应用虚拟化技术搭建高可用性医院数据中心

陈昱宇 柯建平

（泉州市儿童医院，福建 泉州 36200）

医疗行业的信息化经过逐年发展，信息系统在医院的覆盖范围越来越全面，医院整体业务对信息系统的依赖程度越来越高。信息化已经普及到医院的每项业务和每个员工。如何利用先进的信息化手段来完善信息管理，提高服务器利用率，保证业务连续性、减少中心机房能耗，是当前一个备受关注的话题。本文以泉州市儿童医院数据中心虚拟化项目方案为例，对医院采用服务器虚拟化与存储虚拟化的应用做进一步研究。

1 现状分析和存在问题

医院现有的信息系统主要包括医院信息系统HIS、电子病历（EMR）、影像归档和通信系统PACS、放射信息系统RIS、检验信息系统LIS、手术麻醉系统、供应消毒系统、办公自动化系统OA。在医院的数据中心建设中，传统建设模型是“烟囱式”的：医院每上线一个业务系统，都需要为其配置独立的服务器、存储、网络和安全等基础设施。该建设模式存在如下缺点：业务连续性差：除部分核心业务系统配备双机集群外，大多数应用系统都由一台服务器单独提供服务，一旦发生系统故障、硬件失效或计划内停机维护，都会导致业务中断；资源利用率低：多数服务器上都只运行一个应用，经长期观察CPU平均利用率不足5%，内存平均利用率不足10%；运维成本高：例如将来增加20个应用系统那么整个数据中心就至少需要增加20台服务器，如果有核心系统还得建立独立的服务器集群并配置相应的存储系统，造成硬件资源极大的浪费；应用部署周期长：每次部署一个新应用，都需要采购合适的服务器、安装操作系统、安装中间件、配置、测试等等。因此，迫切的需要一种全新的思路，搭建一个可持续扩容的高可用数据中心平台，从而更好地为医院信息化服务。

图1 泉州儿童医院原有服务器使用情况

2 虚拟化技术简介

所谓虚拟化就是资源的逻辑表示，其不受物理限制的约束[1]。在虚拟化技术中，被虚拟的实体是各种各样的IT资源。本文的讨论所使用到的虚拟化技术主要有以下两种。

2.1 服务器虚拟化

服务器虚拟化将系统虚拟化技术应用于服务器上，使得多个虚拟服务器运行在单一物理服务器上。服务器虚拟化为虚拟服务器提供了能够使机器运行的硬件资源。该技术具有：多实例，隔离性，封装性即物理设备无关性，高性能等特性。基于以上特性，所构建出的每一个虚拟服务器实例都有一套独享的虚拟硬件，通过采用虚拟化的辅助技术P2V（Physical to Virtual）将原有操作系统、应用程序和数据从物理服务器的运行环境迁移到虚拟环境中，服务器实例科根据应用负载情况灵活调整硬件资源，通过实时迁移技术将虚拟服务器实例在物理服务器之间快速迁移，实现真正意义上的服务器维护零停机。

2.2 存储虚拟化

通过存储虚拟化，将实际的物理存储实体与存储的逻辑表示分离，通过建立一个虚拟抽象层，将多个同构或异构的物理存储设备映射到一个单一的逻辑资源池中，构建虚拟存储池[2]。服务器可随意使用虚拟存储空间而不需关注底层物理设备的类型和特性形成统一高可用存储。引入存储虚拟化技术的优势：实现集中统一的存储资源池，提高存储资源的利用率；实现资源共享、按需分配的动态机制；控制灾难恢复的总成本；获得快速的部署、迁移及恢复的能力。

3 方案设计

图2 虚拟化高可用性医院数据中心拓扑图

本方案需实现双活虚拟化数据中心解决方案。采用存储虚拟化层设备能够打破数据中心间的物理壁垒，提供两个站点间对同一数据副本的共享、访问及在线移动的能力，结合服务器虚拟化技术及三层核心交换机网络扩展技术，能够实现业务及数据在站点间的透明在线移动，使用户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RPO（Recovery Point Objective）和零 RTO（Recovery Time Objective）的高可用能力，实现真正意义上的虚拟化基础架构。

3.1 服务器虚拟化的实现

经过反复的测试、评估和论证，决定采用VMware虚拟化技术实现服务器层面虚拟化。为充分利用医院原有硬件资源，保护固有信息化投资，决定利用原有1台HP DL580G8服务器、3台DELL R910服务器，把四台服务器的内存扩展至128GB内存，每台服务器上增加2块的FC HBA卡。将四台服务器分为两组，分别安装在主机房和容灾机房。四台服务器上安装VWmare ESX，组成两个虚拟服务器集群。建立多个虚拟服务器运行医院各应用系统分别分布在两个虚拟服务器集群内，如HIS、EMR、PACS、lis等等。使用Vmware DRS实现对资源的动态分配，创建优先策略，确保核心应用如HIS，优先获得计算资源。当主机房或备用遇到停电UPS故障或火灾等其他不可抗拒因素发生，当中一个虚拟机集群出现整体故障，另提一套虚拟机集群无缝接管，确保业务连续性。

为了对服务器虚拟架构进行有效的管理和监控，配置一台独立的Windows 2003服务器 （该服务器也可采用虚拟服务器）来做为 vSphere5套件中的 vCenter服务器，vCenter服务器为IT环境提供了集中化管理、操作自动化、资源优化和高可用性。基于虚拟化的分布式服务为数据中心提供了前所未有的响应能力、可维护性、效率、可扩展性和可靠性级别。

3.2 高可用虚拟存储的实现

采用SAN集中存储方式，将每个虚拟机的文件系统创建在共享的SAN集中存储阵列上。由于原有HIS和PACS分别都有两套镜像的存储系统，分别是两套EMC CX4-240存储系统，两套日立HDS AMS2000存储系统。为了降低中心机房建设总成本，将两种异构的存储系统虚拟成统一的镜像卷，充分挖掘原有设备价值，决定采用EMC VPLEX技术。通过EMC VPLEX Metro提供分布式联合提供医院院区内两个VPLEX集群之间的数据访问和移动能力。一个统一视图显示跨VPLEX群集的一个或多个LUN，从而实现新的高可用性和工作负载移置模式。

存储虚拟化设备可以对两个磁盘阵系统柜进行镜像，然后呈现给上层虚拟服务器使用。对于上层虚拟服务器来说，完全不需要转换原有的使用模式，每一个IO写入存储虚拟化设备镜像卷的时候，通过存储虚拟化设备虚拟卷同时写入两个机房的磁盘阵列柜，保证两套存储上的数据完全一致，实现零RPO。而当两个机房存储设备中任意一套发生故障时，业务完全不受影响，不需要中断和切换，仍然正常运行的存储设备能够完全支撑起全部业务应用。当故障存储恢复后，存储虚拟化设备会自动将数据进行镜像同步，大大降低了人工维护成本。

4 项目效果

采用服务器虚拟化和存储虚拟化技术构建出双数据中心后，经严格测试，这套虚拟化基础架构无任何单点故障，业务连续性得到有效保障。4台4U的服务器替换了几十台共计占100U以上的空间的服务器，提高了中心机房空间利用率。中心机房能耗大大降低，达到设计目的。减少了维护人员的工作量，从维护几十台物理服务器到维护4-5台服务器。部署新应用相较于传统部署方式，该虚拟化平台下部署新应用只需要根据应用负载需求简单配置虚拟机后即可使用，缩短了部署周期，降低了部署成本。通过预先设置的优先策略，能在业务高峰期充分保证核心业务的计算资源，实现硬件资源的最优化配置。

5 结语

医院的信息化环境复杂，应用繁琐，传统方式建设的数据中心已无法跟上医院信息化飞速发展的步伐。虚拟化技术搭建高可用性医院数据中心能有效突破传统建设模式的种种瓶颈，随着虚拟化技术的不断发展完善，医院业务应用在虚拟化平台上进一步融合，相信医院的全面信息化建设将更上一个台阶。

[1] 王庆波，金涬，何乐，赵阳等.虚拟化与云计算[M].电子工业出版社.

[2] 刘丹丹.虚拟化技术在构建医院信息基础架构中的应用[J].中国数字医学，2013（5）：104.