虚拟化技术在医院的应用分析

田宗梅

首都医科大学附属北京世纪坛医院计算机中心，北京 100038

虚拟化技术在医院的应用分析

田宗梅

首都医科大学附属北京世纪坛医院计算机中心，北京 100038

本文以北京世纪坛医院虚拟化技术应用实践为基础，分析了虚拟化技术在医疗行业中应用的特点及问题，构建了基于虚拟化的集中存储、集中备份方案。

医院信息系统；虚拟化；资源利用率

1 医院应用虚拟化技术的必要性

1.1 医院信息系统业务复杂

医院信息系统（HIS）是企事业单位信息系统中最繁多、最复杂的系统之一。以我院为例，已建立HIS、医学影像存储与传输系统（PACS）、检验信息系统（LIS）、电子病历（EMR）、血库系统、病理系统、数据挖掘等30多个应用系统。多系统就需要多服务器与存储的支持，大型医院现在面临的问题之一是众多服务器与存储管理和维护困难。

1.2 服务器资源使用率低下

据了解，很多三甲医院的服务器，除HIS外大部分在业务高峰期的CPU使用率不足15%，内存使用率不足40%。也就是系统资源的60%以上处于闲置状态，而通常使用传统双机热备的冗余架构中还有1台处于STAND BY的服务器，按2台服务器来计算相当于服务器硬件资源的80%是闲置的，不能被充分利用。

1.3 高成本高风险问题

据CHIMA全国医院调查2011～2012年度调查结果显示医院经费投入比例中62.86%是用于硬件的采购[1]。一方面大量服务器的部署维护需要高成本；另一方面多台处于单机独立运行的系统，一旦出现问题就面临停机、操作系统数据库重新安装、数据丢失的风险加大。

2 虚拟化技术特点及在医院部署要点

2.1 VMware服务器虚拟化技术特点

服务器虚拟化是将服务器物理资源抽象为逻辑资源，实现1台服务器转变为多台相互隔离的虚拟服务器，从而简化系统管理，提高资源利用率。以VMware公司的VSphere ESX/ESXi为例，VMware vSphere虚拟化操作系统可大幅度整合应用，降低物理服务器整体拥有成本[2-3]，只需15 min就可部署1台虚拟服务器。虚拟化技术独特的分层文件封装技术使各个系统互不影响（表1），不会因1台虚拟机感染病毒而使全部业务服务器受影响。VMware vCenter可集中管理VMware vSphere环境，可以提高IT管理员对虚拟环境的控制。在vCenter的管理下，可实现很多虚拟化功能，例如VMware VMotion，可以在不中断用户使用、不丢失服务的情况下在服务器间实时迁移虚拟机，VMware HA可以实现多台物理服务器组成高可用群集，避免因物理服务器硬件故障带来的服务中断[4]。而这一切为服务器虚拟化应用的发展打下良好的基础。

表1 虚拟化框架图

2.2 医院虚拟化环境部署中的要点

2.2.1 资源评估与业务匹配

服务器虚拟化技术的实现，对应用系统的IO性能等级、内存需求、可用性及存储容量有着一定的要求，在进行服务器虚拟化之前，需要根据各系统的应用情况对软件系统进行评估。虚拟机相对于IO性能要求高的应用程序而言，内存需求大的应用程序执行效率较低[5]，根据评估情况确定是否适合使用虚拟机及虚拟机资源分配。我院部分软件系统的评估情况，见表2。

虚拟机内部的应用与数据库系统备份一直存在有待提高的空间，特别是数据库系统，目前的虚拟化备份多数仅局限在针对独立虚拟机的备份，且不能实现数据变化后的增量备份，可能存在部分数据丢失的风险。而且同配置情况下，虚拟机的性能比物理机要低10%左右[6]。所以从以上角度考虑，服务器虚拟化并不适用于大型医院业务数据交互频繁、连续性要求高的HIS。

PACS的特点是生产多文件数据，PACS会产生大量的DICOM标准的文件，而在实践中发现虚拟化应用在管理超过2T的多文件时就会出现一些问题，比如磁盘碎片增多，系统性能下降，备份易出现中断等问题。我院每年PACS的数据量在3T以上，此时独立出PACS将是非常有必要的。经过探索，我们设计出一种新的存储架构，即服务器主机使用虚拟机，外挂物理存储阵列的方式进行存储，这样可以有效解决多文件系统在虚拟机环境出现的上述问题。

2.2.2 存储配置优化

虚拟化应用的前提需要有共享存储阵列支持，新部署环境的存储设备选择可根据医院内部业务系统资源消耗情况而定，对于部署I/O读写要求较高的信息系统，除了选择高性能的存储阵列以外，还可以对存储内部的配置做进一步调整，例如：增大存储控制器缓存，配置高速HBA卡，还可以采用高速硬盘，例如：SSD盘（Solid State Drive，固态硬盘）+SAS盘（Serial Attached SCSI）+NL-SAS盘（Near Line- Serial Attached SCSI）的组合模式。综合考虑磁盘冗余和空间利用率，通常情况下根据存储扩展柜的容量不同，采用15、16或20块盘做1个RAID5为较优选择，可减少硬盘故障带来的风险。

2.2.3 网络冗余配置

服务器配置时应添加多块网卡用于解决网络端口的冗余及带宽问题[7]，因医疗应用环境复杂，在虚拟化部署时要提前考虑多个不同网段的应用规划，例如：物理隔离内外网、专线交互等，通过构建虚拟化中的分布式交换机，为不同的网段提供服务。

2.2.4 存储与备份方案设计

当虚拟化应用建设完成后，会出现多应用系统集中依赖1台存储设备的现象。虽然存储设备一般都会有双控制器做冗余，但基于业务应用的安全性考虑还是需要建设容灾备份系统。备份软件根据应用的数据库特性选择，如Golden Gate或VMware的SRM工具都可进行同步数据镜像，实现数据的灾备。其中，Golden Gate可支持ORACLE、DB2、SQL Server等数据库的备份[8]，不受限于虚拟化应用环境；而SRM是专业的虚拟机应用备份软件，也有很多性能优势。

基于以上描述，构建了我院应用系统生产及备份环境方案，即核心应用系统采用IBM小型机做双机热备和异地灾备，形成两地三中心的数据灾备方案，极大提高了系统的可用性。PACS生产环境独立在虚拟机应用外，PACS数据库备份服务器采用虚拟机，而影像文件数据备份在灾备存储系统独立划分的物理磁盘阵列中，而不使用虚拟机磁盘文件。机房结构，见图1。

图1 机房拓扑图

表2 部分软件系统的评估情况

3 虚拟化应用与管理

虚拟化部署完成后，日常的应用与管理维护工作也非常重要。主机具有自动冗余备份的功能，发生硬件故障往往不容易被发现，应定期主动巡检硬件设备。VMware vCenter提供的管理平台是日常维护的重要工具。首先，为方便日常的应用部署，应根据应用实际情况把常用的操作系统及数据库做成虚拟机模板；其次，需要通过vCenter定期管理每台物理机下运行的虚拟机数量，整个物理机的性能、配置、警报信息等；最后，每台虚拟机的资源情况应定期查看，做好性能评估，避免资源不足造成效率低下。

4 总结

经过近1年时间对我院物理服务器和现有存储设备的整合，把原有的24个应用系统成功迁移到6台虚拟机中，提高了资源利用率[9]。往年单机运行服务器故障停机平均都在3次以上，而实施虚拟化应用1年以来未出现过单点故障停机，进一步证明了虚拟化可以提高IT系统的灵活性，达到医疗行业信息系统7×24 h业务连续性要求[10]。随着虚拟化技术的发展，相信未来医院选择低成本、高可靠、可订购、高容量、易管理的托管式云存储模式将成为主流[11]。

服务器虚拟化应用对节能减排做出的贡献非常重要，如使用6台普通服务器做虚拟化，部署30个虚拟机，粗略计算每年至少可节省电费10万元以上[12]。

虚拟化应用存在一定的局限性，针对业务连续性要求高的HIS与存储容量要求高的PACS需要特别谨慎，否则可能出现效率低的情况。另外，个别系统使用USB外接物理密钥的形式作为信息环境加密措施，当应用VMware虚拟化中的VMotion自动漂移功能时，由于物理原因的限制将会因找不到加密盘而出现无法使用的故障。

[1] 高学成．中国县医院信息化状况调查[C]．中华医院信息网络大会会议报告,2012．

[2] 王玉珍,王志强,赵正军,等．服务器虚拟化技术的应用与研究[J]．中国医疗设备,2013,9(2):31-32,30．

[3] 许冠军．基于Vsphere的虚拟计算机实验平台建设探索[J]．软件,2012,33(2):53-55．

[4] 缪一峰．医院虚拟化服务器部署[J]．计算机应用与软件,2011, 28(8):206-208．

[5] Barnett RJ．Irwin,B．Performance Effects of Concurrent Virtual Machine Execution in VMware Workstation 6[J]．In SCSS,2008,(2):329-333．

[6] 陈光．VMware虚拟化系统和原系统性能对比研究[J]．科技创新与应用,2012,7(18):31-32．

[7] 钱琼芬,李春林,张小庆,等．云数据中心虚拟资源管理研究综述[J]．计算机应用研究,2012,29(7):2411-2415．

[8] Yong Xiao,Qianrang Gong．Universal Database Cluster Solution-Based on Goldengate [C]．ICCIS,2011,254-256．International Conference on Computational and Information Sciences,2011．

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[10] 杨洋,胡冰,李巧兰．基于业务连续性的医院信息系统的构建[J]．中国医院管理,2011,31(11):78-79．

[11] 刘思得．基于网络的云存储模式的分析探讨[J]．科技通报, 2012,28(10):207-209．

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

Application of Virtualization Technology in Hospital

TIAN Zong-mei
Computer Center, Beijing Millennium Monument Hospital, Aff i liated Hospital of Capital Medical University, Beijing 100038, China

Based on the application practice of virtualization technology in Beijing Millennium Monument Hospital, this paper analyses the application features and problems of virtualization technology in medical industry, and constructs consolidated storage and centralized backup projects based on virtualization technology.

medical information system; virtualization; resource utilization

TP391.9；TP333.96

C

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.07.032

1674-1633(2014)07-0090-03

2013-12-18

本文作者：田宗梅，管理学硕士，工程师，主要研究方向：医院

信息系统开发与管理。

作者邮箱：sweetmail@126．com