基于VMware的醫(yī)院服務(wù)器虛擬化研究與實踐

劉海林

浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第三醫(yī)院信息科，杭州 310005

數(shù)字化醫(yī)院是當(dāng)今醫(yī)院信息化建設(shè)的主要目標(biāo)。隨著醫(yī)院信息化建設(shè)的不斷深化，醫(yī)院數(shù)據(jù)中心已從最初的基于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)逐步發(fā)展成為集語音、視頻、圖像等多業(yè)務(wù)于一體的服務(wù)平臺［1］。醫(yī)院業(yè)務(wù)的多樣化同時要求信息中心不斷增加或更換新的服務(wù)器，才能滿足持續(xù)增長的服務(wù)與應(yīng)用需求。

而按照傳統(tǒng)模式部署服務(wù)器往往會面臨諸多不利因素:其一，資源利用率低。傳統(tǒng)方式下一臺服務(wù)器只運行單個應(yīng)用，多數(shù)服務(wù)器的資源利用率僅在5%～15%之間，大量的系統(tǒng)資源被白白浪費;其二，管理復(fù)雜，兼容性差。服務(wù)器數(shù)量增加，各類軟硬件平臺復(fù)雜多樣，導(dǎo)致兼容性問題突出，管理難度大［2］;其三，購置維護成本高，能耗大。更多的服務(wù)器意味著購置費用和維護成本將會逐年增加，也使得數(shù)據(jù)中心空間、能耗、散熱等問題日益突出。如何解決上述問題，已成為數(shù)字化醫(yī)院建設(shè)進程中需重點考慮的因素。

1 服務(wù)器部署現(xiàn)狀

浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第三醫(yī)院是一所集醫(yī)療、教學(xué)、科研、康復(fù)為一體的國家三級甲等中醫(yī)醫(yī)院。醫(yī)院的信息化建設(shè)起步于2001年，經(jīng)過陸續(xù)的投入，目前在用的各類品牌服務(wù)器20余臺，分別應(yīng)用于HIS、EMR、PACS、LIS、OA、FTP、銀醫(yī)通、預(yù)約掛號平臺、醫(yī)療質(zhì)量審核、合理用藥、數(shù)據(jù)庫審計、診間叫號、掌上中山、物資申領(lǐng)、溫控等業(yè)務(wù)系統(tǒng)。但除HIS、EMR和PACS這些核心系統(tǒng)采用高可用性雙機環(huán)境外，其他系統(tǒng)都是單機運行，數(shù)據(jù)也是本機存儲，應(yīng)用安全性得不到保障。隨著醫(yī)院規(guī)模的不斷擴大和業(yè)務(wù)的持續(xù)多樣化，對服務(wù)器的需求還在不斷增加。然而，設(shè)備的增加會導(dǎo)致管理難度和運維成本的提高，同時嚴(yán)重影響到機房的空間、電力消耗等一系列問題。

而將服務(wù)器虛擬化技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字化醫(yī)院建設(shè)中，可有效解決當(dāng)前數(shù)據(jù)中心服務(wù)器部署中面臨的一系列問題。服務(wù)器虛擬化技術(shù)通過軟件的方法，在一臺物理服務(wù)器上運行多個虛擬計算機，不同的虛擬機可以在同一臺物理機上運行不同的操作系統(tǒng)以及多個應(yīng)用程序，并共享這一臺物理機的硬件資源，從而提高服務(wù)器的使用效能，并提供良好的隔離性和安全性［3］。VMware vSphere作為業(yè)界第一款云計算操作系統(tǒng)，它利用虛擬化的強大能力將數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)換為顯著簡化的云計算基礎(chǔ)架構(gòu)，使IT組織能夠利用內(nèi)部和外部資源，安全和低風(fēng)險地提供新一代靈活可靠的IT服務(wù)［4］。

2 服務(wù)器虛擬化實施方案

2.1 系統(tǒng)資源規(guī)劃

在實施虛擬化過程中，首先需要對即將部署的服務(wù)器的硬件使用情況進行規(guī)劃，確定納入虛擬化管理的應(yīng)用服務(wù)資源。其中包括服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、IO性能等級、存儲容量大小及利用率等指標(biāo)，確定好每臺虛擬機的資源需求，再匯總出總的硬件資源需求，從而確定需要多少臺物理服務(wù)器才能滿足部署需求［5］。通過對現(xiàn)有物理服務(wù)器資源進行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明在用的大部分服務(wù)器資源利用率較低，造成大量資源被白白浪費。但為保證在虛擬化實施過程中不對醫(yī)院核心業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響，故暫不將HIS、EMR和PACS業(yè)務(wù)服務(wù)器納入虛擬化實施對象，而對其他非關(guān)鍵業(yè)務(wù)將逐步遷移或重新部署至虛擬化平臺。

2.2 虛擬機環(huán)境部署

根據(jù)服務(wù)器虛擬化架構(gòu)圖(如圖1所示)可知，該項目計劃部署4臺物理服務(wù)器和1臺共享存儲設(shè)備。其中3臺服務(wù)器選擇Dell R910(4顆Inter Xeon E7-4807六核處理器，32G內(nèi)存，3塊146G熱插拔硬盤，4塊千兆以太網(wǎng)卡)，服務(wù)器通過安裝VMware ESX建立HA集群。另外1臺服務(wù)器用于安裝配置vCenter Server，vCenter Server，它是一個可訪問支持的數(shù)據(jù)庫的物理機或虛擬機，對安裝環(huán)境的軟硬件配置有嚴(yán)格要求。如CPU需兩個64位或一個64位雙核處理器(2GHz或以上)，內(nèi)存4G或以上，網(wǎng)絡(luò)建議使用千兆位鏈接，等。因此，我們選擇在Dell R710(4顆Inter Xeon X5647四核處理器，16G內(nèi)存，千兆以太網(wǎng)卡)專用服務(wù)器上部署vCenter Server，用于實現(xiàn)HA、DRS、Vmotion、FT等高級功能的配置和建立各個ESX Server服務(wù)器之間的聯(lián)系，以便對這些虛擬服務(wù)器的集群式管理［6］。

圖1 服務(wù)器虛擬化架構(gòu)圖

存儲設(shè)備選擇Dell MD3200i磁盤陣列，采用共享存儲來承載虛擬機和數(shù)據(jù)，這種存儲方式在多虛擬機環(huán)境下能比本地存儲提供更好的I/O性能。

安裝ESX server的3臺Dell R910服務(wù)器通過SAN交換機連接到MD3200i磁盤陣列，MD3200i磁盤陣列采用雙光纖交換機做線路冗余，ESX服務(wù)器也都集成雙口HBA，保證到存儲之間的線路冗余。服務(wù)器上配置的4個千兆以太網(wǎng)網(wǎng)卡，分兩組連接兩個核心千兆交換機，利用VMware ESX的網(wǎng)卡綁定功能，做到網(wǎng)絡(luò)充分冗余，并且可提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量［7］。

2.3 應(yīng)用部署和遷移

搭建好虛擬化環(huán)境后，便可在VMware ESX Server上創(chuàng)建虛擬機，即在虛擬機上安裝操作系統(tǒng)和部署應(yīng)用，也可以利用VMware Converter將各物理服務(wù)器上的應(yīng)用逐步遷移到虛擬機中，并根據(jù)實際消耗分配好CPU、內(nèi)存、虛擬網(wǎng)絡(luò)和存儲等資源。最后利用vCenter Server對虛擬機進行配置，由控制臺統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)中心內(nèi)的所有vSphere主機和虛擬機，既可對所有關(guān)鍵組件(如CPU、內(nèi)存、存儲，等)進行全面的性能監(jiān)控，還可以配置資源的動態(tài)遷移、優(yōu)化、高可用性、容錯、備份以及應(yīng)用部署等高級功能，從而顯著提高對服務(wù)器環(huán)境的管控能力［8］。

2.4 虛擬化測試

測試階段主要是對虛擬化服務(wù)器進行功能性驗證。如:物理機向虛擬機的遷移(Converter)、虛擬化服務(wù)器的存儲及網(wǎng)絡(luò)、虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)集中管理的自動化和優(yōu)化(Virtual Center)、虛擬機的在線實時遷移(VMotion)、虛擬化服務(wù)器的高可用性(HA)、實現(xiàn)虛擬機的動態(tài)平衡與資源分配(DRS)，等。同時，可根據(jù)測試的效果，調(diào)整資源分配，進行性能優(yōu)化，保證每臺虛擬機可靠、高效運行。

3 服務(wù)器虛擬化應(yīng)用效果分析

通過在數(shù)據(jù)中心引入服務(wù)器虛擬化技術(shù)，和傳統(tǒng)服務(wù)器資源分配的應(yīng)用方式對比，此次服務(wù)器整合帶來的變化主要體現(xiàn)在以下方面(如圖2所示)。

圖2 服務(wù)器整合前后對比

3.1 減少服務(wù)器數(shù)量，提高資源利用率

通過采用服務(wù)器虛擬化技術(shù)，在一臺物理服務(wù)器上同時運行多個虛擬機，使目前在用物理服務(wù)器數(shù)量減少了80%，每臺物理服務(wù)器承載5-8個應(yīng)用，CPU利用率由原先的5%～15%提升到現(xiàn)在的60%以上，內(nèi)存使用率達到40%以上，并且還可以實現(xiàn)的資源池的動態(tài)共享和合理配置，提高系統(tǒng)對不斷變化的應(yīng)用需求的適應(yīng)性和靈活性。

3.2 降低管理復(fù)雜度，簡化運維模式

服務(wù)器虛擬化技術(shù)簡化了服務(wù)器的部署和管理工作，降低了系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜度，節(jié)省了服務(wù)器部署時間，管理難度和運維成本大大降低。

3.3 節(jié)省機房空間，實現(xiàn)節(jié)能減排

實施服務(wù)器虛擬化之后，數(shù)據(jù)中心機柜空間占用由原先的76U減少為現(xiàn)在的20U，空間節(jié)省了近70%，另外，能耗方面也有大幅下降。如實施前20臺服務(wù)器，以每臺功耗500W計算，IDC的PUE(power usageeffectiveness的簡寫，是評價數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)，PUE=數(shù)據(jù)中心中設(shè)備能耗/IT設(shè)備能耗)假設(shè)為1.5，服務(wù)器24小時不間斷運行，20臺服務(wù)器一年的耗電量約為:500W×24×365×25/1 000=109 500度，IDC年制冷耗電約為:109 500×1.5=164 250度。而實施虛擬化后，按照4U服務(wù)器每臺功耗1 000W計算，一年的耗電量約為:1 000W×24×365×4/1 000=35 040度，IDC年制冷耗電約為:35 040×1.5=52 560度?？梢?，實施虛擬化后，服務(wù)器每年可節(jié)電7萬多度，制冷節(jié)電11萬多度，按照每節(jié)約一度電減少的碳排放1千克計算，全年可以減少碳排放約186噸［9］。

4 后期規(guī)劃與展望

目前，虛擬化技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成熟，尤其是VMware vSphere提供的高可用性和容錯性等功能，可以在故障發(fā)生時進行虛擬機平臺的無縫切換，保證業(yè)務(wù)不中斷。因此，醫(yī)院計劃加大軟硬件投入，逐步將HIS、EMR、PACS這些核心系統(tǒng)也納入虛擬化平臺，實現(xiàn)服務(wù)器應(yīng)用的全部虛擬化，更好地發(fā)揮虛擬化技術(shù)的優(yōu)勢。

通過該次服務(wù)器虛擬化整合項目，構(gòu)建了數(shù)字化醫(yī)院服務(wù)器虛擬化平臺，整體提高了數(shù)據(jù)中心的安全性，充分發(fā)揮了設(shè)備性能，降低了管理難度，但這只是虛擬化技術(shù)在我院應(yīng)用的開始。在今后的研究和實踐中，我們還要借鑒已積累的虛擬化應(yīng)用經(jīng)驗，有計劃、有步驟地開展對醫(yī)院數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)、桌面管理等全面虛擬化嘗試，為構(gòu)建醫(yī)院云服務(wù)平臺奠定基礎(chǔ)，提升醫(yī)院的數(shù)字化服務(wù)能力［10］。

［1］劉海林.基于三層架構(gòu)的醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)改造與實施方案［J］.中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2012，26(4):451-453

［2］盧凱.服務(wù)器虛擬化技術(shù)在數(shù)字校園建設(shè)中的應(yīng)用［J］.軟件導(dǎo)刊，2012，11(6):120-121

［3］何衛(wèi)華.基于VMware的數(shù)字化校園服務(wù)器虛擬化平臺［J］.價值工程，2012，(34):192-193

［4］胡嘉璽.虛擬智慧:VMware vSphere運維實錄［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011:17-18

［5］李雙宏，屠穎晟，王海穎.圖書館服務(wù)器虛擬化整合［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2011，21(10):71-73

［6］杜俊.服務(wù)器虛擬化技術(shù)在地方電大校園網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2013，26(1):57-60

［7］韓芬.VMware服務(wù)器虛擬化技術(shù)在數(shù)字圖書館建設(shè)中的應(yīng)用［J］.圖書館學(xué)研究，2011，(22):37-41

［8］王一鴻，解曉峰，凌晨，等.服務(wù)器虛擬化在數(shù)字化校園中的應(yīng)用研究［J］.電腦知識與技術(shù)，2013，9(21):4975-4977

［9］李先鋒，王凱蕓，呂強，等.三甲醫(yī)院虛擬化技術(shù)的研究與實現(xiàn)［J］.中國醫(yī)院，2012，16(2):12-14

［10］鮑劼，朱世平，李建平.VMware在高校圖書館服務(wù)器虛擬化整合中的應(yīng)用［J］.蘭臺世界，2013，(29):27-28