虚拟化技术在医院一体化数据中心的应用

陈伟

江苏省盐城市第一人民医院 江苏 盐城 22400

摘 要: 通过对虚拟化技术的深入研究，分析虚拟化技术在数字化医院中的核心优势以及该技术在医院信息化建设、医院信息保障方面的重要作用,实现硬件资源整合和部署，提高设备利用率，降低总体拥有成本，打造一个低成本、高可用、高性能、易扩展的一体化数据中心架构体系。

关键词：一体化数据中心 虚拟化 资源池 云计算

【中图分类号】R197 【文献标识码】B

1 引言

随着医院规模的不断扩大,医院就医人数的和业务的不断增加,以及各种医疗信息系统纷纷上线。如果按照传统的系统部署模式，一个应用系统根据不同的系统架构往往需要独占一台到数台服务器等资源。不仅要求机房空间更大、能耗更高，还加大了机房管理的难度和复杂度。而虚拟化技术让医院的信息系统架构具备“随时、应需、改变”的强大能力,将系统的所有应用共享为资源池,不必再由于某一硬件限制而使医院信息化建设受阻^[1]。

2虚拟化技术

虚拟化是一个广义的术语，在计算机方面通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置过程。CPU的虚拟化技术可以单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。虚拟化技术的本质是一种资源管理技术，目的是简化管理、优化资源让资源得到更合理的利用^[2]。它是云计算系统的核心组成部分之一，它是将各种计算、网络及存储资源充分整合和高效利用的关键技术。

2.1虚拟化技术的分类

虚拟化技术可分为硬件层上的虚拟化技术及软件层上的虚拟化技术。其中硬件层上的虚拟化技术包括服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化及桌面虚拟化等^[3]。

服务器虚拟化，通过虚拟化软件实现对硬件的抽象、资源的分配、调度和管理、虚拟机与宿主操作系统及多个虚拟机间的隔离等功能。目前典型的实现有VMware ESX Server、Microsoft Hype—V、KVM及Citrix Xen等。

存储虚拟化是将不同的物理存储设备通过不同接口协议按照一定的虚拟存储体系结构，整合成一个虚拟的存储池、为用户提供统一的数据服务，实现资源共享。

网络虚拟化是在底层物理网络和网络用户之间增加一个抽象层，该抽象层向下对物理网络资源进行分割，向上提供虚拟网络，是将软硬件网络资源和网络功能整合在一起，并进行基于软件的实例化管理的过程。

桌面虚拟化是一种基于服务器的计算模型，并借用传统的瘦客户端模型，将所有桌面虚拟机在数据中心进行托管并统一管理，用户可通过瘦客户端或类似 的任何终端设备在局域网或远程访问，获得与传统PC一致的用户体验。

软件层上的虚拟化技术主要是指操作系统之上的虚拟化技术，是指高级语言虚拟化技术(java／C#)指令动态解释执行vmware／vpc、脚本语言运行系统 (如python／javascript、matlab、sql等)。高级语言虚拟化技术使编程人员以理想机器的角度来编写应用程序，进一步将硬件操作甚至操作系统都隔离开来、完全是基于应用的目标来建立虚拟化。脚本语言、第四代语言更是以高层次的抽象(虚拟化)来实现业务逻辑、应用程序逻辑 。虚拟化技术的实现主要有完全虚拟化、部分虚拟化和操作系统层虚拟化三种方式,不同方式的区别在于虚拟机监控层所在的位置、功能与实现方式有所不同。

3虚拟化技术方案

x86服务器的虚拟化设计方案中，对资源池的设计如下所示：

每一台物理的X86服务器通过4块网卡接入到两个交换机上，实现访问网络和存储的功能。基于物理网络vlan的划分，x86的虚拟化层同样划分为多个端口组，与vlan相对应，实现不同网络单元的隔离。然后在物理机上通过虚拟化层部署多个虚拟机，实现虚拟化。下面分别针对物理服务器、虚拟机资源分配、网络和存储进行说明

3.1物理服务器设计

VMware虚拟化技术中^[5]，使用vSphere ESXi 可提供可靠的、经生产验证的高性能虚拟化层，该虚拟化层可对服务器硬件资源进行抽象化，并允许多个虚拟机共享这些资源。物理服务器上划分虚拟机时，必须先安装vSphere ESXi。ESXi服务器时间应与NTP服务器时间源同步，并且需要BIOS中开启VT技术。物理服务器配置如下：

属性	规格
处理器插槽数	4
每个插槽的核数	8
核数总数	32
处理器速度	2.13GHz
内存	128GB
网卡数	4 (2 Fibre nic,2 Electrical nic)

3.2虚拟机资源分配

在vsphere中，当可用资源容量无法满足资源用户（和虚拟化开销）的需求时，可能需要对分配给虚拟机或它们所驻留的资源池的资源量进行自定义。可以通过资源分配设置（份额、预留和限制）确定为虚拟机提供的 CPU、内存和存储资源量。资源分配份额指定虚拟机（或资源池）的相对重要性。如果某个虚拟机的资源份额是另一个虚拟机的两倍，则在这两个虚拟机争用资源时，第一个虚拟机有权消耗两倍于第二个虚拟机的资源。份额通常指定为高、正常或低，这些值将分别按 4:2:1 的比例指定份额值^[2]。

资源分配预留指定保证为虚拟机分配的最少资源量。仅在有足够的未预留资源满足虚拟机的预留时，vCenter Server 或 ESXi 才允许您打开虚拟机电源。即使物理服务器负载较重，服务器也会确保该资源量。预留用具体单位（兆赫兹 (GHz) 或兆字节 (MB)）表示。资源分配限制功能为可以分配到虚拟机的 CPU、内存或存储 I/O 资源指定上限。

服务器分配给虚拟机的资源可大于预留，但决不可大于限制，即使系统上有未使用的资源也是如此。CPU、内存和存储 I/O 资源限制默认为无限制。在大多数情况下，当内存限制为无限时，创建虚拟机时为其配置的内存量会成为其有效限制。

使用预留来指定可接受的最低 CPU 量或内存量，而不是想要使用的量。主机可以根据份额的数量、估计需求和虚拟机的限制将额外的资源指定为可用资源。预留表示的具体资源量不会随环境改变（例如添加或移除虚拟机）而变化。

请不要将所有资源全部指定为虚拟机的预留（请计划将至少 10% 的资源保留为未预留）。系统容量越接近于被全部预留，想要在不违反接入控制的情况下更改预留和资源池层次结构就越困难。在支持 DRS 的群集内，如果预留完全占用群集或群集内各台主机的容量，则会阻止 DRS 在主机之间迁移虚拟机。

根据VMware最佳实践，，每台虚机长期运行的vCPU周平均使用率应该保持在85%以下。如果虚拟机vCPU周平均使用率超过75%，则应给虚拟机增加更多的vCPU，或者部署更多地虚拟机实例。

生产环境中，每台物理服务器在初始部署虚拟机时，应保持75%的vCPU的剩余量，以便于将来把这些vCPU分配给有需要的虚拟机。安装完成虚拟机后必须安装VMware tools。

虚拟机资源分配原则：

根据vmware官方性能分析白皮书提供的分析数据，单个虚拟机上vCPU的最大数量不要超过8核，超过8核之后每个vCPU的性能将出现下降的情况；

遵从对资源池的设计，一台物理服务器所提供的虚拟化能是：

vCPU=（一台主机的核数-1）×1.5 [系统预留1个CPU核给主机虚拟化管理使用，1.5是CPU采用超线程的最大虚拟计算能力提升经验系统]

vMEM=（一台主机的内存-1）×70% [系统至少预留1GB内存给主机虚拟化管理软件使用，剩余30%的内存作为系统备用。为了获得更好的稳定性，设计将隶属于同一个应用的虚拟机尽量多的放置在更多的物理机上。

参照vmware的最佳实践，为保证资源可最大化的被利用，对于每一个虚拟机资源的“份额”、“预留”、“限制”都将遵从默认配置，在实际运行后，可按照实际的运行状态对资源设置进行调整与优化。

3.3虚拟化集群配置

参照vmware的最佳实践，每个集群需要至少2台ESXi服务器，最多32台ESXi服务器，保障集群高可用。建议每个集群管理8-16台服务器为最佳。

在一体化数据中心中将2台物理服务器都加入同一集群，为保障集群内VM在各ESXi服务器之间迁移，集群不分资源池^[4]。集群内所有的ESXi服务器必须共享所有的存储。同时，由于首次加入集群的物理服务器数量较多，因此为保证数据库具备相应的性能，不建议安装vmware自带的SQL Server Express数据库，需要为vmware装配具备相应性能的数据库软件。后续如集群整体CPU和内存使用较高，存在资源不足情况，可以横向对集群进行ESXi服务器扩容。集群中需要开启HA、DRS功能。虚拟机的SWAP文件需要与虚拟机放在同一目录。HA 通过 vCenter进行集中配置，配置 HA 之后，它将在每个物理机上以分布式方式持续运行，即使 vCenter发生故障，HA 故障切换仍然可以成功重新重启虚拟机。建议HA设置为允许主机故障数设置为1。

4结束语

虚拟化技术由于具有帮助医院提高资源利用率以及节能环保、可进行多种异构信息系统的有效整合、提升资源调配和管理灵活性、节省总体拥有成本等特点，对信息化技术发展的具有战略意义。构建高效高可控的虚拟化应用基础架构和虚拟化集中管理平台、可使医院掌握信息系统发展的主动权。引入虚拟化技术，构建系统资源池，实现资源的动态共享、按需分配和统一管理，是实现一体化数据中心的基础技术实施方向。

参考文献:

[1]李文健,万从从,孙伟.虚拟化技术在医院信息化建设中的应用[J].管理观察,2019(14):172-173.

[2]王小芹.分析虚拟技术在医院信息系统中的运用策略[J].科技创新导报,2018,15(35):126+128.

[3]何伟.虚拟化技术在构建数字化医院中的应用[J].中国卫生产业,2017,14(25):59-60.

[4]徐鹏.医院数据中心服务器管理中的虚拟化技术及平台构建[J].网络安全技术与应用,2016(05):27+31.

[5]杨海容.服务器VMware虚拟化技术在医院信息化中的应用[J].现代医院管理,2016,14(01):79-80.

作者简介：陈伟，硕士，研究方向：计算机应用技术 单位：江苏盐城市第一人民医院 ;邮编： 224000;联系电话：[phone]；地址：江苏盐城市人民南路66号盐城市第一人民医院主院区信息科