如何用超融合构建新一代IT基础架构？基于云网边协同架构的一院多区新型数据中心解决方案研究与设计

摘要

   随着我国公立医院高质量发展战略的推进，“一院多区”已成为大型医院集团发展的主要模式。传统分散、孤立的IT架构难以满足多院区在业务协同、数据共享、资源统筹与精益管理方面的核心需求。本文提出并深入研究了一种基于“云网边协同”理念的新型数字化底座解决方案。该方案通过构建“中心数据中心-边缘数据中心”两级架构，整合云计算、高速网络与边缘计算技术，旨在实现核心业务与数据的统一管控、医技资源的全域共享、跨院区的实时协作，以及安全运营的一体化保障。实践证明，该架构能够有效支撑“一院多区”模式下医疗业务的同质化、一体化与智能化发展。

关键词： 一院多区；云网边协同；数据中心；超融合；医疗信息化；数字底座

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1. 引言

“一院多区”发展模式在优化医疗资源布局、扩大优质资源覆盖面的同时，也为医院信息化建设带来了严峻挑战。各院区信息系统若彼此孤立，将导致“信息孤岛”问题加剧，业务流程割裂，医疗质量与运营管理效率难以统一。因此，构建一个能够连接各院区、整合资源、赋能业务的新型数字化基础设施，成为“一院多区”医院集团的核心诉求。本文基于先进的云网边协同架构，设计了一套新型数据中心解决方案，为上述问题提供了系统性的解决路径。

2. 一院多区面临的信息化挑战

数据孤岛与业务割裂： 各院区独立部署信息系统，导致患者诊疗信息、运营数据无法互通共享，阻碍了跨院区的连续医疗服务与统一管理。

医技资源分配不均： 高级别影像、病理等医技资源通常集中于中心院区，分院区患者难以享受同质化服务，降低了资源利用效率。

运维管理复杂化： 分散的IT基础设施使得运维工作呈指数级增长，安全策略难以统一部署和管控，整体IT成本高昂。

跨院区协作效率低下： 传统的远程会议系统难以深度融入诊疗业务流程，如多学科会诊（MDT）、远程诊断等协作流程不畅。

3. 云网边协同新型数据中心解决方案设计

本方案的核心是构建一个逻辑统一、物理分布、云网边一体化的新型数字化底座。

3.1 总体架构

系统简介

  超融合基础架构(Hyper-Converged Infrastructure)是一种集成了虚拟计算资源和存储设备的信息基础架构。在这样的架构环境中，同一套单元设备中不但具备了计算、网络、存储和服务器虚拟化等资源和技术，而且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。 

  超融合基础架构是以硬件服务器为基础，最大限度实现数据中心容量扩展性和数据的可用性。超融合架构以虚拟机为核心，提升集群的运算效能和存储空间，具有简单、高效、高性能、易部署等优势。成本的控制和风险防范等方面，它不需要单独采购服务器和存储，节省了大量的机柜空间，而且对电源的消耗较小。系统所采用的软件和硬件都是统一的技术接口，而且不存在虚拟化环境的资源争抢问题，可以灵活调配资源，方便快捷。在超融合架构模式下，用户所使用的虚拟机和存储空间是利用软件构建的，这样就使得底层物理设备与用户之间保持隔离的状态，实现了硬件资源与虚拟化平台的完整融合。用户可以以堆叠的形式实现节点的添加，进而实现超融合架构丛集容量的扩展。 

超融合技术主要组件有三大组成部分：计算虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化。计算虚拟化四大主流路线有KVM、VMWARE、Hyper-V、Xen，存储虚拟化两大主流路线glustfs、ceph，网络虚拟化一般采用自研的方式，主要技术有VxLAN、SDN等。 

组成

   超融合系统将存储和计算功能集成到一个单一节点（或节点集群，每个节点都提供计算和存储功能），超融合系统都具有以下通用核心组件： 

（1）分布式存储系统：构建在虚拟化平台之上，在服务器虚拟化基础上，通过部署存储虚拟设备的方式，对本地存储资源进行虚拟化，再经集群整合成资源池，为应用虚拟机提供存储服务。 

（2）高速网络：GE/10GE以太网交换机，或者Infiniband光纤交换机为分布式计算和存储集群提供可扩展和高可用性的网络通道。 

（3）统一管理平台：其管理程序除了提供硬盘或SSD硬件抽象层之外，还提供工作负载邻接、冗余、故障迁移、管理和容器化作用。 

   因此，超融合架构可以基于X86服务器等低单价企业服务器为基础，对服务器的内置硬盘资源进行虚拟化，提供 raid后的存储空间供服务器使用。服务器采用集群的方式部署在数据中心的多个机架内，通过机架间及机架内的高速二层交换网络提供极高的连接可靠性。整个超融合集群系统，以一个2UX86机架服务器提供40TB裸容量为例，一个100个服务器组成的集群可以提供4PB的存储容量，可满足90%以上企业的业务增长需求。通过批量采购的商用服务器可使基于超融合架构建设的数据中心具有较高的性价比。 

方案采用“中心数据中心 + 边缘数据中心”的两级架构模式，通过高品质网络连接为一体。

中心数据中心： 作为医院集团的“大脑”和核心枢纽，部署在总部或核心院区。它承载着全局性的核心业务与应用。

边缘数据中心： 部署于各个分院区，负责处理本地实时性要求高的业务，并与中心DC协同，承接下发的共享服务。

网络连接： 根据地理距离与业务需求，采用差异化连接策略。对本市分院，采用高速光纤实现超低时延互联；对跨市分院，则采用双专线链路，确保连接可靠性与业务连续性。

3.2 中心数据中心功能设计

中心DC并非简单的数据汇总点，而是能力的集中与调度中心，具体包括：

核心业务中心： 集中部署全院统一的HIS、EMR、ESB等核心系统，确保各院区业务流程与数据标准的完全一致。

数据共享中心：

数据分析平台： 负责对各院区数据进行采集、汇聚、治理与分析，形成全院统一的数据视图。

数据交换平台： 支撑数据对内对外的上报与交换需求。

医技中心： 建设集中的影像中心、病理中心等，专家资源在中心端即可为所有院区提供诊断服务，实现“基层检查、中心诊断”。

远程协作中心： 提供强大的远程会议、教学及MDT多学科会诊平台，打破物理空间限制，促进学术与临床交流。

安全运营中心： 建立一体化的网络安全运维体系，实现对全网安全态势的统一监控、预警和响应。

3.3 边缘数据中心功能设计

边缘DC是中心能力的延伸和本地服务的触手，主要功能包括：

本地业务处理： 运行分院本地的影像、超声、病理等采集工作站，保障业务操作的实时性。

远程协作接入： 作为节点接入中心的远程协作平台，方便本院区医务人员参与协作。

医技协同体： 在本地形成与中心医技平台联动的协同单元，完成检查采集后，数据可上传至中心进行深度分析或专家复核。

3.4 智能网络与业务保障

网络是云网边协同的“血脉”。本方案引入网络切片技术，为不同业务提供差异化的网络质量保障：

ZHBS/LBS/RBS切片： 保障关键业务系统（如HIS, EMR）的稳定、低时延。

PACS切片： 为影像传输提供高带宽、高可靠的网络通道。

特殊连接切片： 为远程手术指导、高精度会诊等特殊应用提供专属网络保障。

4. 方案优势与价值分析

业务一体化与同质化管理： 核心系统统一部署，确保了所有院区服务流程、数据标准与管理规范的一致性，实现了真正的“一体化管理、同质化服务”。

资源集约与高效利用： 将高价值医技资源、专家资源在中心集中，通过网络共享至各分院，大幅提升了优质资源的可及性与利用效率。

运维简化与成本优化： 实现了IT基础设施的“集中化、云化”管理，降低了总体运维复杂度与TCO。

安全体系全域覆盖： 安全策略由中心统一制定并下沉至各边缘，构建了纵深防御、统一管控的安全体系。

强大的业务创新能力： 灵活、弹性的云网底座为未来部署大数据分析、人工智能、互联网医院等创新应用提供了坚实基础。

5. 结论与展望

   超融合基础架构继承了融合式架构的一些特性，同样都是使用通用硬件服务器为基础，将多台服务器组成含有跨节点统一储存池的群集，来获得整个虚拟化环境需要的效能、容量扩展性与数据可用性，可透过增加群集中的节点数量，来扩充整个群集的运算效能与储存空间，并透过群集各节点间的彼此数据复制与备份，提供服务高可用性与数据保护能力。而为能灵活地调配资源，超融合架构也采用了以虚拟机(VM)为核心，软件定义方式来规划与运用底层硬件资源，然后向终端用户交付需要的资源。 

1、运算单元与储存单元的融合

传统的存储区域网络架构使用的运算和储存单元是分离的。传统的服务器外接SAN交换机、储存设备等，超融合架构则将运算和储存单元合二为一。这样每个服务器节点单元同时可提供运算资源和储存空间，每一台超融合架构的服务器节点就相当于传统服务器外接SAN交换机和储存设备，即使用服务器节点的磁盘驱动器来提供需要的储存空间。 

2、实际的硬件资源与虚拟化平台的完整融合

超融合架构是通过虚拟化平台软件来合理硬件资源的，运算资源和储存资源都是通过虚拟机来合理调配使用，是一种以虚拟机为核心的虚拟化应用。另外，超融合架构的运算资源和储存资源都是软件定义化的，硬件部份只是一台普通的通用硬件服务器，用户使用的虚拟机与储存空间完全依靠Hypervisor等软件所构建，隔绝了用户与底层的物理设备。 

3、更易于管理的超融合架构

  在融合式架构中，由于运算与储存资源是由各自独立的服务器与储存设备来提供，操作管理也是独立的，管理者必须分别透过不同的管理工具来管理这两种设备。管理者须在储存设备上从LUN、连接映像等这些设定着手，然后再将设定好的储存装置挂载到服务器主机上，通过Hypervisor提供给VM使用。超融合架构，运算与储存二合一，只需单一的平台就可同时管理运算和储存资源的设定。用户可根据自身需要来设定运算与储存资源的服务等级，实际资源的分配可由管理平台自动完成，管理变得轻松而简单。 

4、纵向构建和横向扩展

超融合架构由于把运算与储存融合在一台设备，每台超融合设备都含有独立、完整的运算、储存硬件资源，所以每台设备也就构成了一个独立的基础单元。通过丛集架构，用户可以以一台超融合设备为单元，以堆叠的方式将更多的节点加入到丛集中，来扩展整个超融合架构丛集的容量。 

  本文所设计的基于云网边协同的“一院多区”数据中心解决方案，有效解决了传统分散架构的固有弊端。它通过构建一个资源可全局调度、能力可弹性扩展、数据可互通共享、业务可无缝协同的智慧医院数字底座，为“一院多区”模式下的高质量发展提供了核心驱动力。

未来，该架构可进一步与医疗大模型、智能体等AI技术结合，将算力、智力与医疗业务场景更深度地融合，最终演进为一个能够自适应、自优化、主动服务的智慧医院生命体。