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XX医院存储虚拟化解决方案

2013-05-28 16:13:42 来源:中国IT部落 浏览:1

一、前言

全院整体化PACS系统将医院所有影像设备连接互动,实现全院不同设备的图像资源及相关信息的共享。医院各个科室围绕影像数据互相配合协同工作。此阶段的PACS是以数字化影像诊断(无纸化、无胶片化)为核心的大型网络系统,它涉及到放射科、超声科、内镜室、病理科、导管室、核医学科等相关影像科室,将全院影像设备资源和人力资源进行更合理有效的配置。系统使影像科室医生可通过PACS提高影像诊断水平和工作效率,在网络中为临床医生提供病人图像及诊断报告,临床医生通过网络快速调阅病人图像及诊断报告,在网络中为影像医生提供病人其他病历和病程信息,实现诊治资源的最大化共享

二、需求分析

医学影像文件的数据量通常很大,存储与管理影像为PACS系统的一个重要功能。PACS存储设计的目的就是用适合的投资,获得最大的存储容量和稳定的数据传输率。为了增大存储容量,同时减少对存储设备的投资,将PACS系统的数据按照其使用的频率进行分类,划分为使用频率高的在线数据和使用频率较低的近线数据,分别采用不同的存储介质,在现实的操作中,影像资料使用频率的高低,主要是跟影像的成像时间有关系

2.1. PACS系统的特点

PACS系统是医院信息系统重要的组成部分,与其他医院信息系统相比,PACS系统具有以下特点:

1.PACS系统以静态医学影像和动态医学影像为主,并发访问小,数据吞吐能力需求高

2.PACS系统影像数据增长快,要求存储系统能够提供海量存储能力

3.PACS系统影像数据需要长期保存,并实现实时影像在线检索

4.PACS系统影像数量巨大,需要存储系统提供强大的文件系统,提供快速文件检索

伴随医院规模的不断扩大,PACS系统的影像文件数量增长迅速,且容量越来越大,常规的数据存储和备份模式已经不能满足PACS系统对数据的管理要求,这就对PACS系统的影像管理提出了新的要求。

PACS系统的数据通常会保存长达15年甚至更长时间,其中是有少部分的数据需要经常使用,绝大部分的数据属于历史数据,一般情况下这些历史影像数据很少被调用甚至在病患痊愈后再也被不会调用。这就造成在PACS系统中存在海量的历史静态数据。面对高达几十TB的医学影像资料,如果采用常规的数据存储和备份模式,那么将无法对这些数据进行有效的保护,并提供快速的数据检索能力。

2.2. PACS系统存储的特点

针对PACS系统的应用特点,我们认为PACS系统存储体系架构应具备以下特点:

1.一般采用 在线-归档 的分级存储体系架构

2.采用专用的NAS系统,管理日益庞大的海量影像文件

3.采用集中式管理系统

4.采用IP复制技术,对在线影像数据进行保护

针对医院PACS系统的应用特点和数据结构,NAS系统专有的文件系统能够更有效的管理PACS千万级的影像文件,并提供高速的数据访问能力,提供有效的数据共享能力。

PACS系统应用服务器通过IP网络,利用CIFS/NFS协议连接到统一存储系统,实现PACS影像的在线存储。

PACS系统的影像数据由于数据量巨大,且每日数据增量大,不能使用传统的备份模式进行数据保护。因此,针对在线数据采用远程数据复制技术进行数据的在线保护,历史数据则通过数据归档解决方案进行数据保护。

在统一存储系统内部将最新的影像数据保存在高速光纤磁盘上,将近期比较频繁使用的影像保存在存储系统的SATA磁盘上;将历史数据从在线存储中迁移到归档存储中,确保历史数据能够实时被业务系统访问。

三、建设目的与原则

3.1. PACS系统建设目的

PACS系统设计的目标,是为了在医院建立一套有效投入使用、切实提高医院医疗诊断水平、方便医生工作和病人就诊、进一步提高医院经济效益的实用、先进、可靠的PACS影像中心系统,通过使用先进的计算机技术利用计算机系统代替传统的胶片图像记录、胶片和报告的库房存储、检查图像的人工传递、在光箱上重现图片,并将各个影像科室图像连接共享以及和临床科室的信息共享,充分发挥数字医疗影像的临床效益,并达到以下目的

3.1.1. 实现医院影像资源的充分共享

充分利用PACS网络,实现所有影像设备的集中存储和影像资料共享,以实现影像科室任意调阅其他影像科室的影像资料和报告资料同时,影像资料还可以被临床科室、门诊、手术室等部门用户调用。

3.1.2. 建立基础的、开放的医疗影像应用平台

面对医院众多的影像设备和系统,建立医院基础的、开放的数字化影像应用平台,有效的将所有的影像设备进行互联;尤其是对诸如普通放射设备的数字化解决方案,不仅最大程度提高了既有设备的使用价值;而且更好的发挥了设备以及各个系统在诊断治疗过程中的所用,同时影像的应用不再局限于影像科室,而是最大程度将影像的高效利用延伸到医院所有临床科室、手术室等

3.1.3. 有效提高临床医疗诊断水平

利用先进的计算机技术,通过实现影像的数字化存储、传输、浏览,为医院的临床医生提供数字化的快速、方便、灵活的阅片方式,从而提高诊断的正确性,降低误判、误诊的概率,防止医疗事故的发生,同时,减少了医生和病人取片、等片的时间,加快诊断的速度,其次,便于医生之间进行影像的交流与共享,进一步提高诊断、治疗、科研水平;

3.1.4. 提高医院的经济效益

通过PACS/RIS系统实现影像的数字化,可以进一步提高医院的经济效益,具体表现为:首先,提高了医院的诊断、治疗的水平,加快了诊断、治疗的速度,减少病人等待、滞留的时间,而且提高了医生的工作效率和设备的使用效率,无形中很大的提高了医院的经济效益;其次,影像的数字化,可以减少胶片的制造、购买、使用、存放的费用,减少漏片、丢片的现象,很大程度上明显的为医院创造了客观的经济效益;第三,提高了医院的声誉和吸引力,吸引更多的病人来医院治疗,从而促进医院进一步增加经济效益、扩大医院规模、提高医院整体水平

3.2. PACS系统设计原则

实用性:系统的设计建设从满足当前的需求出发,尽可能选择具有最佳性能价格比的系统硬件设备和系统软件,减少系统运行的费用。 

先进性:要采用最先进的软件、硬件技术,以适应PACS相关技术长远发展的要求,既要满足目前的现有需求,有要充分考虑未来的发展,同时,也要考虑其成熟性和稳定性。

可靠性:本系统用于关键性业务,对于系统的可靠性有很高的要求。我们在设计中充分考虑系统的体系结构,安全的策略的方面。系统具有高可靠性的保障措施。 

扩展性:信息时代数据呈现爆炸性的增长,整个系统的设计要充分考虑其伸缩性,一方面是系统结构的灵活性、易扩展性,另一方面是技术的升级性、兼容性。我们在设备的选型等方面按照实际需求,提出了合理的方案,避免盲目选择高档设备从而造成投资浪费,也要避免配置过低而影响使用和将来的扩充。 

安全性:由于业务系统的特殊性,本系统对于安全性有比一般关键业务系统更高的要求。不仅要求整个系统能安全运转,同时要防止受病毒软件的破坏。因此,在设计方案中要充分考虑系统的安全性,以保证系统的正常运行。 

开放兼容性:遵循开放性原则,采取开放性的架构,选用符合国际标准的产品,可以保证系统具有较长的生命力和扩展能力,满足将来系统升级的要求,保护用户的资源。只有开放的系统,才能在投资规模、扩展能力等方面获得实惠。

实际需求与潜在需求:存储系统对于存储数据的医疗系统来说,最重要的是可靠性和实用性,除此之外,我们还考虑了用户将来的潜在需求,如网络规模扩大、应用服务增加、存储传输拥挤需升级等。在存储系统方案设计时,应充分考虑这些实际的和潜在的需求

四、项目建设规划

为了配合新PACS系统的建设,实行PACS应用的高可用性,提高生产的安全级别,计划对目前的存储系统进行虚拟化整合,并搭建双活存储系统,保证关键业务所使用的存储系统即使有一台存储系统出现故障,也不会出现业务停顿,达到更高的生产安全保障。

4.1. 本地存储双活

应用系统通过虚拟化存储VPlex访问后端的存储系统,VPlex在提供虚拟化的存储访问的同时,还可以对数据进行本地保护。

如下图所示,VPlex通过镜像虚拟卷提供给应用系统访问,而在后端,VPlex镜像虚拟卷将数据写入两台独立的存储系统中,来达到数据本地保护的目的。

VPlex提供的本地数据高可用性保护,可以保证在存储系统、VPlex系统自身出现故障时,应用还可以正常使用,且不会导致数据丢失。

当存储系统A/B其中一台出现故障时,由于通过VPlex的镜像功能,存储系统A/B之间是RAID 1关系,应用系统可以正常运行,不需要停机;

当VPlex系统自身出现故障时,由于在Vplex中的设置,VPlex不会修改存储系统LUN的配置信息,即,用户可以将存储系统A或B的LUN直接挂到应用系统,保证应用系统的继续运行,不会产生数据丢失。

4.2. 存储系统利旧

VPlex在提供虚拟化的存储访问的同时,还可以方便地对存储容量进行扩展。当一台存储系统出现空间不足的情况时,可以通过VPlex的虚拟卷,将多台存储系统的空间组成一个卷给应用使用。通过这种级联方式,应用系统直接访问VPlex的虚拟卷,而VPlex后端接入的存储系统只是作为VPlex虚拟卷的存储资源池使用,达到资源的更合理分配和优化。

可将目前xx医院的VNX5300存储系统挂接到VPlex上,做成存储资源池,充分利用现有资源。

4.3. 建设方案

数据是有价值的,数据保护方法和应用有直接关系,另外,数据是不能单独存在的,甚至存有数据的介质也不能单独存在,数据和介质必须以服务器为载体才能“活动”,那么数据保护的另一个隐含问题就是:在保护数据的同时必须保护系统。数据的存储有备份和归档两种形式。备份是对数据进行复制,是为了确保在出现数据丢失或系统灾难时将复制的数据恢复回来;归档则是针对海量数据的应用,是对数据进行有计划的迁移,当数据停止改变或不被频繁使用时,通过归档把它们转移到一个文档,使之存于日常的备份窗口之外,但仍需保证其可用性

我们将数据分为三个部分----虚拟机、PACS数据库数据和PACS非在线数据。根据这些数据的不同特点,我们采用不同的存储基础架构来提供存储服务。

4.3.1. PACS数据库数据

PACS数据库数据是典型的结构化数据。这类数据要求较高的IOPS性能和较高的业务连续性。因此,我们采用一台新的EMC VNX5500存储系统来存放这些数据。为了满足高可用的要求,我们同时配置一套EMC VPLEX存储虚拟化引擎。通过EMC VPLEX存储虚拟化引擎实现EMC VNX5500和原有的EMC VNX5300上关键业务数据的双活同步镜像。这样,无论是哪一台存储出现问题,EMC VPLEX存储虚拟化引擎都将自动的将I/O请求导向健康的存储系统。从而使得应用能够不中断。

PACS系统的数据可划分为使用频率高的在线数据和使用频率较低的近线数据。在线数据存储设备最重要的要求就是速度和安全性。在线存储设备是医院对于PACS感知最明显的部分,由于医生大部分的工作都是在调用这些在线设备里面保存的数据,因此在线存储设备的速度,基本就代表了PACS的速度。因此在线数据从性能和安全性方面考虑,建议储存在VNX5500上并且利用VPLEX存储虚拟化技术将其与VNX5300实现数据的双活同步镜像。

4.3.2. PACS非在线数据

PACS文件数据通常具有数据量大且文件数量大的特征。由于传统的文件系统结构不利于用来存放如此大规模的数据,因此,采用传统文件系统来存放PACS的在线及非在线数据将导致性能较差、扩展麻烦和维护复杂等问题。这里,我们可以采用专门针对于大数据存储设计的EMC Isilon并行群集文件存储。EMC Isilon并行群集文件存储支持标准的NFS和CIFS访问协议,能够轻松的与应用进行集成。EMC Isilon中独有的EMC OneFS并行文件系统能够在单一文件系统内支持高达15PB的容量和数十亿个文件。能够从最小三节点开始配置,提供24TB的可用容量。系统的容量扩展可以在线进行,只需要花费约60秒的时间实现节点的加入配置。大大降低了管理的复杂度和风险。

4.3.3. 虚拟机文件数据

虚拟机文件数据与PACS数据库数据具有相同的特征和要求,也是需要高可用和IOPS性能较高。因此,我们可将这部分数据也存放到VNX5500和VNX5300上,并通过EMC VPLEX进行保护,实现虚拟化数据的双重保护。

经过内部讨论分析,结合系统目前的现状,我们建议PACS存储系统的架构设计如下图所示:

如图所示,在未来的PACS系统存储在SAN网络中配置一套存储虚拟化设备——EMC VPlex,将存储系统接入VPlex,所有应用系统只需要访问VPlex上的卷即可,接入VPlex上的存储可以做到镜像关系(即双活)或级联关系。对重要应用的数据存储在镜像的两台存储系统上。


 


          五、未来建设规划

5.1. 建立“双活数据中心”

医院业务数据的重要性不言而喻,所以,有必要在系统的未来规划中考虑“双活数据中心”的方案,即,在医院内建设两个数据中心:生产中心(第一站点)和容灾中心(第二站点),在两个数据中心之间采用两台存储做双活配置。

使用存储虚拟化EMC VPlex进行“双活数据中心”搭建,应用系统通过VPlex的分布式虚拟卷(Distributed LUN)统一访问生产中心和容灾中心的存储系统,如下图所示:

 

对于应用系统来说,访问虚拟卷而不需要关心后端的物理存储。

当应用系统写数据时,VPlex自动将写IO复制一份到远端的存储系统,复制动作同步进行,可以确保生产数据的安全性;

当应用系统读数据时,VPlex采用了AccessAnywhere技术,应用系统只需要就近访问最近的一台存储系统即可,可以大大节省两个数据中心之间的网络传输带宽;

当存储系统故障时,VPlex采用的Active-Active技术,结合服务器的集群文件系统(Cluster File System ),可以保证应用实时切换到容灾中心,而不需要人工操作,保证了业务系统的高可用性,大大缩减了故障切换时间。

对xx医院的未来业务系统容灾建设而言,容灾方案的技术核心是数据的保护,实现远程数据复制,并能够在灾难发生时,快速在远端利用复制的数据提供服务,且应用系统不需要停机切换。同时,为了提高资源的利用率,部分应用系统可以运行的容灾中心的服务器/存储系统上,例如:查询系统等。

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