Компьютеризация здравоохранения

МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРИЗАЦИИ.

В рамках данного реферата мы не сможем решить всех проблем, связанных с компьютеризацией системы здравоохранения. Поэтому мы рассмотрим лишь некоторые из них. Как уже было сказано выше, одной из основных проблем медленного процесса компьютеризации здравоохранения является нехватка средств. Т.е. лечебно-профилактические учреждения не могут позволить себе даже закупку компьютеров со стандартным программным обеспечением, не говоря уже о закупке специализированного ПО. Однако сейчас уже стали доступны компьютерные технологии, позволяющие частично решить эту проблему. На сегодняшний день написано большое количество программных продуктов, позволяющих реализовывать данные технологии. Принцип их работы отличается друг от друга. При использовании одних программных средств, появляется возможность создавать виртуальные автоматизированные рабочие места (АРМ) пользователей. Таким образом, мы можем сократить общую стоимость покупаемого компьютерного оборудования до минимума. При использовании других программных средств, мы сможем использовать один физический компьютер как несколько рабочих мест пользователей. Тем самым мы сможем сэкономить, покупая меньше компьютеров, при этом не сокращая количество пользователей. Далее мы произведем описание и анализ данных технологий.

Виртуализация.

В широком смысле, понятие виртуализации  представляет собой сокрытие настоящей  реализации какого-либо процесса или  объекта от истинного его представления для того, кто им пользуется. Продуктом виртуализации является нечто удобное для использования, на самом деле, имеющее более сложную или совсем иную структуру, отличную от той, которая воспринимается при работе с объектом. Иными словами, происходит отделение представления от реализации чего-либо. В компьютерных технологиях под термином «виртуализация» обычно понимается абстракция вычислительных ресурсов и предоставление пользователю системы, которая «инкапсулирует» (скрывает в себе) собственную реализацию. Проще говоря, пользователь работает с удобным для себя представлением объекта, и для него не имеет значения, как объект устроен в действительности.

Сам термин «виртуализация» в компьютерных технологиях появился в шестидесятых годах прошлого века вместе с термином «виртуальная машина», означающим продукт виртуализации программно-аппаратной платформы.

Понятие виртуализации условно  можно разделить на две фундаментально различающиеся категории:

виртуализация платформ. Продуктом этого вида виртуализации являются виртуальные машины - некие программные абстракции, запускаемые на платформе реальных аппаратно-программных систем.

виртуализация ресурсов. Данный вид виртуализации преследует своей целью комбинирование или упрощение представления аппаратных ресурсов для пользователя и получение неких пользовательских абстракций оборудования, пространств имен, сетей и т.п.

Под виртуализацией платформ понимают создание программных систем на основе существующих аппаратно-программных  комплексов, зависящих или независящих от них. Система, предоставляющая аппаратные ресурсы и программное обеспечение, называется хостовой (host), а симулируемые ей системы – гостевыми (guest). Чтобы гостевые системы могли стабильно функционировать на платформе хостовой системы, необходимо, чтобы программное и аппаратное обеспечение хоста было достаточно надежным и предоставляло необходимый набор интерфейсов для доступа к его ресурсам. Есть несколько видов виртуализации платформ, в каждом из которых осуществляется свой подход к понятию «виртуализация». Виды виртуализации платформ зависят от того, насколько полно осуществляется симуляция аппаратного обеспечения. До сих пор нет единого соглашения о терминах в сфере виртуализации, поэтому некоторые из приведенных далее видов виртуализации могут отличаться от тех, что предоставят другие источники.

Виды виртуализации платформ:

Полная эмуляция (симуляция).

При таком виде виртуализации виртуальная  машина полностью виртуализует все  аппаратное обеспечение при сохранении гостевой операционной системы в неизменном виде. Такой подход позволяет эмулировать различные аппаратные архитектуры. Например, можно запускать виртуальные машины с гостевыми системами для x86-процессоров на платформах с другой архитектурой (например, на RISC-серверах компании Sun). Долгое время такой вид виртуализации использовался, чтобы разрабатывать программное обеспечение для новых процессоров еще до того, как они были физически доступными. Такие эмуляторы также применяют для низкоуровневой отладки операционных систем. Основной минус данного подхода заключается в том, что эмулируемое аппаратное обеспечение весьма и весьма существенно замедляет быстродействие гостевой системы, что делает работу с ней очень неудобной, поэтому, кроме как для разработки системного программного обеспечения, а также образовательных целей, такой подход мало где используется.

Примеры продуктов для создания эмуляторов: Bochs, PearPC, QEMU (без ускорения), Hercules Emulator.

Частичная эмуляция (нативная виртуализация).

В этом случае виртуальная машина виртуализует лишь необходимое количество аппаратного обеспечения, чтобы она могла быть запущена изолированно. Такой подход позволяет запускать гостевые операционные системы, разработанные только для той же архитектуры, что и у хоста. Таким образом, несколько экземпляров гостевых систем могут быть запущены одновременно. Этот вид виртуализации позволяет существенно увеличить быстродействие гостевых систем по сравнению с полной эмуляцией и широко используется в настоящее время. Также, в целях повышения быстродействия, в платформах виртуализации, использующих данный подход, применяется специальная «прослойка» между гостевой операционной системой и оборудованием (гипервизор), позволяющая гостевой системе напрямую обращаться к ресурсам аппаратного обеспечения. Гипервизор, называемый также «Монитор виртуальных машин» (Virtual Machine Monitor) - одно из ключевых понятий в мире виртуализации. Применение гипервизора, являющегося связующим звеном между гостевыми системами и аппаратурой, существенно увеличивает быстродействие платформы, приближая его к быстродействию физической платформы.

К минусам данного вида виртуализации  можно отнести зависимость виртуальных  машин от архитектуры аппаратной платформы.

Примеры продуктов для нативной виртуализации: VMware Workstation, VMware Server, VMware ESX Server, Virtual Iron, Virtual PC, VirtualBox, Parallels Desktop и другие.

Частичная виртуализация, а также  «виртуализация адресного пространства» («address space virtualization»).

При таком подходе, виртуальная машина симулирует несколько экземпляров аппаратного окружения (но не всего), в частности, пространства адресов. Такой вид виртуализации позволяет совместно использовать ресурсы и изолировать процессы, но не позволяет разделять экземпляры гостевых операционных систем. Строго говоря, при таком виде виртуализации пользователем не создаются виртуальные машины, а происходит изоляция каких-либо процессов на уровне операционной системы. В данный момент многие из известных операционных систем используют такой подход. Примером может послужить использование UML (User-mode Linux), в котором «гостевое» ядро запускается в пользовательском пространстве базового ядра (в его контексте).

Паравиртуализация.

При применении паравиртуализации  нет необходимости симулировать аппаратное обеспечение, однако, вместо этого (или в дополнение к этому), используется специальный программный интерфейс (API) для взаимодействия с гостевой операционной системой. Такой подход требует модификации кода гостевой системы, что, с точки зрения сообщества, Open Source не так и критично. Системы для паравиртуализации также имеют свой гипервизор, а API-вызовы к гостевой системе, называются «hypercalls» (гипервызовы). Многие сомневаются в перспективах этого подхода виртуализации, поскольку в данный момент все решения производителей аппаратного обеспечения в отношении виртуализации направлены на системы с нативной виртуализацией, а поддержку паравиртуализации приходится искать у производителей операционных систем, которые слабо верят в возможности предлагаемого им средства. В настоящее время провайдерами паравиртуализации являются компании XenSource и Virtual Iron, утверждающие, что быстродействие паравиртуализации выше.

Виртуализация уровня операционной системы.

Сутью данного вида виртуализации  является виртуализация физического сервера на уровне операционной системы в целях создания нескольких защищенных виртуализованных серверов на одном физическом. Гостевая система, в данном случае, разделяет использование одного ядра хостовой операционной системы с другими гостевыми системами. Виртуальная машина представляет собой окружение для приложений, запускаемых изолированно. Данный тип виртуализации применяется при организации систем хостинга, когда в рамках одного экземпляра ядра требуется поддерживать несколько виртуальных серверов клиентов.

Примеры виртуализации уровня ОС: Linux-VServer, Virtuozzo, OpenVZ, Solaris Containers и FreeBSD Jails.

Виртуализация уровня приложений.

Этот вид виртуализации не похож  на все остальные: если в предыдущих случаях создаются виртуальные среды или виртуальные машины, использующиеся для изоляции приложений, то в данном случае само приложение помещается в контейнер с необходимыми элементами для своей работы: файлами реестра, конфигурационными файлами, пользовательскими и системными объектами. В результате получается приложение, не требующее установки на аналогичной платформе. При переносе такого приложения на другую машину и его запуске, виртуальное окружение, созданное для программы, разрешает конфликты между ней и операционной системой, а также другими приложениями. Такой способ виртуализации похож на поведение интерпретаторов различных языков программирования (недаром интерпретатор, Виртуальная Машина Java (JVM), тоже попадает в эту категорию).

Примером такого подхода служат: Thinstall, Altiris, Trigence, Softricity.

Виртуализация ресурсов

При описании виртуализации платформ мы рассматривали понятие виртуализации  в узком смысле, преимущественно  применяя его к процессу создания виртуальных машин. Однако если рассматривать  виртуализацию в широком смысле, можно прийти к понятию виртуализации ресурсов, обобщающим в себе подходы к созданию виртуальных систем. Виртуализация ресурсов позволяет концентрировать, абстрагировать и упрощать управление группами ресурсов, таких как сети, хранилища данных и пространства имен.

Виды виртуализации ресурсов:

Объединение, агрегация  и концентрация компонентов.

Под таким видом виртуализации  ресурсов понимается организация нескольких физических или логических объектов в пулы ресурсов (группы), представляющих удобные интерфейсы пользователю. Примеры такого вида виртуализации: многопроцессорные системы, представляющиеся нам как одна мощная система, RAID-массивы и средства управления томами, комбинирующие несколько физических дисков в один логический, виртуализация систем хранения, используемая при построении сетей хранения данных SAN (Storage Area Network), виртуальные частные сети (VPN) и трансляция сетевых адресов (NAT), позволяющие создавать виртуальные пространства сетевых адресов и имен.

Кластеризация компьютеров и распределенные вычисления (grid computing).

Этот вид виртуализации включает в себя техники, применяемые при  объединении множества отдельных  компьютеров в глобальные системы (метакомпьютеры), совместно решающие общую задачу.

Разделение ресурсов (partitioning).

При разделении ресурсов в процессе виртуализации происходит разделение какого-либо одного большого ресурса  на несколько однотипных объектов, удобных для использования. В  сетях хранения данных это называется зонированием ресурсов («zoning»).

Инкапсуляция.

Многим это слово известно как  сокрытие объектом внутри себя своей  реализации. Применительно к виртуализации, можно сказать, что это процесс  создания системы, предоставляющей  пользователю удобный интерфейс  для работы с ней и скрывающей подробности сложности своей реализации. Например, использование центральным процессором кэша для ускорения вычислений не отражается на его внешних интерфейсах.

Виртуализация ресурсов, в отличие  от виртуализации платформ, имеет  более широкий и расплывчатый смысл и представляет собой массу различных подходов, направленных на повышение удобства обращения пользователей с системами в целом. Поэтому, далее мы будем опираться в основном на понятие виртуализации платформ, поскольку технологии, связанные именно с этим понятием, являются в данный момент наиболее динамично развивающимися и эффективными.

Преимущества использования  виртуальных машин

• Экономия на аппаратном обеспечении при консолидации серверов. Существенная экономия на приобретении аппаратного обеспечения происходит при размещении нескольких виртуальных продакшен-серверов на одном физическом сервере. В зависимости, от вендора платформы виртуализации, доступны возможности по балансировке рабочей нагрузки, контролю выделяемых ресурсов, миграции между физическими хостами и бэкапу. Все это влечет за собой реальную экономию денежных средств на обслуживании, управлении и администрировании инфраструктуры серверов.
• Возможность поддержания старых операционных систем в целях обеспечения совместимости. При выходе новой версии операционной системы, старую версию можно поддерживать на виртуальной машине, пока не будет полностью обкатана новая ОС. И наоборот, можно «поднять» новую ОС на виртуальной машине и опробовать ее без ущерба для основной системы.
• Возможность изолировать потенциально опасные окружения. Если какое-то приложение или компонент вызывает сомнения в его надежности и защищенности, можно использовать его на виртуальной машине без опасности повредить жизненно важные компоненты системы. Такую изолированную среду называют также «песочницей» (sandbox). Помимо этого, можно создавать виртуальные машины, ограниченные политиками безопасности (например, машина перестанет запускаться через две недели).
• Возможность создания требуемых аппаратных конфигураций. Иногда требуется использовать заданную аппаратную конфигурацию (процессорное время, количество выделяемой оперативной и дисковой памяти) при проверке работоспособности приложений в определенных условиях. Довольно сложно без виртуальной машины «загнать» физическую машину в такие условия. В виртуальных машинах – это пара кликов мыши.
• Виртуальные машины могут создавать представления устройств, которых у вас нет. Например, многие системы виртуализации позволяют создавать виртуальные SCSI диски, виртуальные многоядерные процессоры и т.п. Это может пригодиться для создания различного рода симуляций.
• На одном хосте может быть запущено одновременно несколько виртуальных машин, объединенных в виртуальную сеть. Такая особенность предоставляет безграничные возможности по созданию моделей виртуальной сети между несколькими системами на одном физическом компьютере. Особенно это необходимо, когда требуется смоделировать некую распределенную систему, состоящую из нескольких машин. Также можно создать несколько изолированных пользовательских окружений (для работы, развлечений, работы в Интернет), запустить их и переключаться между ними по мере необходимости выполнения тех или иных задач.
• Виртуальные машины предоставляют великолепные возможности по обучению работе с операционными системами. Можно создать репозиторий готовых к использованию виртуальных машин с различными гостевыми операционными системами и запускать их по мере необходимости в целях обучения. Их можно безнаказанно подвергать всяческим экспериментам, поскольку в случае порчи системы, её восстановление из сохраненного состояния займет пару минут.
• Виртуальные машины повышают мобильность. Папка с виртуальной машиной может быть перемещена на другой компьютер, и там виртуальная машина может быть сразу запущена. Не требуется создавать никаких образов для миграции, и, к тому же, виртуальная машина отвязана от конкретной аппаратуры.
• Виртуальные машины могут быть организованы в «пакеты приложений». Вы можете создавать виртуальной окружение для конкретного варианта использования (например, дизайнерскую машину, машину менеджера и т.п.), установив в ней все требуемое программное обеспечение, и разворачивать десктопы по мере необходимости.
• Виртуальные машины более управляемы. При использовании виртуальных машин существенно повышается управляемость в отношении создания резервных копий, создания снимков состояний виртуальных машин («снапшотов») и восстановлений после сбоев.