負載均衡技術在大型公立醫院中的應用

施識帆，張昕，曹凱迪，王忠民

南京醫科大學第一附屬醫院 信息處，江蘇 南京 210029

引言

隨著信息化技術的不斷發展，醫院對信息化的依賴程度與日俱增。因此，鑒于醫院服務模式的特殊性，醫院中的各個業務信息系統需保持高度的穩定性與安全性。另外，隨著新醫改的不斷深入，醫院的規模不斷擴大，醫院集團化的發展趨勢日益顯著。如何在滿足穩定性、安全性的同時，應用有限的資源建設滿足高并發需求、方便橫向擴展的信息系統，成為每一個醫院信息管理者的難題。幸運的是在金融、國電等領域已有一些先行經驗可供借鑒，那就是采用負載均衡技術。本文將主要介紹該技術的背景及其在我院的實際應用情況。

1 負載均衡技術介紹

負載均衡技術建立在現有網絡結構之上，提供了一種廉價、有效、透明的方法，來擴展網絡設備和服務器的帶寬、增加吞吐量、加強網絡數據處理能力、提高網絡的靈活性和可用性。簡單的講，就是將工作負載進行平衡、分攤到多個服務器主機或網絡設備上進行協同工作，共同完成工作任務[1-3]。它主要用于避免出現單點故障，提高服務器資源利用率，提高服務器響應速度，解決網絡擁塞問題，為用戶提供更加穩定可靠的訪問質量。

負載均衡技術在實現上有兩種方案可供考慮：軟件負載均衡和硬件負載均衡。通常來說，軟件負載均衡通過在服務器上安裝軟件來實現[4-6]，成本低廉，使用靈活，一般情況下，適用于訪問量小且不要求全天候運行的系統；硬件負載均衡是獨立于服務器操作系統和外部網絡的硬件設備，在功能和性能上要優于前者，適用于負載量大且要求全天候不間斷運行的系統[7]。

負載均衡器在網絡中的部署方式很多，主要的有串聯模式和并聯模式[7-8]兩種。串聯模式負載均衡器位于上下層網絡設備之間，網絡拓撲結構和應用業務的實現對負載均衡設備依賴性較強；并聯模式負載均衡器以旁路的方式部署在現行的網絡環境中，可以方便、快速地部署到網絡環境中實現其負載均衡功能，但接口的流量壓力較大，要避免成為網絡瓶頸[9]。

另外，負載均衡器可以通過設定算法策略，合理地將前端請求調度給后端的服務器，盡量將負載做到均衡[10]。算法策略大致可以分為以下幾類：靜態算法[11-15]、動態算法和自適應算法[16-18]。針對不同的應用場景使用不同的算法策略，也是一項值得深入的研究。我院在實施負載均衡項目時，綜合考慮了以上不同選擇的優劣，針對實際情況選擇了最適合我院的方案，完成了項目的部署和應用。

2 我院負載均衡方案應用實踐

2.1 項目實施目的

我院實施負載均衡項目的初衷是為了解決住院電子病歷系統實施過程中出現的一些問題。在我院住院電子病歷系統的上線初期，應用服務器只使用了一臺。到了系統上線完成時，服務器已擴展為四臺，分別對應了本部內科、本部外科、本部其他科室和集團分院。這里存在幾個問題：① 某臺服務器停機維護或宕機時，對應部門或院區的電子病歷系統服務就不得不停止；② 客戶端維護困難，需要針對不同部門設定其對應的服務器IP地址；③ 會有某臺服務器CPU壓力極高，而其他幾臺空閑的情況出現。

隨著上線科室和使用部門越來越多，服務器規模越來越大，上述問題特別是第③點服務器負載不均衡的問題日益突出，維護人員經常需要將連接到繁忙服務器上的客戶端遷到空閑服務器上，來保證其服務可用。在遷來遷去的過程中，客戶端和服務器的對應關系就更加混亂了。為了充分利用服務器資源，從根本上解決上述問題，同時為日后其他業務系統服務器架構設計提供經驗，負載均衡項目的實施正式開始。

2.2 項目方案選擇

軟、硬件負載均衡各有優劣，經過前期調研，該項目最終還是選擇了硬件負載均衡方案。這個選擇主要基于以下幾點考慮：① 我院的規模較大，系統數和用戶數較多，相應的負載量較大，硬件負載均衡有比較好的性能和穩定性；② 硬件負載均衡的策略算法較多，功能較豐富，比如高級服務器健康檢查和防火墻功能。這些算法和功能，有些軟件方案無法滿足；③ 雖然部分軟件負載均衡開源而且免費，但是學習、管理和遷移成本較高；④ 功能強大的軟件負載均衡消耗系統資源較多，而且操作系統本身的漏洞也會帶來新的安全問題[2]。所以，盡管硬件負載均衡前期投入的成本很高，但從長遠來看，從維護的角度來看，依然是非常劃算的。

2.3 整體架構設計

我院目前的負載均衡架構如圖1所示?？傮w架構使用了兩組負載均衡，每組負載均衡由兩臺設備組成雙機熱備，備機自動同步主機配置，當主機故障時，自動主備切換，保證不在負載均衡設備上出現單點故障。對于業務系統也按功能和重要程度進行了分組，部分系統如集成平臺相關的系統劃為A組，與負載均衡A對接；其余系統如電子病歷系統劃為B組，與負載均衡B對接。在極端情況下，如負載均衡A兩臺設備均故障，那么可以將A組系統臨時接入負載均衡B，保證應用不中斷。為達到該目的，在設計時，我院采用的負載均衡設備保留了極高的冗余性能。

圖1 我院負載均衡項目總體架構圖

事實證明，即使是小概率的極端情況也有發生的時候。在某個周末，A組設備主機故障，主備切換過程中發生設備宕機，重啟設備后發現兩臺設備均無法正常使用。幸運的是A組設備的配置文件有備份，于是我們在B組中重建了所有任務，中斷的業務得到恢復。正是由于使用了兩組負載均衡設備的設計，故障又恰巧發生在周末，重要業務才沒有中斷太長時間。

這也給信息系統相關維護人員一個警示，使用負載均衡設備本意是為解決單點故障、保障系統可用性，千萬不要讓其成為整個系統中的弱點和死穴。

在部署方式上，我院采用了并聯模式來部署負載均衡設備。綜合來說，這種模式增加了網絡的靈活性，提高了網絡整體的可靠性，是對現有網絡結構、應用業務及服務器配置更改最少的一種部署方式。

在部署完成之后，住院電子病歷系統曾遇到一個小問題，那就是服務器端無法接收客戶端的真實源地址，在日志中記錄的IP全部來自負載均衡設備。我們的解決的辦法也很簡單，就是通過改造住院電子病歷系統，把客戶端地址放在HTTP頭信息里傳過來，服務器端解析后提取即可。

2.4 負載均衡策略的使用

我院根據實際情況和不同系統的特點，使用了不同的負載均衡策略。

對于影像數據中心平臺、Web Service接口服務等，由于每次訪問都是獨立的，對于客戶端來說訪問A服務器或者B服務器并沒有什么區別，而且每次訪問的連接時間很短，因此可以采用加權輪詢調度算法，根據每臺服務器性能的高低，配置對應的權重；或者采用最快響應算法，把負載調度給相對空閑的服務器。

對于電子病歷等業務系統，因為連接時間較長，同時服務器上會保存會話信息和一些緩存信息。如果在不同服務器上切換，會導致系統登出和數據保存失敗，因此采用最小連接調度算法，同時采取會話保持機制，以確保在會話期間不會被調度到其他應用服務器上。在實施門診電子病歷的過程中，偶爾會出現用戶自動登出的問題，適當增加會話保持的時間就可以有效減少此類問題。但如果會話保持的時間太長的話，負載均衡本身又會失去意義，所以配置優化工作也是在實踐摸索中不斷前行的。

另外，配置服務器數量時要考慮宕機時的冗余，盡量保證每臺服務器的負載在中低水平。在某臺服務器故障時，剩余服務器能接手額外增加的負載，避免發生“A機宕機→負載均衡→B機過載→B機宕機”這樣的連鎖反應。

2.5 應用成效

我院硬件負載均衡經過5年多的使用，除了上線時部署的住院電子病歷系統以外，還增加了門急診電子病歷系統、各類接口服務器等。目前設備上部署的資源池27個，對應的資源池成員64個，對應的節點46個。

平時工作期間的每秒數據吞吐量在100～200 M Bits之間，有時數據峰值可達400 M Bits/s（圖2），活動連接數也在500到1000左右，最大連接數超過2000（圖3）。從圖中也可以看出，醫院的工作負荷在周一最重，周六較輕，周日最輕，其余工作日持平。

圖2 數據吞吐量

圖3 活動連接數

從設備上部署的服務器數量來看，和Web Service接口服務相關的服務器大約占60%，其余40%用于各個業務系統，如臨床數據中心、影像數據中心、MQ平臺、門急診電子病歷系統、住院電子病歷系統等。

從數據吞吐量的角度（圖4），影像數據中心占絕對主力，超過總數據量的五分之四；如果從活動連接數的角度看（圖5），則住院電子病歷系統和門急診電子病歷系統合計接近總連接數的四分之三。

在這樣的負載壓力下，硬件負載均衡的CPU占用率始終在20%左右波動且波動幅度較?。▓D6），同時內存的是使用率也保持在極低的程度，這表明實際負載相對于設備的可負載能力還保持在較低水平，硬件性能還有極大的冗余，即使訪問量出現可預期或者不可預期的突然增加，也可以保證系統穩定運行的瓶頸不會出現在硬件負載均衡設備上。

圖4 各業務系統數據吞吐量餅圖

圖5 各業務系統活動連接數餅圖

圖6 CPU占用率

3 結語

負載均衡技術隨著信息化的發展而產生，它的出現提高了信息系統的橫向可擴展性，使得系統在高并發時的可用性和安全性得到保障。我院通過實施負載均衡項目，滿足了業務的冗余要求，為醫院365天×24小時持續服務奠定了基礎。隨著云計算技術和大數據時代的到來，安全性和可靠性的要求也越來越高，在這種背景下，用對用好負載均衡，把技術轉化為生產力，也將變得非常重要。