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【院长专栏】基于虚拟化技术构建医院私有云数据中心
  • 2016-11-14 16:50
  • 作者:孔德光 尚玉明
  • 来源:中国数字医疗网

一、概述

随着医疗信息技术的发展,医院急需一种能高效调配各类系统资源的服务平台,以应对日益提高的医疗业务与医院管理的信息需求。而通过搭建医院私有云平台,可以有效解决传统方案带来的系统资源利用不均、数据中心管理维护复杂等诸多问题。其中服务器虚拟化技术,能将不适宜放在同一台服务器中的多种应用整合于一台物理服务器中。通过虚拟化平台的管理,可以实现服务器资源利用率最大化。此外,服务器虚拟化还可解决由于硬件、空间环境不足造成的资源紧张,提高医院信息部门的工作效率。

二、传统数据中心的建设现状

数据中心的建设一般包括以下几个步骤:选择服务器、选择系统平台、机器上架调试以及软件部署和测试等。

传统的建设方案中,服务器的选择大致可以分为塔式服务器、机架服务器、刀片服务器以及小型机等,在服务器虚拟化方案尚未普及前,刀片服务器的使用较少,而塔式服务器仅可满足入门级服务器的需求,无法满足规模较大的并行处理应用的要求,应用范围受限,因此,医院的核心业务大多部署在机架式服务器与小型机中。

目前数据中心服务器操作系统主要有三大类:UNIX系统、windows系统和Linux系统。除去部分使用小型机的大型三甲医院外,国内大多数医疗信息系统都部署在windows系统中。

由于医院业务系统繁多,且受限于早期网络与服务器硬件的性能,医院可能需为每一套业务系统设置一套独立服务器,而非核心业务系统服务器的资源使用率均不足10%,由此造成各个服务器资源利用率不均,业务量大的系统服务器在业务高峰期资源捉襟见肘,业务量小的系统服务器资源却又被闲置。并且由于大量各种类型的服务器混杂在机房,给后期的维护管理也带来了极大不便,无形中增加了信息部门的工作成本。

三、虚拟化构建数据中心的优势

一般来说,计算机系统包括若干层次,从下至上可分为底层硬件资源、操作系统、操作系统提供的应用程序编程接口,以及运行在操作系统之上的应用程序。虚拟化技术可以在这些不同层次之间构建虚拟化层,向上提供与真实层次相同或类似的功能,使得上层系统可以运行在该中间层之上。而服务器虚拟化则是将虚拟化技术应用于服务器上,使得服务器的使用,不再受限于物理上的界限,让CPU、内存、磁盘、I/O等硬件变成可以动态管理的“资源池”,从而提高资源的利用率,简化系统管理,实现服务器整合,使得数据中心对业务的变化更具适应力。目前,服务器虚拟化主要分为三种:“一虚多”、“多虚一”和“多虚多”。

使用服务器虚拟化构建数据中心的优势有:

(一)降低运营成本

服务器虚拟化使得系统管理员摆脱大量繁重的与物理服务器、操作系统、中间件及兼容性问题打交道的管理工作,更加专注与应用的管理;同时,由于服务器虚拟化厂商提供了功能强大的虚拟化环境管理工具,也使得日常的管理维护工作,变得更加简便。因此,可以大大降低IT基础设施的运营成本。

(二)提高应用兼容性

在现有的数据中心,大量的应用运行在各种互不兼容的环境中,兼容性问题突出。服务器虚拟化技术提供的封装和隔离特性使得应用所在的平台与底层服务器环境隔离,管理员不再需要根据底层环境的变化频繁调整应用,仅需构建一个应用版本,并将其发布到被虚拟化封装后的不同类型的平台上。

(三)加速业务系统部署

在传统的数据中心,部署一个业务系统可能需要以下几个步骤:寻找合适的物理机、安装操作系统、安装中间件、安装应用、配置、测试运行,这个过程通常需要耗费十几个小时甚至几天。采用服务器虚拟化后,部署一套业务系统就是部署一个封装好的操作系统和应用程序的虚拟机,部署过程只需:输入激活配置参数、拷贝虚拟机、启动虚拟机、激活配置虚拟机。而这样的部署,通常只需几十分钟,且无需太多人工干预。

(四)提高服务可用性

在采用了虚拟化的数据中心里,由于虚拟机是单个的逻辑文件,并且对应的处理器和内存资源都被虚拟机管理程序封装和隔离,因此我们可以很方便地对运行中的虚拟机快照并备份成虚拟机镜像文件,在需要的时候动态迁移虚拟机,报障服务的可用性。

(五)提升资源利用率

采用服务器虚拟化技术,数据中心管理员可以将原有的多台服务器整合到一台物理服务器上,提高物理服务器的使用率。

(六)动态调度资源

服务器虚拟化技术还可实现即时地调整虚拟机的资源,如CPU、内存等,而不需要像原来的物理服务器那样需要关闭服务器,打开机箱安装设备,再重新启动系统。通过资源调整API以及用户可操作的界面,管理员可以灵活地根据虚拟机内部的资源使用情况分配相应资源。

四、医院私有云数据中心建设实例

(一)云计算分类

云计算按照提供服务的类型,可分为三层:

基础设施层:经过虚拟化后的硬件资源和相关管理功能的集合。

平台层:介于基础设施层和应用层之间,它是具有通用性和可复用性的软件资源的集合,为云应用提供了开发、运行、管理和监控的环境。

应用层:是云上应用软件的集合,这些应用构建在基础设施层提供的资源和平台层提供的环境之上,通过网络交付给用户。

此次我院建设私有云数据中心,主要集中于基础设施层。

(二)私有云数据中心-基础设施层(Infrastructure as a Service,IaaS)的建设

数据中心的设计和构建是一项系统工程,医院需在特定预算的条件下,使数据中心能满足将来不断增长的业务需求。以海南省肿瘤医院数据中心为例,在建设规划之初,医院既考虑采用全虚拟化模式来构建数据中心,包括服务器虚拟化、桌面虚拟化以及存储虚拟化(主备业务生产存储池实现“双活”)等技术。数据中心基础架构图如下所示:

1.服务器虚拟化

受于早期技术限制、系统安全与业务延续性等方面的影响,还鲜有医院将主要业务系统应用于服务器虚拟化上,如HIS、PACS、LIS等。我院数据中心在设计之初也有过这种顾虑,但随着后期的调研并结合行业最新技术报告,我们论证发现,将医院所有的业务系统迁移到服务器虚拟化中并不存在额外的风险,相反,这样实施以后能够最大程度的享受到虚拟化带来的便利。下表为我院为部分业务系统配置的资源情况:

 

2.桌面虚拟化

桌面虚拟化是指将计算机的终端系统(也称作桌面)进行虚拟化,以达到桌面使用的安全性和灵活性。桌面虚拟化依赖于服务器虚拟化,在数据中心的服务器上进行服务器虚拟化,生成大量的独立的桌面操作系统(虚拟机或者虚拟桌面),同时根据专有的虚拟桌面协议发送给终端设备。用户终端通过以太网登陆到虚拟主机上,只需要记住用户名和密码及网关信息,即可随时随地的通过网络访问自己的桌面系统。对于医院来说,由于医生出诊与住院值班等工作的特殊性,往往不能很好的解决单机多用户的使用需求,而桌面虚拟化恰恰能很好的解决这类问题。

3.存储虚拟化

本方案采用以EMC VPLEX技术为核心的双活虚拟化数据中心解决方案。EMC VPLEX能够打破数据中心间的物理壁垒,提供不同站点间对同一数据副本的共享、访问及在线移动的能力,结合VMware虚拟化技术及Cisco OTV网络扩展技术,能够实现业务及数据在站点间的透明在线移动,使信息系统数据能够在两个站点间动态平衡业务负载,最大限度利用资源,并提供接近于零RTO的高可用能力,达到了真正意义上的云计算基础架构。

4.硬件与虚拟化软件

如上所述,本次方案中,我院选择了CISCO刀片服务器、EMC VNX系列存储(包含桌面虚拟化全闪存阵列与VPLEX双活网关等)与VMware服务器虚拟化、桌面虚拟化为解决方案。考虑到未来的扩展性,刀片服务器总共采购四套刀箱,每套预留一个全宽刀片服务器的位置,以便后期的扩容建设;存储方案中,所有业务系统共用两套存储设备,实施存储双活,为不影响业务系统,桌面虚拟化存储与业务系统存储分离,单独采用一套存储设备作支撑。

五、结语

利用虚拟化技术构建医院私有云数据中心已经成为医疗信息化发展的大方向之一。作为云计算中的最底层:基础设施层(Infrastructure as a Service,IaaS)

善于利用虚拟化技术,能解决医疗信息工作中已经或者将要遇到的一系列问题。随着各种大型公有云项目的落地,公有云资源的价格也在逐步降低,未来医院数据中心将会朝着混合云与私有云结合的方式加以建设,再进一步减少信息部门对基础设施维护工作的同时,也将为医院业务的连续运转持续保驾护航。

六、参考资料

[1] 虚拟化与云计算小组. 虚拟化与云计算. 北京: 电子工业出版社,2009.10

[2] 唐龙凯,潘大钊,张鑫.  基于虚拟化技术的医院云计算数据中心构建与应用. 医学信息学杂志,2015

[3] 孟群,屈晓晖. 虚拟化技术在医院信息平台服务器整合中的应用. 卫生信息化论坛,2011

[3] http://baike.baidu.com/view/2271844.htm

[4]http://baike.baidu.com/link?url=ZPMwbGrU0orrzWmq9i0nguZZpuRhVtF3seHzwHXn5SXbd7BkVQjIHYiIgbwgd3y5mURzOiJExo8AIQ7niZdA2DApUr_zToaLZoMF6uqiFqBPed8D3WRN2zYRT3Q0r7AfjxLXp_d8aN0W74qO1ml9rq


【专栏作家简介】尚玉明,海南省肿瘤医院副院长,海南省肿瘤防治中心常务副主任,研究员,管理学硕士学历。历任《中国医疗前沿》杂志社医院管理主编、深圳龙珠医院(大连实德集团)执行董事、深圳光华投资管理有限公司(重庆市公安医院)总裁,中国数字医疗网特约栏目作者,筑医台高级专家。

擅长医院弱电工程、信息化建设和管理组建。管理组建,即按照现代法人治理构建医院管理系统,建立高效低耗制度安排,逐渐形成有激励、有约束的管理体制和机制,提高整体医院运行效率。尚院长凭借十几年的医院管理、建设等方面的经验,先后主持、参与四项医院建设项目,拥有丰富医院建设项目策划、设计、咨询工作的理论及实践经验。

孔德光,中南财经政法大学工商管理硕士,本科主修通信工程。曾先后就职于海南领航IT职业培训讲师、海南省肿瘤医院弱电工程项目经理等职务,目前主要负责医院弱电工程与信息系统基础架构的建设管理工作。

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