医院信息化建设中集群技术的应用

刘宇辰 董生忠

摘 要：目的：通过使用计算机及服务器的集群技术，使系统数据的处理能力，存储能力以及系统的稳定性得到明显提升。方法：采用windows server 2003/2008，及SQL server 2008/2014，多台服务器，两台网络存储及其他网络设备构成由多个服务器及计算机集群组成的集群系统，实现高性能，不间断无故障运行。结果：采用集群技术升级医院的网络信息系统，可以在付出相对较低成本的情况下使系统用有高性能，高稳定性等特性。结论：集群技术在现代医院信息化建设中可以对医院的整体网络系统起到很好的提升作用。

关键词：计算机集群；信息化；信息系统；网络

前言

随着医院信息化建设加强，大多数医院都建立起HIS、RIS、LIS、CIS、PACS、EMR和OA系统等。如今正在进行的“四级甲等”医院的申报及评选中，在原来的“三甲”基础上对医院信息互通互联标准化成熟度进行测评，从多个方面对医院网络信息平台进行综合测试和评估。信息化是用现代技术改造传统产业的一场革命，这也不例外地冲击医院的管理模式和经营理念[1]，它在为医院发展提供有力技术保障的同时，信息系统和各类设备的运行和维护也为医院管理带来了一定困惑[2]。在使用过程中，随用户数的增加，访问需求的加大，服务器的响应速度将成为整个网络系统的瓶颈。而解决办法一种是更换更高性能的服务器终端，另一种则是采用计算机及服务器的集群技术。

1 传统医院信息化中各系统的弊端

在医院信息化应用的深入过程中，医院信息系统的扩展，原有的电子设备逐渐暴露出其中的弊端。

1.1 工作连续性低

大多数医院在信息化建设的总投入有限，除了主要核心系统采用备份模式，大多都是单一服务器，一旦服务器发生故障不可避免宕机（中断），这可能对医院业务产生影响。而升级双机系统对于众多小系统来说则需要大量的硬件软件的投入[3]。另一种共享磁盘列阵系统，在存储设备出现问题时双机如同虚设。

1.2 管理复杂和运行成本高

医院原系统建设独立，各基础设施各司其职，大多由人工进行资源的分配，极其浪费人力资源，没有自动服务和自动部署能力[4]。

医院信息系统的不断扩大，使得所用的服务器数量成倍的增长，占地及能源消耗成为一个不可避免的难题摆在人们眼前。

2 计算机集群技术简析

计算机集群技术在目前应用最为广泛的可分为高性能计算集群技术（HPC Cluster）、高可用性集群技术（HA Cluster）和高可扩展性集群技术。而软件平台选择则有Solaris、Linux和windows三种选择。

2.1 高性能计算集群技术

高性能计算集群（High Performance Computing Cluster）是指以提高科学计算能力为目的计算机集群技术。HPC Cluster是一种并行计算（Parallel Processing） 集群的实现方法[5]。并行计算是指将一个应用程序分割成多块可以并行执行的部分并指定到多个处理器上执行的方法。目前的 Intel 架构上最多只可以扩展的CPU数量有限。为了胜任更大量的计算任务HPC Cluster引入到了计算机领域。

2.2 高可用性集群技术

高可用性集群（High Availability Cluster）是指以减少服务中断时间为目的的服务器集群技术。随着全球经济的增长，世界各地各种各样的组织对IT系统的依赖都在不断增加，在许多领域我们无时无刻不依赖于稳定的计算机系统。许多单位都依赖于计算机系统，任何中断都会带来不可估量的损失。

2.3 高可扩展性集群技术

高可扩展性集群技术是带均衡算法的服务器群集。负载均衡群集在多节点之间按照一定的策略（算法）分发网络或计算处理负载。负载均衡建立在现有网络结构之上，它提供了一种廉价有效的方法来扩展服务器带宽，增加吞吐量，提高数据处理能力，同时又可以避免单点故障[6]。

将这三种技术综合起来应用于医院信息化建设中，可以使医院网络系统的综合处理能力大幅提升。

2.4 软件平台

在三种软件平台中LINUX可以在廉价系统上运行，提供了UNIX的灵活性和强大功能。但LINUX系统可操作人数相对较少，在普通人群中通用性相对较低；Solaris 是 SUNSoft 公司的基于 UNIX 的多线程多用户的操作系统，系统在容错方面的实时性不是十分理想，而且通用性较低。所以选择Windows系统。Windows Server支持了三种集群技术，分别是NLB、CLB与MSCS，NLB和MSCS已经集成在Windows Server中，而CLB则需要购买Application Center。

三种集群技术的用途如下：

2.4.1 NLB，提供以TCP/IP为基础的服务与应用程序的网络流量负载均衡，用于提升操作系统的可用性和延展性。常见的应用有终端服务（terminal service）、网络服务（web service）与网络应用（web application）等。

NLB是通过一个虚拟的IP提供对外服务。当收到请求时，NLB会随机决定由哪一台服务器来处理这个请求。

2.4.2 CLB，提供使用COM+组件的中介层应用程序的动态负载均衡，用于提升系统的可用性和延展性[7]。CLB会依据目前的工作负载来决定由谁来处理服务请求。

2.4.3 MSCS，提供后端服务与应用程序的容错移转（failover），用来提升系统的可用性。常见的应用有SQL Server与Exchange Server等。

MSCS是由client来决定由谁来处理服务请求，所有服务器共享一个share storage来储存session状态。当主动服务器出现问题不能正常运转，则继续由被动服务器接手。被动服务器会从share storage取出session状态，继续未完成的工作，以达到容错移转的目的。

3 集群系统设计

集群系统由三部分组成：（1）终端的存储系统；（2）后端的MSCS主机集群；（3）前端的NLB服务器集群。

3.1 终端存储系统

存储系统采用双存储设备使用双机热备份技术，将两组磁盘列阵进行异地容灾备份设计，以保证网络的24*365天无故障运行[8]。

3.2 MSCS主机集群

将高可用性集群技术应用于此，由一台主服务器和一台备用服务器组成，每台机器均可以作为主服务器和备用服务器。用MSCS集群技术建立集群，当某台机器出现问题时MSCS的“心跳检测功能”（Heartbeats）便会检测出出现错误的应用软件和服务器，自动在备用服务器上重启工作任务。每台服务器均通过SCSI线连接到两个磁盘列阵上。

集群管理员还可以通过使用MSCS上的“集群管理程序（Cluster administrator）”，完成各种各样的集群管理任务。集群管理程序是一个图形操控台，管理员可以从两个节点中的任意一个上，或者从运行Windows Server 20xx或Workstation的另一台计算机上为每个应用程序和设备编写故障恢复策略，这样服务器便可以进行自动管理。还可使用MSCS上的图形化设置为每个应用程序和设备编写故障恢复策略，使服务器在操作系统级对所有资源进行自动管理[9]。

3.3 NLB集群

现有的各系统服务器均可作为NLB集群中的服务器，每个服务器均需安装两张网卡，一张用于连接局域网为用户提供服务，一张用于连接专供NLB集群的交换机负责检测及负载分配。这样一来即使NLB集群中任何一台服务器出现故障无法使用，用户均不会受到影响可以通过其他服务器继续工作任务。

结束语

为了满足医院大数据量，强实时性及24*365天的全天候不间断的要求，在医院信息系统不断扩大的情况下，技术及设备的升级已经成为必要。一个好的网络平台，才能使医院网络信息工作得以更有效的开展。计算机集群技术还可应用于很多领域如：分布计算、集中管理等。大型综合医院多是集医，教，科研等多方面为一体的医院，目前PC机的价格在不断下降，CPU性能在不断提升计算机集群技术的服务器解决办法可以使成本相对降低的情况下增强性能及稳定性。■

参考文献

[1]百度文库，医院信息化建设的意义[DB/OL]

[2]巴江波，陈江，淡攀东，张江江.VMware虚拟软件在医院数据中心建设中的应用研究[J].医疗卫生设备，2015，35（2）：78-80，86.

[3]吴艳君.基于虚拟化技术的医院信息平台设计[J].中国医疗设备，2014，29（1）：41-44.

[4]李波.服务器虚拟化技术在医院信息系统中的应用[J].医疗装备，2010，（12）：15-16.

[5]温小飞等.高性能计算机集群的性能评价[N].武汉理工大学学报，2005，27（4）19-22.

[6]谢育波.计算机集群技术在医院信息系统的应用[J].中国医学装备，2006，3（8）：51-54.

[7]51CTO技术论坛，Cluster，HA，LVS，双机热备，负载均衡，故障转移，区别与联系-企业级安全论坛-51CTO技术论坛 中国领先的IT技术社区[DB＼OL].2011.

[8]段国云.集群技术在医院信息系统集成中的应用[J]计算机系统应用，2012，21（2）：38-41.

[9]黄卫平.计算机集群技术在医院网络服务器中的应用[J]医疗设备信息，2003，18（5）：35-37.