负载均衡技术在医院PACS系统升级、改造中的应用

李晓菲

（南京脑科医院 设备科，江苏 南京210029）

负载均衡技术在医院PACS系统升级、改造中的应用

李晓菲

（南京脑科医院 设备科，江苏 南京210029）

目的 完成医院从Mini PACS系统向 “大影像中心”的升级、改造，打造一个24×7小时高可用、高安全、可扩展的PACS系统。方法 采用 “双机、双核 （双回路）”思路构建服务器集群，利用负载均衡技术实现DAS服务器、WEB服务器、复制服务器、核心服务器数据智能分流。结果 PACS原有硬件得到最大化利用，实现了硬件级别的 “零”故障率，网络传输速度得到了较大提升。结论 负载均衡技术在PACS系统升级、改造中的应用，为实现医院的信息化打下坚实的基础。

负载均衡；服务器集群；PACS；双机双核

我院于2012年采购了GE的影像归档和通讯系统 （picture archiving and communication system，PACS），系统上线初期，共连接5台影像设备，数据量为3 GB／天。随着医院日检查量的迅速增长，医学影像科近年来新引进了3台大型医疗影像设备。目前检查量超过了200人次／日，日平均数据量总量超过20 GB。2016年我院成立以医学影像科、超声医学科为中心的“大影像中心”，随着医院信息化建设的全面推进，PACS系统数据量和用户访问量将会井喷式增长，服务器的计算强度和数据处理压力剧增。因此，打造一个24×7小时高可用、高安全、可扩展的PACS系统成为一个迫在眉睫的需要［1］。传统的解决方案是更换高性能服务器，其弊端在于：①成本高、资源利用率低；②可扩展性差，无法持续满足业务量快速发展的需要；③安全性差，存在单点故障、信息孤岛等问题［2-3］。因此本院PACS升级改造摒弃了该方案，选择通过构建服务器集群的方式，利用负载均衡技术，合理分配服务器间的资源，实现各服务器集群间的业务均衡，以解决PACS系统面临的上述问题。

1 负载均衡技术的基本概念与工作原理

1.1 负载均衡技术的基本概念 负载均衡技术 （load balance）是对处于同一个局域网络内并同时对外提供一组 （或多组）相同 （或相似）服务的服务器提供负载均衡业务［4］。通过负载均衡特有的调度算法，将大量并发的访问或单个重负载的运算平均分配到各个服务器上分别处理，每个服务器处理结束后，再将各部分结果汇总到一起，既减少了用户等待时间，又提高了服务器的处理速度。负载均衡技术为用户提供了一种廉价、有效、透明的方法，通过增加吞吐量、扩展服务器和网络设备的带宽，加强了服务器的数据处理能力，显著提高了服务器的可用性和灵活性。服务器负载均衡技术主要基本元素：①LB设备 （load balance device）：根据每个服务器所处的工作状态将用户的请求均衡地发给每个服务器；server：负责响应和处理各种服务请求；VSIP（virtual service IP address）：提供用户访问时虚拟IP地址，供用户服务请求时访问；server IP：提供服务器的真实IP地址［5］，供LB设备分发服务请求时访问。

1.2 负载均衡技术工作原理 根据信息的转发方式的不同可将服务器负载均衡技术分为NAT（network address translation）方式和DR（direct routing）方式。两者对数据的处理思路相同，但具体的处理方式有区别。两者均是通过LB设备提供VSIP，用户不直接访问server真实地址，VSIP获得请求服务后，LB设备根据特有的调度算法将请求均衡地分发到各个实服务。NAT方式通过LB设备分发服务请求后，LB设备会将server IP的地址转换 （目的IP地址为实服务IP），然后通过路由将请求转发给各个实服务。而 DR则不改变server IP的地址，通过将请求的目的MAC地址替换为实服务的MAC地址后直接将请求转发给实服务［6］。NAT方式组网灵活，不需要修改服务器配置，对服务器无额外要求，适用于各种组网，而DR方式只有单边请求通过负载均衡设备，设备负担小，不易成为瓶颈，转发性能更强。因此充分考虑到并发数据访问的快速要求，本院选择使用DR方式的服务器负载均衡技术构建PACS网络。

2 基于负载均衡技术的PACS系统构建

本次PACS系统升级的主要原则是 “双机、双核 （双回路）”，基于医院未来五年的发展趋势，充分利用医院现有资源，保证系统健康平稳过渡和运行。

PACS系统硬件升级：增加PACS数据库服务器、WEB服务器和应用服务器各1套，与之前的服务器形成 “双机热备”，以防止单点故障；4台 HP DL380影像采集服务器 （data acquisition system，DAS）负责图像压缩、数据缓冲和图像传输等任务；2台HP DL360服务器，实现数据实时同步；增加2套F5公司的BIG IP负载均衡服务器 （支持active－stand by工作方式），提供心跳线和线路冗余判断连接方式，故障自动切换至镜像连接，为当前的连接提供无缝故障恢复保护，安全性高［7］；2台归档服务器，实现在线存储数据向近线存储的归档任务；增加1台100 T的EMC VNX5500在线存储设备，共2台在线存储服务器，实现存储数据分流，提高存储效率［8］；1台EMC CX4－480近线存储设备。上述硬件设备均由原厂商提供3年24 ×7当天上门硬件服务，保修期为三年。

软件配置：PACS服务器操作系统由早期的Windows XP系统升级为Linux 64位企业版，可以支持无限大内存且不易受病毒侵袭；安装双机热备程序、防火墙，防止单机故障，提高系统安全性；PACS终端工作站安装RA1000软件 （RA600的升级版）。终端诊断设备的操作系统均全部由Windows XP升级为WIN 7系统，提高了各诊断终端的稳定性。

负载均衡架构下的PACS系统运行流程：两台高性能数据库服务器作为系统核心，负载均衡控制器实现硬件级别的智能负载均衡机制，将DAS服务器、WEB服务器、复制服务器、核心服务器的数据进行分流，且控制冗余线路切换［9］。在线服务器定时自检，24 h图像数据无更新将自动归档当天数据到近线存储设备中。工作流程如图1。

图1 PACS系统各服务器工作流程

3 PACS系统升级改造的效果评价

改造后的PACS系统的优点：通过负载均衡技术自带的高级调度算法，将客户端请求合理地均衡到各服务器上，最大化服务器性能的利用率，解除系统传输的速度瓶颈，使PACS具有更高的性能；通过BIG IP自带的管理软件实时监控服务器群组的流量和健康状态，保证在部分硬件和软件发生故障的情况下，整个系统的服务仍然可用；通过服务器集群技术，将多个独立服务器构成一个虚拟服务器，保证系统服务的连续性，且保持了用户操作的一致性［10-11］；实施周期短，2～3周内即可完成系统升级。本次PACS系统的升级改造按照 “双机、双核（双回路）”的主要原则，通过组建服务器集群，利用负载均衡技术，完成24×7小时高可用、高安全、可扩展的PACS系统的构建；PACS系统的核心服务器数据处理能力得到了显著提升，整个系统架构更加清晰，解决了核心服务器单点故障问题；影像存储被分配到两台存储器进行处理，容量由原有的30 T提升至100 T，处理速度快，安全性高［12-13］，可扩展性强。

4 结语

随着国家医改工作的深入进行，医院已经出现了集团化建设的体系架构［14］，如何解决影像数据传输缓慢甚至宕机这类问题，建立一个24×7小时高可用、高安全、可扩展的PACS系统成为迫在眉睫的问题。本次系统升级通过组建服务器集群的方式，利用负载均衡技术 （load balance）对集群的服务器之间进行业务均衡，解决了服务器单点故障引起的系统宕机问题，同时使各服务器的数据处理能力得到了显著的提升，为全面实现医院信息化管理打下了坚实的基础。

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[6] 张烨,王俊玲,肖革新.应用虚拟专用网技术构建网络直报系统信息传输平台 [J].医学信息学杂志,2009,30(12):21-23.

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（责任编辑：常海庆）

Application of Load Balance in Upgrade and Transformation of PACS in Hospital

LI Xiaofei(Department of Medical Equipments,Nanjing Brain Hospital,Nanjing 210029,China)

ObjectiveTo complete the upgrade and transformation from Mini PACS to"Large Image Center",a PACS system with high availability of 24×7 hours,high safety and extendibility.MethodsThe sever clusters were built with the thought of"dual device and dual core(double loops)".The intelligent distributary of data among DAS sever,WEB sever,copy sever and core sever was accomplished with the technique of load balance.ResultsPACS original hardwares were used maximumly with"zero"failure rate of hardware level,and the network transmission speed increased greatly.ConclusionsThe application of load balance technique in upgrade and transformation of PACS system provides a solid foundation of hospital informationization.

Load balance;Server cluster;PACS;Dual device and dual core

R197.32

A

10.3969/j.issn.1674-4659.2017.01.0021

2016－07－15

2016－10－24

李晓菲 （1981－），女，本科学历，双学士学位，工程师，研究方向：设备保障与管理。