袁靜，王新國，尚磊

1.第四軍醫(yī)大學(xué) 軍事預(yù)防醫(yī)學(xué)院衛(wèi)生統(tǒng)計學(xué)教研室，陜西 西安 710032；2.濟(jì)南軍區(qū)總醫(yī)院 信息科，山東 濟(jì)南 250031；3.山東省交通醫(yī)院 網(wǎng)絡(luò)中心，山東 濟(jì)南 250031

野戰(zhàn)醫(yī)療所智能數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建

袁靜1,2，王新國3，尚磊1

1.第四軍醫(yī)大學(xué) 軍事預(yù)防醫(yī)學(xué)院衛(wèi)生統(tǒng)計學(xué)教研室，陜西 西安 710032；2.濟(jì)南軍區(qū)總醫(yī)院 信息科，山東 濟(jì)南 250031；3.山東省交通醫(yī)院 網(wǎng)絡(luò)中心，山東 濟(jì)南 250031

本文介紹了采用虛擬化技術(shù)搭建野戰(zhàn)醫(yī)療所智能數(shù)據(jù)中心的技術(shù)方案。該方案通過對機(jī)房內(nèi)的服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一整合，數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，在不添加新計算能力的情況下提高了現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的利用率，降低了對物理主機(jī)數(shù)量、機(jī)房容量和電力制冷的資源需求，解決了傳統(tǒng)架構(gòu)下內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)計算能力分布不均衡問題。

野戰(zhàn)醫(yī)療；智能數(shù)據(jù)中心；虛擬技術(shù)；醫(yī)院數(shù)字化

0 引言

隨著信息化水平的不斷提高，我院野戰(zhàn)醫(yī)療所數(shù)字化建設(shè)初具規(guī)模。自實施以“軍衛(wèi)一號”為框架的醫(yī)院信息系統(tǒng)以來，先后又引入影像存儲與傳輸系統(tǒng)、檢驗信息系統(tǒng)、辦公自動化、移動醫(yī)療系統(tǒng)等，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)滲透到了野戰(zhàn)救護(hù)、政工后勤、藥品物資等各個管理層，形成了資源共享的網(wǎng)絡(luò)化、辦公自動化、醫(yī)學(xué)圖像數(shù)字化、信息采集無線化、安全監(jiān)控可視化的格局，充分展示了數(shù)字化醫(yī)療所的整體效能。

在數(shù)字化醫(yī)療所的建設(shè)過程中，由于各系統(tǒng)是在不同時期分批建成、單一部署，使得數(shù)據(jù)的存儲方式與存儲介質(zhì)也各不相同。這種“一個應(yīng)用一臺服務(wù)器和存儲”的分散部署模式，導(dǎo)致整個機(jī)房服務(wù)器負(fù)荷不能均衡、運(yùn)營維護(hù)成本高，新服務(wù)器的部署和升級擴(kuò)容易造成應(yīng)用中斷，特別是單機(jī)配置的各服務(wù)器形成系統(tǒng)孤島使得數(shù)據(jù)難以共享；各系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲量日益龐大，安全性得不到有效保障[1-3]。針對這些問題，我們根據(jù)野戰(zhàn)醫(yī)療所的衛(wèi)勤保障需求，決定采用VMware虛擬技術(shù)搭建智能數(shù)據(jù)中心，對服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一整合，數(shù)據(jù)集中處理。通過存儲虛擬化和動態(tài)遷移在各服務(wù)器或刀片服務(wù)器之刀板間彈性遷移系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)有效的資源調(diào)度，獲得更高的業(yè)務(wù)連續(xù)性和低成本的高容災(zāi)級別，既有利于數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)穩(wěn)定，又能大幅降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)營成本[4-6]。

1 VMware虛擬技術(shù)關(guān)鍵特性簡介

VMware虛擬技術(shù)的核心是直接安裝在物理服務(wù)器上的ESXi（Elastic Sky X， VMware公司系列虛擬化軟件的開發(fā)代號）平臺，它獨立于任何操作系統(tǒng)，空間占用量在150 MB以下，易于快速安裝、配置和部署。ESXi體系結(jié)構(gòu)包含虛擬化層和虛擬機(jī)：虛擬化層包括虛擬化管理程序VMkernel和虛擬機(jī)監(jiān)視器VMM（Virtual Machine Monitor，VMM）；ESXi主機(jī)通過虛擬中心服務(wù)器管理工具（vCenter Server）進(jìn)行管理，提供動態(tài)資源控制，包括主機(jī)、集群、資源池的集中管理、虛擬機(jī)及存儲的實時遷移、分布式資源調(diào)度、業(yè)務(wù)連續(xù)性及備份和恢復(fù)功能。

1.1 虛擬中心服務(wù)器管理工具及其組件

vCenter Server提供用于管理整個虛擬環(huán)境的集中平臺，將服務(wù)器資源整合起來供整個數(shù)據(jù)中心共享。可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心的單點訪問控制、性能監(jiān)視及各種配置，其組件包括用戶訪問控制組件和核心服務(wù)、分布式服務(wù)、插件及接口（圖1）。系統(tǒng)管理員借助用戶訪問控制組件，可針對不同用戶創(chuàng)建不同級別的訪問權(quán)限并進(jìn)行管理；核心服務(wù)是虛擬數(shù)據(jù)中心的基本管理服務(wù)；分布式服務(wù)包括實時遷移（vMotion）、存儲實時遷移（Storage vMotion）、資源調(diào)度（Distributed Resource Scheduler，DRS）、高可用性（VMware High Availability，VMware HA），為虛擬環(huán)境提供高效的自動化資源管理。

圖1 虛擬中心服務(wù)器管理工具組件

1.2 主機(jī)、集群、資源池的集中管理

VMware虛擬技術(shù)可以動態(tài)管理虛擬環(huán)境中的計算力和內(nèi)存資源。如果服務(wù)器組中包含8臺服務(wù)器，每臺服務(wù)器有4個雙核CPU（每個CPU以4 GHz的速度運(yùn)行）和32 GB內(nèi)存，群集將聚合256 GHz的計算能力和256 GB的內(nèi)存來運(yùn)行虛擬機(jī)。資源池可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要按層次或地域分配CPU和內(nèi)存資源，支持在不中斷應(yīng)用或終端用戶的情況下為虛擬機(jī)調(diào)配添加vCPU、內(nèi)存和硬盤，實現(xiàn)虛擬機(jī)資源的動態(tài)添加。

1.3 虛擬機(jī)及存儲的實時遷移

智能數(shù)據(jù)中心的主要技術(shù)是虛擬機(jī)和存儲的實時遷移。虛擬機(jī)實時遷移是在主機(jī)之間遷移正在運(yùn)行的虛擬機(jī)，它針對的是虛擬機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；存儲的實時遷移則是在存儲陣列內(nèi)和跨存儲陣列實時遷移虛擬機(jī)磁盤文件，避免因計劃內(nèi)存儲維護(hù)而造成的應(yīng)用程序停機(jī)，它將虛擬機(jī)磁盤文件改放到其他位置時，服務(wù)保持持續(xù)可用，并全面保證事務(wù)的完整性。該項技術(shù)的主要優(yōu)點是簡化陣列遷移和存儲升級并動態(tài)優(yōu)化存儲I/O性能，能夠根據(jù)項目需求的變化在不同種類的存儲之間移動虛擬機(jī)磁盤文件，將具有高性能需求的虛擬機(jī)遷移到新購買的存儲中，而將優(yōu)先級較低的虛擬機(jī)移到速度較慢或者較舊的陣列中，騰出高性能存儲供更加重要的工作負(fù)載使用。

1.4 分布式資源調(diào)度

VMware虛擬技術(shù)通過分布式資源調(diào)度（Distributed Resource Scheduler，DRS）將主機(jī)資源根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級聚合到集群中，并通過監(jiān)控利用率平衡資源池內(nèi)的計算容量，根據(jù)業(yè)務(wù)需求在虛擬機(jī)之間智能分配可用資源，將這些資源動態(tài)分發(fā)到各虛擬機(jī)中優(yōu)先級最高的應(yīng)用。通過在不中斷應(yīng)用的情況下重新分發(fā)虛擬機(jī)，確保每個虛擬機(jī)能隨時訪問相應(yīng)資源，從而保證了所有虛擬機(jī)遷出物理服務(wù)器進(jìn)行無停機(jī)的計劃內(nèi)服務(wù)器維護(hù)。允許系統(tǒng)管理員監(jiān)控和有效管理更多的IT基礎(chǔ)架構(gòu)，部署新容量。

1.5 高可用性

VMware虛擬技術(shù)通過持續(xù)監(jiān)控虛擬機(jī)并分別在物理服務(wù)器、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序三個層面上處理各類故障，最大限度地減少了停機(jī)現(xiàn)象。如檢測到服務(wù)器故障時，無需手動干預(yù)即可在資源池中的其他物理服務(wù)器上重啟虛擬機(jī)；檢測到操作系統(tǒng)故障時，通過自動重啟動虛擬機(jī)來保護(hù)應(yīng)用程序不受操作系統(tǒng)故障的影響；檢測到應(yīng)用程序故障時，通過自動修復(fù)最大限度減少應(yīng)用故障造成停機(jī)。

通過分布式資源調(diào)度和實時遷移集成管理，如果主機(jī)發(fā)生了故障，并在其他主機(jī)上重新啟動虛擬機(jī)，則分布式資源調(diào)度模塊會提出遷移建議以平衡資源分配，并可通過高可用模塊對遷移的源主機(jī)進(jìn)行故障恢復(fù)。

1.6 虛擬機(jī)的備份與恢復(fù)

VMware通過數(shù)據(jù)保護(hù)解決方案（VMware Data Protection，VDP）無中斷地備份整個虛擬機(jī)，包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用二進(jìn)制文件和應(yīng)用數(shù)據(jù)。VDP利用重復(fù)數(shù)據(jù)消除技術(shù)和變更數(shù)據(jù)塊跟蹤技術(shù)優(yōu)化備份和恢復(fù)過程。重復(fù)數(shù)據(jù)消除技術(shù)將文件分解為可變長度的子段，以確定它們是否真正唯一，使冗余數(shù)據(jù)只需存儲1次，從而最大限度地減少備份存儲量，其文件系統(tǒng)的平均重復(fù)數(shù)據(jù)消除率可達(dá)99%、數(shù)據(jù)庫可達(dá)96%。通過變更數(shù)據(jù)塊跟蹤技術(shù)，備份和恢復(fù)過程只需發(fā)送虛擬機(jī)當(dāng)前狀態(tài)與備份之間的變更數(shù)據(jù)塊增量，只需恢復(fù)必要的數(shù)據(jù)塊，從而降低備份和恢復(fù)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，減少備份與恢復(fù)時間。

2 智能數(shù)據(jù)中心總體建設(shè)方案

首先通過系統(tǒng)評估、容量規(guī)劃和應(yīng)用需求計算出服務(wù)器數(shù)量，然后按照VMware提供的最佳做法給出數(shù)據(jù)中心規(guī)劃，進(jìn)行模擬化流程設(shè)計及網(wǎng)絡(luò)、存儲、容災(zāi)與備份設(shè)計和虛擬機(jī)設(shè)置等。安裝、配置后進(jìn)行系統(tǒng)遷移，把實際應(yīng)用遷移到VMware虛擬平臺。在遷移過程中根據(jù)醫(yī)療所的保障需求，結(jié)合其實際環(huán)境對安裝配置、日常監(jiān)控管理、性能調(diào)優(yōu)、故障處理等多方面進(jìn)行調(diào)整測試。

根據(jù)野戰(zhàn)醫(yī)療所機(jī)房的現(xiàn)狀，利用現(xiàn)有的3臺HPDL580G7服務(wù)器，部署VMware vSphere5.5系統(tǒng)，每臺HP DL580G7服務(wù)器通過FC HBA卡連接到2臺冗余的光纖交換機(jī)，后端連接原HP P6350存儲，形成存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)；再新部署1臺HP P6350存儲，通過同步數(shù)據(jù)復(fù)制軟件保證兩臺存儲數(shù)據(jù)一致，同時采用HP StoreOnce 2700虛擬帶庫結(jié)合備份軟件ARCserver Backup對所有虛擬機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一備份。ARCserve Backup支持完全、增量、差分等多種備份方法，它包含豐富的備份策略，如定制策略和循環(huán)策略。本項目中，我們采用7天制備份，即周1～周6差量備份，周日完全備份。第3周全備份覆蓋第1周全備份，保留第2周全備份，每周一差量備份覆蓋上周一差量備份，以此類推。

數(shù)據(jù)中心通過服務(wù)器深度安全防護(hù)系統(tǒng)（Deep Security）為整個虛擬環(huán)境提供安全防護(hù)。其底層病毒防護(hù)無需部署客戶端，可提供實時、手動和計劃安全內(nèi)容過濾，給予專用API接口提高運(yùn)行效率；雙向狀態(tài)防火墻減少了服務(wù)器被攻擊的機(jī)會，防火墻策略可針對每個不同的網(wǎng)絡(luò)接口和位置進(jìn)行設(shè)置，實現(xiàn)微粒篩選，防止惡意攻擊，提供事先弱點掃描偵測；深度數(shù)據(jù)包過濾實現(xiàn)入侵偵測和防御、Web應(yīng)用保護(hù)、應(yīng)用程序保護(hù)、管理與控制。針對進(jìn)出的數(shù)據(jù)包攻擊進(jìn)行基于內(nèi)容的防護(hù)，實時監(jiān)控系統(tǒng)文件、注冊表的變化并提供報告和日志審計。

3 應(yīng)用情況

一年來，智能中心的應(yīng)用有效提高了現(xiàn)有IT基礎(chǔ)設(shè)施的利用率，其優(yōu)勢主要包括：

（1）降低了設(shè)備成本，實現(xiàn)了節(jié)能減耗。通過虛擬化整合常規(guī)應(yīng)用，降低了對物理主機(jī)數(shù)量、機(jī)房容量和電力制冷的需求，解決了傳統(tǒng)架構(gòu)下內(nèi)部計算力分布不均衡導(dǎo)致不同應(yīng)用在不同時段對計算力的波動需求問題。虛擬化技術(shù)實施前，機(jī)房內(nèi)服務(wù)器數(shù)量多且一直處于開機(jī)狀態(tài)，80%的業(yè)務(wù)系統(tǒng)高峰時段僅為每天24 h的20%，其余80%的時間服務(wù)器資源都在閑置狀態(tài)[7-8]。通過虛擬化，將多個應(yīng)用的負(fù)載合并到1臺服務(wù)器上，使服務(wù)器資源的利用率提高到70%以上，使服務(wù)器數(shù)量可按照N:1（N一般指5～15臺）的比率減少，大幅減少了能源消耗。

（2）充分利用現(xiàn)有設(shè)備和專業(yè)軟件。利用虛擬化技術(shù)，除對物理服務(wù)器的高效整合利用外，可以將某些對操作系統(tǒng)版本有嚴(yán)格要求的專業(yè)軟件，在新的高性能服務(wù)器上運(yùn)行，而不需要進(jìn)行軟件更新或二次開發(fā)，延長了生命周期。利用存儲虛擬化技術(shù)，還可以將原有的舊存儲整合到新的虛擬化存儲環(huán)境下，利用這些存儲資源進(jìn)行非關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)的部署或備份。

（3）提供了彈性計算能力和靈活的擴(kuò)展能力。傳統(tǒng)計算平臺的計算能力固定且受限，可擴(kuò)展性低。在虛擬環(huán)境中，當(dāng)某臺虛擬服務(wù)器能力不足時，計算節(jié)點可以動態(tài)添加資源池中的其他計算資源參與計算任務(wù)，計算結(jié)束后自動移出，從而提供彈性擴(kuò)展的資源。

（4）提高了運(yùn)維管理效率。虛擬化技術(shù)使得跨系統(tǒng)的物理資源統(tǒng)一調(diào)配、集中運(yùn)維成為可能，常規(guī)模式下對每臺物理服務(wù)器的一對一管理變成對虛擬服務(wù)器的管理。用模板或服務(wù)器復(fù)制方式快速建立1臺新的虛擬化服務(wù)器，耗時不超過15 min，提高了數(shù)據(jù)中心應(yīng)對各類突發(fā)應(yīng)用需求的能力。對管理員來說，只需通過一個管理界面就可以完成對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有服務(wù)器的安裝配置、性能監(jiān)控等管理任務(wù)，能夠快速實現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的靈活部署與變更，大大簡化了運(yùn)維管理流程。

總之，利用虛擬化技術(shù)構(gòu)筑智能數(shù)據(jù)中心，可以對野戰(zhàn)醫(yī)療所信息中心的軟硬件資源進(jìn)行優(yōu)化利用，提高了效率，降低了成本，有較好的推廣應(yīng)用價值。

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Construction of a Field Medical Station Intelligent Data Center

YUAN Jing1,2, WANG Xin-guo3, SHANG Lei1
1. Department of Health Statistics, School of Public Health, Fourth Military Medical University, Xi’an Shaanxi 710032, China; 2. Department of Medical Information, General Hospital of Jinan Military Area Command, Jinan Shandong 250031, China; 3. Department of Network Center, Shandong Traffic Hospital, Jinan Shandong 250031, China

This paper provided a technology solution to build a intelligent data center by using the virtual technology. Through unifed integration of server within the room and centralized data processing, the utilization effciency of existing infrastructure was improved without adding new computing ability. Additionally, the demand of physical hosts, room capacity and power refrigeration were reduced so as to solve the unbalanced distribution of internal network computing power under traditional architecture.

feld medical; intelligent data center; virtual technology; digital hospital

TP319.9

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.07.024

1674-1633(2016)07-0082-03

2015-11-25

2016-05-19

濟(jì)南軍區(qū)聯(lián)勤部科研項目(面上CJN14L074)。

本文作者：袁靜，在讀博士研究生。

尚磊，教授，博士研究生導(dǎo)師。

通訊作者郵箱：shanglei@fmmu.edu.cn