刘东
作者刘东2019-05-05 14:19
it技术咨询顾问, 东软集团

医疗行业超融合架构解决方案——需求分析篇

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医疗行业超融合架构需求分析

1.1 超融合架构发展趋势
超融合系统是面向一下代数据中心的基础架构解决方案,全面集成虚拟化和分布式存储软件,是医疗行业部署云环境的最佳基础架构解决方案,也是部署云平台最简单和快捷的方式,是对以往医疗行业数据中心系统架构的全新升级。

实现全数字化医疗的智慧医院,支撑医疗业务模式转型,超融合是必不可少的基础架构之一。随着以集成平台为核心的智慧医院建设,医院的数据中心也需要不断升级。现在部分医院信息化建设还在采用传统物理架构与虚拟化技术相结合的方式来构建数据中心,已经逐渐暴露出无法满足日益增长的业务量需求的趋势。为了患者方便就医,提高服务质量、工作效率,以及患者满意度,同时加强患者及公众对医院信任与支持,创建和维护和谐医患关系。需要进一步促进业务和信息资源的整合,提高信息资源的利用率,降低医院信息化总体运维成本。降低网络、服务器与存储系统等信息系统基础设施的管理复杂度,提高应用信息系统部署的时效性,超融合技术的运用势在必行。
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图:医院业务和数据中心进化关系

医疗行业信息化起始和快速发展阶段大部分在5年前左右,经过多年的发展,老旧设备已经开始出现性能下降及资源不足等情况,不能满足医院业务发展的需要,存在系统风险。而超融合技术是最近几年才刚刚兴起的技术,虽然超融合技术还没有在医院大规模进行使用,但是已经有部分医院在最近几年开始部署并尝试应用了超融合系统。现在正是各大医院进行业务系统转型,建设数据集成平台和大数据医疗分析等业务系统的时期,对基础架构的升级非常渴望。如果采用超融合技术对医院数据中心进行彻底的改造,提供与新医疗业务需求相适应的IT基础设施环境和配套设施,可以极大的保障医院在新医疗环境下的业务发展需求。

在医疗行业超融合应用的规模上,大型医院应用相对比较好,中小型医院还有很大的上升空间。二甲及其他中小医院由于自身业务和需求的原因,目前只有部分非核心系统采用了超融合架构,还处于尝试和探索的阶段。而大型三甲医疗对超融合系统接受的能力要好一些,主要原因有两点:首先是因为自身业务量比较多,对系统的扩展性和灵活性要求比较高,传统的IT架构很难满足新业务的发展需求。例如PACS系统,每天有接近TB级别的使用量,对系统的实时性要求比较高,传统的IT架构很难满足存储扩展能力需求和业务扩展需求。其次,医院现有的机房空间和能耗有限。例如,某些老字号的三甲医院,都已经是上个世纪的建筑了,住院和门急诊的空间本身就紧张,更不用说扩建机房了,无法满足新业务的快速增长。如果使用超融合系统,平均一个42U机柜的超融合服务器可以整合原有三个42U机柜的服务器和存储设备,可以极大的节约医院机房空间面积,同时节省能耗、减少运维的工作量和成本。

1.2 超融合架构必要性分析

1.2.1 业务背景分析
随着医疗行业业务的不断增长和高速发展,医院对IT系统的依赖程度越来越高,普遍存在数据中心新建、升级扩容、业务迁移及整合的需求。“数字化医疗”经过多年的发展,医疗信息技术已得到了广泛的应用,主要业务系统如HIS、PACS、LIS和EMR等都己基本实现了信息数字化,一个综合性多功能的医疗信息化服务体系已初步形成,医院各项业务的开展对信息化依赖的程度也越来越高。对于一个1000张床位的中等规模三甲医院,年门诊量多达100多万人次,住院量4万多人次,年急诊量10万人次以上。支撑的医院信息系统数量会超过100个,数据量接近PB级别,包含大量非结构化数据。
为了应对医疗信息化的快速发展,各大医院开始对IT架构进行升级。业务快速部署、减少重复性设备投入和灵活扩展变得越来越重要。在这样的需求背景下,云计算技术被大规模推广和采用。云计算可以提供可用的、便捷的、按需的资源提供,成为当前医疗行业IT架构建设的主流形态,很多新建系统都是使用云模式进行构建,同时还有大量的现有业务系统,不断向云计算环境进行迁移。在云计算环境中,服务器虚拟化是基本的云计算技术之一。以VMware为代表的虚拟化软件厂商开始引领数据中心由物理数据中心向虚拟化数据中心进行转变。服务器虚拟化技术有效控制了数据中心内服务器数量和规模的增长,提高了服务器的利用效率。同时,虚拟化系统所具备的HA、FT、VADP、SRM、vMotion等特性极大的提高了数据中心系统的可靠性。特别在主动运维、灾备建设和故障切换等方面对数据中心的业务连续性是一种质的飞跃。虚拟化技术的大规模应用使得业务系统的部署呈现由物理机+集中存储架构迁移到虚拟化主机+集中存储的架构。
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图:传统架构向云数据中心演进

基于服务器虚拟化的云计算技术虽然有效降低了硬件采购成本,提升了运维效率,缓解了IT建设面临的诸多压力。但是,所有动态负载的虚拟机所连接的网络和存储却发展缓慢,在一个千兆网络的云计算环境中,多个虚拟机的同时迁移往往会发生拥塞导致系统崩溃。存储系统的建设依旧需要连接SAN网络,并对其进行初始化和进行卷管理,灵活性受到极大制约。

1.2.2 业务痛点分析
虽然医疗行业已经普遍采用虚拟化与云计算技术来构建IT系统,提升IT系统的资源利用率,但仍面临如下痛点和挑战:

1、架构复杂,建设成本高
在基于服务器虚拟化+集中存储的架构下,整个系统的架构仍然是三层架构,网络层、服务器层和存储层。集中存储由于云计算对性能的要求,仍然只能是基于FC光纤网络的SAN存储架构,为了考虑多虚拟机的性能,SSD或者高速HBA卡也是必不可少的。在建设云计算之前必须先搭建好基础架构,然后才能开始进行虚拟化实施工作。集中存储普遍需要单独的一套运维管理软件,对其进行划分RAID和卷管理等操作,无法使用统一的云管理平台进行管理,云管理平台只能看到划分好的可用空间,无法直接对存储底层进行操作,运维的复杂性和成本也比较高。而且初期购买存储,需要投入大量基础实施,包括SAN交换机和光纤卡,整体设备利用率较低。

2、存储系统扩展性差,利用率低
基于服务器虚拟化+集中存储的系统架构,在扩展时,往往受到集中存储的制约。因为集中存储的扩展能力有限,在购买时是有扩展能力限制的,在扩展硬盘数量达到一定的数量时,整个存储系统的性能是会下降的,也为存储的控制器性能有限,无法承载太多的硬盘同时并发读写,而且集中存储对硬盘的扩展数量也有限制。以目前中等规模医院的数据量,已经将近PB级别,传统的单一存储很难保证可以持续扩容。即使可以扩容,在扩容成本上也会非常高,性能也无法保证。

如果采用多存储资源池的架构,会造成多存储平台之间的割裂,资源利用率底,管理复杂。如果使用存储虚拟化技术搭建混合的统一资源池,性能上会降低很多,无法满足上层业务对性能、易用性和敏捷性的需求。

3、基础扩展实施周期长
医院的业务系统增长非常快,通常一年内会更新和增加十几个系统,在基于服务器虚拟化+集中存储的模式下,如果对基础架构进行扩容,通常要考虑网络设备、服务器设备和存储设备的扩展性问题。然后再进行方案设计、选型、采购、系统集成和调试等诸多环境,整个过程需要持续数月,很难快速响应医院的业务部署和上线要求。

1.3 超融合架构可行性分析

1.3.1 超融合架构概述
超融合基础架构(Hyper-ConvergedInfrastructure,简称“HCI”)是指在同一套单元设备中不仅仅具备计算、网络、存储和服务器虚拟化等资源和技术,而且还包括备份软件、快照技术、重复数据删除、在线数据压缩等元素,而多套单元设备可以通过网络聚合起来,实现模块化的无缝横向扩展(scale-out),形成统一的资源池。HCI是实现“软件定义数据中心”的终极技术途径。HCI类似Google、Facebook等互联网数据中心的大规模基础架构模式,可以为医疗行业的数据中心带来最优的效率、灵活性、规模、成本和数据保护。使用计算存储超融合的一体化平台,替代了传统的服务器虚拟化+集中存储的架构,使得整个架构更清晰简单。
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超融合架构在数据中心中承担着计算资源池和分布式存储资源池的作用,极大地简化了数据中心的基础架构,而且通过软件定义的计算资源虚拟化和分布式存储架构实现无单点故障、无单点瓶颈、弹性扩展、性能线性增长等能力;在虚拟化层,根据选择的超融合系统不同,可以自由选择不同的Hypervisor的品牌,例如:VMware vSphere、MicroSoft Hyper-v和KVM。
通过简单、方便的管理界面,实现对数据中心基础架构层的计算、存储、虚拟化等资源进行统一的监控、管理和运维。超融合基础架构形成的计算资源池和存储资源池直接可以被云计算平台进行调配,服务于OpenStack、Cloud Foundry、Docker、Hadoop等IAAS、PAAS平台。同时,分布式存储架构可以简化容灾方式,实现同城数据双活和异地容灾。现有的部分超融合基础架构还支持延伸到公有云,可以轻松将私有云业务迁到公有云服务。

1.3.2 先进性分析
目前大部分医院数据中心还处于传统的集中式架构,即X86物理服务器+集中式存储+网络设备模式,这种竖井式的架构往往需要针对不同的医疗应用系统部署多套专业设备,使用、维护和管理的成本很高。

超融合基础架构相比于传统集中式架构,它是建立在标准的通用硬件平台之上,利用高速以太网络支撑系统间的数据交换,并且业务均部署在虚拟机上,实现计算、存储和网络资源的统一管理。

同时,超融合架构还具有强大的横向扩展能力,可以为医院的数据中心提供最优的性能、灵活性、规模、成本和数据保护,极大简化医院IT系统的设计。

超融合架构和传统架构的主要区别和先进性如下:
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1.3.3 可靠性分析
可靠性对于医院的业务系统而言最重要的。医院业务系统的连续运行和数据安全不丢失主要依赖数据中心基础架构的可靠性水平。超融合基础架构集成的虚拟化技术打破了软硬件的紧耦合关系,软件系统不再依靠某单一硬件环境运行,硬件系统的故障也不直接影响软件系统运行,业务系统的连续性有了极大的提高。

超融合基础架构集成了分布式存储系统,采用多副本的数据安全保护机制,同时支持数据备份。不但可以避免因硬件故障导致的数据丢失风险,还可以防止因病毒或人为误操作造成的核心业务数据丢失。

1.3.4 扩展性分析
在医院传统的数据中心架构中,如果对存储系统进行升级时,需要购买物理硬盘或者扩展柜,更新微码、停机、加盘和连接扩展柜等等一系列操作。如果对计算资源进行升级时,需要购买物理服务器,提前规划好操作系统、分区、存储空间占用、上架安装和安装应用软件等一系列操作。

这些增加的设备只能满足一定数量级的数据需求,并不能提高系统性能,当维护人员配置不当时,会造成系统性能明显下降。新增设备安装部署工作量大,操作繁琐,为减少数据风险,一般需要把整个系统全部停机后操作,在某此情况下会影响生产系统的业务连续性及工作效率。

超融合无须停机便可无缝地添加其它超融合节点,从而线性地提高系统性能和数据存储, 动态群集的方法使得计算和存储能够每次扩展一个节点,因此无须过度部署基础设施,使系统扩展不存在任何不确定性。

1.3.5 超融合架构优势
超融合基础架构对整个医疗行业带来的优势如下:
1、整个数据中心采用标准的服务器设备+网络设备即可。不再需要专门的SAN集中存储,而且超融合软件与硬件紧密结合。可以让数据中心的架构由三层转变为二层,降低复杂度,降低采购和运维成本。

2、超融合架构可以实现完全的资源整合、统一管理、调配和统一存储功能。在扩展性上可以做好按需线性的横向扩展,采用的是分布式的自治系统。由于计算与存储资源的深度融合,在对系统进行扩容时,只需要扩展超融合服务器的节点即可,不需要提前对设备进行选型、设计、系统集成和长时间的系统调试,通常一个三节点的扩容,一小时之内就可以完成,深度软硬件集成的超融合系统甚至可以做到开箱即用。

3、软件定义的基础架构,可以满足未来医疗行业对业务系统的扩展需求。通过软件定义,能够让医疗数据中心在一个简单的基础架构下升级成为一个智能化、自动化、高效化的数据中心。
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图:医院IT架构升级演进

使用超融合架构优势总结:
1、超融合架构简单,可大大降低医院基础架构复杂性,同时降低运维和管理的成本。

2、整合医院数据中心资源,充分利用设备资源,实现统一管理。

3、超融合架构集成的虚拟化双机、热迁移功能,能够有效减少设备故障时间,确保核心业务的连续性,避免传统IT,单点故障导致的业务不可用。

4、便于医院业务的快速部署,缩短医院业务系统上线周期,高度灵活性与可扩展性、提高运维和管理效率。

5、超融合架构采用分布式的存储架构,采用多副本策略,可以最大化的保证业务系统数据的安全。同时分布式存储支持HDD和SSD等多种不同类型的存储资源,在满足虚拟机的双机、虚拟机热迁移技术可靠性要求的同时,还可以提高其性能。

1.4 超融合架构应用场景

超融合架构基础平台具有强大的分布式横向扩展能力,非常适合不断增长的医疗业务,可平滑升级以适应医疗用户对扩展升级要求。同时超融合架构提供海量级数据存储能力和数据保护能力,保证系统长时间安全稳定的运行。超融合架构系统采用软件定义技术,已经被广泛应用在了各种各样的医疗场景之中,包括医院私有云、桌面虚拟化、备份和恢复、生产开发和测试等场景。
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1、私有云场景
由于超融合基础架构已经全面集成了虚拟化软件,可以支持多种虚拟化平台,可将现有物理机架构转向全虚拟化平台。

超融合架构除了支持计算虚拟化,还能够在同一种架构中同时支持存储虚拟化和网络虚拟化等特性,能够最大限度的发挥硬件设备工作效率,降低运维和管理成本,分布式的部署方案还可以提供安全性和高可用性。非常适合医院构建私有云数据中心吗,支撑医院业务的数字化转型,建设智慧医院。

2、VDI(虚拟桌面)
在虚拟桌面(VDI)应用方面,由于各种应用部署在单一的共享资源池里,而且还可以配置全闪存的存储资源,完全不需要担心存储系统I/O影响虚拟机性能。此外,超融合架构的大容量分布式存储环境为系统灵活掌控随机和顺序负载提供可能。而且采用SSD 加速的分布式存储集群可以保障足够的IOPS应对VDI启动和登入风暴等严峻的负载挑战。

由于超融合的分布式架构,VDI的初期投入成本是非常低的,通常3个节点就可以组成一个医院VDI服务器群集,可以同时提供计算和存储服务。

3、备份恢复
多数超融合系统都支持对虚拟机镜像的数据保护和自动数据备份技术,可以对医院比较重要的EMR和LIS等医疗信息系统的数据进行备份保护。同时超融合架构还支持多副本策略,保证数据安全。如果一个医疗机构同时存在多个站点,还可以选择多站点数据备份恢复功能,可以实现多站点的数据备份和容灾。

4、开发测试
超融合架构集成虚拟化环境,可以提供虚拟机资源的自助申请和配置,快速部署开发测试环境。同时大多数超融合架构提供虚拟机模板的克隆或快照功能,能够迅速创建大规模的开发测试环境,提升工作效率。
应用场景总结如下:
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相关内容:

医疗行业超融合架构解决方案——架构方案设计篇:
http://www.talkwithtrend.com/Article/244291

医疗行业超融合架构解决方案——技术路线选择及架构成本管理篇:
http://www.talkwithtrend.com/Article/244297

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