基于VMware的医院服务器虚拟化研究与实践

刘海林

浙江中医药大学附属第三医院信息科，杭州 310005

数字化医院是当今医院信息化建设的主要目标。随着医院信息化建设的不断深化，医院数据中心已从最初的基于数据业务逐步发展成为集语音、视频、图像等多业务于一体的服务平台［1］。医院业务的多样化同时要求信息中心不断增加或更换新的服务器，才能满足持续增长的服务与应用需求。

而按照传统模式部署服务器往往会面临诸多不利因素:其一，资源利用率低。传统方式下一台服务器只运行单个应用，多数服务器的资源利用率仅在5%～15%之间，大量的系统资源被白白浪费;其二，管理复杂，兼容性差。服务器数量增加，各类软硬件平台复杂多样，导致兼容性问题突出，管理难度大［2］;其三，购置维护成本高，能耗大。更多的服务器意味着购置费用和维护成本将会逐年增加，也使得数据中心空间、能耗、散热等问题日益突出。如何解决上述问题，已成为数字化医院建设进程中需重点考虑的因素。

1 服务器部署现状

浙江中医药大学附属第三医院是一所集医疗、教学、科研、康复为一体的国家三级甲等中医医院。医院的信息化建设起步于2001年，经过陆续的投入，目前在用的各类品牌服务器20余台，分别应用于HIS、EMR、PACS、LIS、OA、FTP、银医通、预约挂号平台、医疗质量审核、合理用药、数据库审计、诊间叫号、掌上中山、物资申领、温控等业务系统。但除HIS、EMR和PACS这些核心系统采用高可用性双机环境外，其他系统都是单机运行，数据也是本机存储，应用安全性得不到保障。随着医院规模的不断扩大和业务的持续多样化，对服务器的需求还在不断增加。然而，设备的增加会导致管理难度和运维成本的提高，同时严重影响到机房的空间、电力消耗等一系列问题。

而将服务器虚拟化技术应用到数字化医院建设中，可有效解决当前数据中心服务器部署中面临的一系列问题。服务器虚拟化技术通过软件的方法，在一台物理服务器上运行多个虚拟计算机，不同的虚拟机可以在同一台物理机上运行不同的操作系统以及多个应用程序，并共享这一台物理机的硬件资源，从而提高服务器的使用效能，并提供良好的隔离性和安全性［3］。VMware vSphere作为业界第一款云计算操作系统，它利用虚拟化的强大能力将数据中心转换为显著简化的云计算基础架构，使IT组织能够利用内部和外部资源，安全和低风险地提供新一代灵活可靠的IT服务［4］。

2 服务器虚拟化实施方案

2.1 系统资源规划

在实施虚拟化过程中，首先需要对即将部署的服务器的硬件使用情况进行规划，确定纳入虚拟化管理的应用服务资源。其中包括服务器的CPU、内存、IO性能等级、存储容量大小及利用率等指标，确定好每台虚拟机的资源需求，再汇总出总的硬件资源需求，从而确定需要多少台物理服务器才能满足部署需求［5］。通过对现有物理服务器资源进行统计分析，结果表明在用的大部分服务器资源利用率较低，造成大量资源被白白浪费。但为保证在虚拟化实施过程中不对医院核心业务产生影响，故暂不将HIS、EMR和PACS业务服务器纳入虚拟化实施对象，而对其他非关键业务将逐步迁移或重新部署至虚拟化平台。

2.2 虚拟机环境部署

根据服务器虚拟化架构图(如图1所示)可知，该项目计划部署4台物理服务器和1台共享存储设备。其中3台服务器选择Dell R910(4颗Inter Xeon E7-4807六核处理器，32G内存，3块146G热插拔硬盘，4块千兆以太网卡)，服务器通过安装VMware ESX建立HA集群。另外1台服务器用于安装配置vCenter Server，vCenter Server，它是一个可访问支持的数据库的物理机或虚拟机，对安装环境的软硬件配置有严格要求。如CPU需两个64位或一个64位双核处理器(2GHz或以上)，内存4G或以上，网络建议使用千兆位链接，等。因此，我们选择在Dell R710(4颗Inter Xeon X5647四核处理器，16G内存，千兆以太网卡)专用服务器上部署vCenter Server，用于实现HA、DRS、Vmotion、FT等高级功能的配置和建立各个ESX Server服务器之间的联系，以便对这些虚拟服务器的集群式管理［6］。

图1 服务器虚拟化架构图

存储设备选择Dell MD3200i磁盘阵列，采用共享存储来承载虚拟机和数据，这种存储方式在多虚拟机环境下能比本地存储提供更好的I/O性能。

安装ESX server的3台Dell R910服务器通过SAN交换机连接到MD3200i磁盘阵列，MD3200i磁盘阵列采用双光纤交换机做线路冗余，ESX服务器也都集成双口HBA，保证到存储之间的线路冗余。服务器上配置的4个千兆以太网网卡，分两组连接两个核心千兆交换机，利用VMware ESX的网卡绑定功能，做到网络充分冗余，并且可提升网络吞吐量［7］。

2.3 应用部署和迁移

搭建好虚拟化环境后，便可在VMware ESX Server上创建虚拟机，即在虚拟机上安装操作系统和部署应用，也可以利用VMware Converter将各物理服务器上的应用逐步迁移到虚拟机中，并根据实际消耗分配好CPU、内存、虚拟网络和存储等资源。最后利用vCenter Server对虚拟机进行配置，由控制台统一管理数据中心内的所有vSphere主机和虚拟机，既可对所有关键组件(如CPU、内存、存储，等)进行全面的性能监控，还可以配置资源的动态迁移、优化、高可用性、容错、备份以及应用部署等高级功能，从而显著提高对服务器环境的管控能力［8］。

2.4 虚拟化测试

测试阶段主要是对虚拟化服务器进行功能性验证。如:物理机向虚拟机的迁移(Converter)、虚拟化服务器的存储及网络、虚拟基础架构集中管理的自动化和优化(Virtual Center)、虚拟机的在线实时迁移(VMotion)、虚拟化服务器的高可用性(HA)、实现虚拟机的动态平衡与资源分配(DRS)，等。同时，可根据测试的效果，调整资源分配，进行性能优化，保证每台虚拟机可靠、高效运行。

3 服务器虚拟化应用效果分析

通过在数据中心引入服务器虚拟化技术，和传统服务器资源分配的应用方式对比，此次服务器整合带来的变化主要体现在以下方面(如图2所示)。

图2 服务器整合前后对比

3.1 减少服务器数量，提高资源利用率

通过采用服务器虚拟化技术，在一台物理服务器上同时运行多个虚拟机，使目前在用物理服务器数量减少了80%，每台物理服务器承载5-8个应用，CPU利用率由原先的5%～15%提升到现在的60%以上，内存使用率达到40%以上，并且还可以实现的资源池的动态共享和合理配置，提高系统对不断变化的应用需求的适应性和灵活性。

3.2 降低管理复杂度，简化运维模式

服务器虚拟化技术简化了服务器的部署和管理工作，降低了系统架构的复杂度，节省了服务器部署时间，管理难度和运维成本大大降低。

3.3 节省机房空间，实现节能减排

实施服务器虚拟化之后，数据中心机柜空间占用由原先的76U减少为现在的20U，空间节省了近70%，另外，能耗方面也有大幅下降。如实施前20台服务器，以每台功耗500W计算，IDC的PUE(power usageeffectiveness的简写，是评价数据中心能源效率的指标，PUE=数据中心中设备能耗/IT设备能耗)假设为1.5，服务器24小时不间断运行，20台服务器一年的耗电量约为:500W×24×365×25/1 000=109 500度，IDC年制冷耗电约为:109 500×1.5=164 250度。而实施虚拟化后，按照4U服务器每台功耗1 000W计算，一年的耗电量约为:1 000W×24×365×4/1 000=35 040度，IDC年制冷耗电约为:35 040×1.5=52 560度。可见，实施虚拟化后，服务器每年可节电7万多度，制冷节电11万多度，按照每节约一度电减少的碳排放1千克计算，全年可以减少碳排放约186吨［9］。

4 后期规划与展望

目前，虚拟化技术应用已经成熟，尤其是VMware vSphere提供的高可用性和容错性等功能，可以在故障发生时进行虚拟机平台的无缝切换，保证业务不中断。因此，医院计划加大软硬件投入，逐步将HIS、EMR、PACS这些核心系统也纳入虚拟化平台，实现服务器应用的全部虚拟化，更好地发挥虚拟化技术的优势。

通过该次服务器虚拟化整合项目，构建了数字化医院服务器虚拟化平台，整体提高了数据中心的安全性，充分发挥了设备性能，降低了管理难度，但这只是虚拟化技术在我院应用的开始。在今后的研究和实践中，我们还要借鉴已积累的虚拟化应用经验，有计划、有步骤地开展对医院数据中心服务器、存储、网络、桌面管理等全面虚拟化尝试，为构建医院云服务平台奠定基础，提升医院的数字化服务能力［10］。

［1］刘海林.基于三层架构的医院网络改造与实施方案［J］.中国医学教育技术，2012，26(4):451-453

［2］卢凯.服务器虚拟化技术在数字校园建设中的应用［J］.软件导刊，2012，11(6):120-121

［3］何卫华.基于VMware的数字化校园服务器虚拟化平台［J］.价值工程，2012，(34):192-193

［4］胡嘉玺.虚拟智慧:VMware vSphere运维实录［M］.北京:清华大学出版社，2011:17-18

［5］李双宏，屠颖晟，王海颖.图书馆服务器虚拟化整合［J］.科技情报开发与经济，2011，21(10):71-73

［6］杜俊.服务器虚拟化技术在地方电大校园网中的应用［J］.江西电力职业技术学院学报，2013，26(1):57-60

［7］韩芬.VMware服务器虚拟化技术在数字图书馆建设中的应用［J］.图书馆学研究，2011，(22):37-41

［8］王一鸿，解晓峰，凌晨，等.服务器虚拟化在数字化校园中的应用研究［J］.电脑知识与技术，2013，9(21):4975-4977

［9］李先锋，王凯芸，吕强，等.三甲医院虚拟化技术的研究与实现［J］.中国医院，2012，16(2):12-14

［10］鲍劼，朱世平，李建平.VMware在高校图书馆服务器虚拟化整合中的应用［J］.兰台世界，2013，(29):27-28