生效[3]。

备库设置如下：设立备库目录，并参照主库的上述配置对备库执行相应操作。完成备库各项设定后，执行Data Guard 命令，实现主、备数据同步。同时，启用listener.ora 文件，监听数据同步进程，保证数据库处于实时恢复状态。完成上述操作后，进行主备库的联通测试，确保两者连接可靠。

完成主库和备库的设置后，对比主库和备库最近在线日志是否完全一致，两者一致说明主备库的在线日志传输正常；观察主库和备库最近接收到的日志文件是否一致，两者一致说明主备库日志应用正常。满足上述条件后，即可进行系统数据的同步复制。

3.3 灾难切换与系统恢复模块

本文设计的异地容灾系统，有2 种情况可以触发灾难切换。一种情况是医院业务中心的信息系统发生故障，这种情况下为了保护业务的连续性，需要通过灾难切换启用备用库，调取备份数据；另一种情况则是医院业务中心的信息系统需要进行升级或维护，也需要通过灾难切换启用备用库[4]。针对上述2 种情况，本文在系统软件设计中利用Data Guard 编写对应的灾难切换程序。

针对第一种情况，调用failover（）函数编写了计划外中止的故障切换程序，如图4 所示。

图4 基于failover 的灾难切换流程图

针对第二种情况，调用switchover（）函数编写了计划内停用的转换开关程序，如图5 所示。

4 医院网络异地容灾服务器虚拟化设计

4.1 服务器设计

近年来，医院的信息化建设进程加快，各类信息系统的数量和功能不断增多。为了达到降低成本、便于管理、提高资源利用率和保证业务连续性的效果，需要对医院异地容灾系统的服务器进行虚拟化设计。本文选择了VMware 虚拟机软件对异地容灾服务器的操作系统和应用软件进行虚拟化处理，具体配置见表1。

表1 虚拟化服务器软硬件配置表

在每台物理服务器上安装VMware 第5 代虚拟架构软件vSphere5.0，运行该软件后利用软件自带的ESX 组件，建立多台虚拟服务器。同时，在虚拟服务器上安装Windows 10 操作系统，并根据医院业务中心的实际情况，在虚拟服务器中安装同样的应用软件，如HIS 软件、ERM 软件等，这样就建立起与物理服务器功能、架构完全相同的虚拟服务器。相比于物理服务器最高只有30%左右的利用率，虚拟服务器的性能利用率可以达到90%，从而显著提高了医院各项业务的办理效率。

4.2 存储设备设计

在医院网络异地容灾系统中，使用FC/SAN 网络和动态虚拟存储阵列共同建立了SAN 集中存储架构。为了节约成本，需要借助于VMware 软件中的不同组件对存储设备进行虚拟化处理。利用该软件提供的VM DRS 组件可以做到动态分配硬件资源，以满足医院不同部门、科室的需求；利用该软件提供的WM VCB 组件，能够以虚拟机作为中间媒介，将代理服务器上的海量数据备份到磁盘阵列中，避免了备份过程中占用太多系统资源和存储空间的情况发生。通过存储设备的虚拟化设计，可以实现医院业务数据的集中存储、集中备份[5]。

4.3 服务器虚拟化管理设计

为了实现对医院异地容灾系统物理服务器和虚拟服务器的集中、可视化管理，本文作出了以下设计：新建一台DELL PER710 服务器，并在该服务器上安装Windows 10 操作系统，然后安装Virtual Center 软件，运行该软件后可以对上文设计的VM DRS、VM VCB，以及VMware 软件提供的其他组件进行集中管理。服务器虚拟化管理可以取得以下效果。

1）优化资源的配置，提高了资源的利用率。每一台物理服务器上可以配置多台虚拟服务器，并且每一台虚拟服务器都是独立的，相互之间不构成干扰，因此可以显著提高医院异地灾备系统的数据处理效率，为医院对各类数据资源的开发利用创造了有利条件。

2）降低成本。虚拟化服务器可以完成物理服务器的所有功能，并且节省了购买物理服务器等硬件设备的成本。对比来看，使用VMware 配置虚拟服务器，要比原来使用物理服务器节约40%～50%的成本。

3）业务连续性好。当医院的各项业务系统发生灾难后，WMware 可以借助于软件自带的Infrastructure 组件，对服务器内的业务数据进行快速备份，并根据用户的需要有选择性地进行数据恢复，保证了医院各项业务的连续性。

5 结束语

医院信息系统在日常运行中，产生了许多有重要价值的数据或者是包含病人隐私的信息，这些数据信息一旦丢失，将会对医院业务的开展造成严重的影响。本文设计了医院网络异地容灾系统，将业务中心与备份中心分别设置在不同楼宇，实现同步备份、异地存储、冗余容灾。通过保障数据的完整性，维护了医院业务的连续性。同时，采用VMware 软件对物理服务器进行虚拟化处理，使用虚拟服务器完成医院信息系统的各项功能，达到了节本增效的目的。