李曉菲

（南京腦科醫(yī)院 設(shè)備科，江蘇 南京210029）

負(fù)載均衡技術(shù)在醫(yī)院PACS系統(tǒng)升級(jí)、改造中的應(yīng)用

李曉菲

（南京腦科醫(yī)院 設(shè)備科，江蘇 南京210029）

目的 完成醫(yī)院從Mini PACS系統(tǒng)向 “大影像中心”的升級(jí)、改造，打造一個(gè)24×7小時(shí)高可用、高安全、可擴(kuò)展的PACS系統(tǒng)。方法 采用 “雙機(jī)、雙核 （雙回路）”思路構(gòu)建服務(wù)器集群，利用負(fù)載均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)DAS服務(wù)器、WEB服務(wù)器、復(fù)制服務(wù)器、核心服務(wù)器數(shù)據(jù)智能分流。結(jié)果 PACS原有硬件得到最大化利用，實(shí)現(xiàn)了硬件級(jí)別的 “零”故障率，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度得到了較大提升。結(jié)論 負(fù)載均衡技術(shù)在PACS系統(tǒng)升級(jí)、改造中的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)醫(yī)院的信息化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

負(fù)載均衡；服務(wù)器集群；PACS；雙機(jī)雙核

我院于2012年采購(gòu)了GE的影像歸檔和通訊系統(tǒng) （picture archiving and communication system，PACS），系統(tǒng)上線(xiàn)初期，共連接5臺(tái)影像設(shè)備，數(shù)據(jù)量為3 GB／天。隨著醫(yī)院日檢查量的迅速增長(zhǎng)，醫(yī)學(xué)影像科近年來(lái)新引進(jìn)了3臺(tái)大型醫(yī)療影像設(shè)備。目前檢查量超過(guò)了200人次／日，日平均數(shù)據(jù)量總量超過(guò)20 GB。2016年我院成立以醫(yī)學(xué)影像科、超聲醫(yī)學(xué)科為中心的“大影像中心”，隨著醫(yī)院信息化建設(shè)的全面推進(jìn)，PACS系統(tǒng)數(shù)據(jù)量和用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)量將會(huì)井噴式增長(zhǎng)，服務(wù)器的計(jì)算強(qiáng)度和數(shù)據(jù)處理壓力劇增。因此，打造一個(gè)24×7小時(shí)高可用、高安全、可擴(kuò)展的PACS系統(tǒng)成為一個(gè)迫在眉睫的需要［1］。傳統(tǒng)的解決方案是更換高性能服務(wù)器，其弊端在于：①成本高、資源利用率低；②可擴(kuò)展性差，無(wú)法持續(xù)滿(mǎn)足業(yè)務(wù)量快速發(fā)展的需要；③安全性差，存在單點(diǎn)故障、信息孤島等問(wèn)題［2-3］。因此本院PACS升級(jí)改造摒棄了該方案，選擇通過(guò)構(gòu)建服務(wù)器集群的方式，利用負(fù)載均衡技術(shù)，合理分配服務(wù)器間的資源，實(shí)現(xiàn)各服務(wù)器集群間的業(yè)務(wù)均衡，以解決PACS系統(tǒng)面臨的上述問(wèn)題。

1 負(fù)載均衡技術(shù)的基本概念與工作原理

1.1 負(fù)載均衡技術(shù)的基本概念 負(fù)載均衡技術(shù) （load balance）是對(duì)處于同一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)并同時(shí)對(duì)外提供一組 （或多組）相同 （或相似）服務(wù)的服務(wù)器提供負(fù)載均衡業(yè)務(wù)［4］。通過(guò)負(fù)載均衡特有的調(diào)度算法，將大量并發(fā)的訪(fǎng)問(wèn)或單個(gè)重負(fù)載的運(yùn)算平均分配到各個(gè)服務(wù)器上分別處理，每個(gè)服務(wù)器處理結(jié)束后，再將各部分結(jié)果匯總到一起，既減少了用戶(hù)等待時(shí)間，又提高了服務(wù)器的處理速度。負(fù)載均衡技術(shù)為用戶(hù)提供了一種廉價(jià)、有效、透明的方法，通過(guò)增加吞吐量、擴(kuò)展服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的帶寬，加強(qiáng)了服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理能力，顯著提高了服務(wù)器的可用性和靈活性。服務(wù)器負(fù)載均衡技術(shù)主要基本元素：①LB設(shè)備 （load balance device）：根據(jù)每個(gè)服務(wù)器所處的工作狀態(tài)將用戶(hù)的請(qǐng)求均衡地發(fā)給每個(gè)服務(wù)器；server：負(fù)責(zé)響應(yīng)和處理各種服務(wù)請(qǐng)求；VSIP（virtual service IP address）：提供用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)虛擬IP地址，供用戶(hù)服務(wù)請(qǐng)求時(shí)訪(fǎng)問(wèn)；server IP：提供服務(wù)器的真實(shí)IP地址［5］，供LB設(shè)備分發(fā)服務(wù)請(qǐng)求時(shí)訪(fǎng)問(wèn)。

1.2 負(fù)載均衡技術(shù)工作原理 根據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)方式的不同可將服務(wù)器負(fù)載均衡技術(shù)分為NAT（network address translation）方式和DR（direct routing）方式。兩者對(duì)數(shù)據(jù)的處理思路相同，但具體的處理方式有區(qū)別。兩者均是通過(guò)LB設(shè)備提供VSIP，用戶(hù)不直接訪(fǎng)問(wèn)server真實(shí)地址，VSIP獲得請(qǐng)求服務(wù)后，LB設(shè)備根據(jù)特有的調(diào)度算法將請(qǐng)求均衡地分發(fā)到各個(gè)實(shí)服務(wù)。NAT方式通過(guò)LB設(shè)備分發(fā)服務(wù)請(qǐng)求后，LB設(shè)備會(huì)將server IP的地址轉(zhuǎn)換 （目的IP地址為實(shí)服務(wù)IP），然后通過(guò)路由將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)實(shí)服務(wù)。而 DR則不改變server IP的地址，通過(guò)將請(qǐng)求的目的MAC地址替換為實(shí)服務(wù)的MAC地址后直接將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給實(shí)服務(wù)［6］。NAT方式組網(wǎng)靈活，不需要修改服務(wù)器配置，對(duì)服務(wù)器無(wú)額外要求，適用于各種組網(wǎng)，而DR方式只有單邊請(qǐng)求通過(guò)負(fù)載均衡設(shè)備，設(shè)備負(fù)擔(dān)小，不易成為瓶頸，轉(zhuǎn)發(fā)性能更強(qiáng)。因此充分考慮到并發(fā)數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)的快速要求，本院選擇使用DR方式的服務(wù)器負(fù)載均衡技術(shù)構(gòu)建PACS網(wǎng)絡(luò)。

2 基于負(fù)載均衡技術(shù)的PACS系統(tǒng)構(gòu)建

本次PACS系統(tǒng)升級(jí)的主要原則是 “雙機(jī)、雙核 （雙回路）”，基于醫(yī)院未來(lái)五年的發(fā)展趨勢(shì)，充分利用醫(yī)院現(xiàn)有資源，保證系統(tǒng)健康平穩(wěn)過(guò)渡和運(yùn)行。

PACS系統(tǒng)硬件升級(jí)：增加PACS數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器各1套，與之前的服務(wù)器形成 “雙機(jī)熱備”，以防止單點(diǎn)故障；4臺(tái) HP DL380影像采集服務(wù)器 （data acquisition system，DAS）負(fù)責(zé)圖像壓縮、數(shù)據(jù)緩沖和圖像傳輸?shù)热蝿?wù)；2臺(tái)HP DL360服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步；增加2套F5公司的BIG IP負(fù)載均衡服務(wù)器 （支持active－stand by工作方式），提供心跳線(xiàn)和線(xiàn)路冗余判斷連接方式，故障自動(dòng)切換至鏡像連接，為當(dāng)前的連接提供無(wú)縫故障恢復(fù)保護(hù)，安全性高［7］；2臺(tái)歸檔服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)向近線(xiàn)存儲(chǔ)的歸檔任務(wù)；增加1臺(tái)100 T的EMC VNX5500在線(xiàn)存儲(chǔ)設(shè)備，共2臺(tái)在線(xiàn)存儲(chǔ)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)分流，提高存儲(chǔ)效率［8］；1臺(tái)EMC CX4－480近線(xiàn)存儲(chǔ)設(shè)備。上述硬件設(shè)備均由原廠(chǎng)商提供3年24 ×7當(dāng)天上門(mén)硬件服務(wù)，保修期為三年。

軟件配置：PACS服務(wù)器操作系統(tǒng)由早期的Windows XP系統(tǒng)升級(jí)為L(zhǎng)inux 64位企業(yè)版，可以支持無(wú)限大內(nèi)存且不易受病毒侵襲；安裝雙機(jī)熱備程序、防火墻，防止單機(jī)故障，提高系統(tǒng)安全性；PACS終端工作站安裝RA1000軟件 （RA600的升級(jí)版）。終端診斷設(shè)備的操作系統(tǒng)均全部由Windows XP升級(jí)為WIN 7系統(tǒng)，提高了各診斷終端的穩(wěn)定性。

負(fù)載均衡架構(gòu)下的PACS系統(tǒng)運(yùn)行流程：兩臺(tái)高性能數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器作為系統(tǒng)核心，負(fù)載均衡控制器實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)別的智能負(fù)載均衡機(jī)制，將DAS服務(wù)器、WEB服務(wù)器、復(fù)制服務(wù)器、核心服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分流，且控制冗余線(xiàn)路切換［9］。在線(xiàn)服務(wù)器定時(shí)自檢，24 h圖像數(shù)據(jù)無(wú)更新將自動(dòng)歸檔當(dāng)天數(shù)據(jù)到近線(xiàn)存儲(chǔ)設(shè)備中。工作流程如圖1。

圖1 PACS系統(tǒng)各服務(wù)器工作流程

3 PACS系統(tǒng)升級(jí)改造的效果評(píng)價(jià)

改造后的PACS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)負(fù)載均衡技術(shù)自帶的高級(jí)調(diào)度算法，將客戶(hù)端請(qǐng)求合理地均衡到各服務(wù)器上，最大化服務(wù)器性能的利用率，解除系統(tǒng)傳輸?shù)乃俣绕款i，使PACS具有更高的性能；通過(guò)BIG IP自帶的管理軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控服務(wù)器群組的流量和健康狀態(tài)，保證在部分硬件和軟件發(fā)生故障的情況下，整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)仍然可用；通過(guò)服務(wù)器集群技術(shù)，將多個(gè)獨(dú)立服務(wù)器構(gòu)成一個(gè)虛擬服務(wù)器，保證系統(tǒng)服務(wù)的連續(xù)性，且保持了用戶(hù)操作的一致性［10-11］；實(shí)施周期短，2～3周內(nèi)即可完成系統(tǒng)升級(jí)。本次PACS系統(tǒng)的升級(jí)改造按照 “雙機(jī)、雙核（雙回路）”的主要原則，通過(guò)組建服務(wù)器集群，利用負(fù)載均衡技術(shù)，完成24×7小時(shí)高可用、高安全、可擴(kuò)展的PACS系統(tǒng)的構(gòu)建；PACS系統(tǒng)的核心服務(wù)器數(shù)據(jù)處理能力得到了顯著提升，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)更加清晰，解決了核心服務(wù)器單點(diǎn)故障問(wèn)題；影像存儲(chǔ)被分配到兩臺(tái)存儲(chǔ)器進(jìn)行處理，容量由原有的30 T提升至100 T，處理速度快，安全性高［12-13］，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家醫(yī)改工作的深入進(jìn)行，醫(yī)院已經(jīng)出現(xiàn)了集團(tuán)化建設(shè)的體系架構(gòu)［14］，如何解決影像數(shù)據(jù)傳輸緩慢甚至宕機(jī)這類(lèi)問(wèn)題，建立一個(gè)24×7小時(shí)高可用、高安全、可擴(kuò)展的PACS系統(tǒng)成為迫在眉睫的問(wèn)題。本次系統(tǒng)升級(jí)通過(guò)組建服務(wù)器集群的方式，利用負(fù)載均衡技術(shù) （load balance）對(duì)集群的服務(wù)器之間進(jìn)行業(yè)務(wù)均衡，解決了服務(wù)器單點(diǎn)故障引起的系統(tǒng)宕機(jī)問(wèn)題，同時(shí)使各服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理能力得到了顯著的提升，為全面實(shí)現(xiàn)醫(yī)院信息化管理打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：常海慶）

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

李曉菲 （1981－），女，本科學(xué)歷，雙學(xué)士學(xué)位，工程師，研究方向：設(shè)備保障與管理。