04103 Virtualisierungsplattformen für Server im Krankenhaus
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Dieser Beitrag bietet einen Überblick über die Vorteile und technischen Voraussetzungen der Servervirtualisierung und vergleicht die Leistungen der führenden Anbieter bzw. Lösungen.
Virtualisierungsplattformen spielen eine entscheidende Rolle bei der Digitalisierung von Rechenzentren in Krankenhäusern, indem sie die Effizienz verbessern, Kosten senken und die Flexibilität erhöhen. Ein Vorteil ist dabei auch ein schnelleres und effizienteres Backup/Restore-Verfahren.
Es ist wichtig, die richtige Plattform basierend auf den spezifischen Anforderungen und Zielen der Gesundheitseinrichtung auszuwählen. Außerdem unterliegt der Markt der Virtualisierungsplattformen ständigen Änderungen (z. B. beim Lizenzmanagement). Für die strategische, langfristige Ausrichtung beim Betrieb der medizinischen Rechenzentren ist gründliche und nachhaltige Planung und Entwicklung unerlässlich. von: |
1 Einführung
Die Digitalisierung von Rechenzentren im Gesundheitswesen hat in den letzten Jahren erheblich an Fahrt gewonnen, wobei Virtualisierungsplattformen eine zentrale Rolle spielen. Diese Plattformen ermöglichen es Krankenhäusern und Kliniken, ihre IT-Infrastruktur effizienter zu verwalten, indem sie die Bereitstellung und Skalierung von Ressourcen vereinfachen.
Gesundheitseinrichtungen benötigen heute oft viele Server, häufig über verschiedene physische Standorte hinweg verteilt. Dies wird durch den Einsatz von Virtualisierungstechnologien ermöglicht. Das Prinzip der technischen Realisierung ist, auf einem einzigen physischen Server (Host) mehrere virtuelle Maschinen (VM) mit jeweils eigenem Gastbetriebssystem auszuführen.
1.1 Was sind Virtualisierungsplattformen?
Es gibt verschiedene Arten von Virtualisierungsplattformen, darunter Hardware-, Betriebssystem-, Anwendungs- und Netzwerkvirtualisierung. Jede dieser Plattformen hat ihre eigenen Vorteile und wird je nach den spezifischen Anforderungen eines Krankenhauses in dessen Rechenzentrum eingesetzt:
| • | Hardwarevirtualisierung, wie VMware und Microsoft Hyper-V, ermöglichen es, mehrere Betriebssysteme und Anwendungen auf einer einzigen physischen Maschine (sogenannter Host-Server) laufen zu lassen. |
| • | Betriebssystemvirtualisierung, wie Docker und Kubernetes, ermöglicht es, Anwendungen in isolierten Umgebungen laufen zu lassen, was die Bereitstellung und das Management vereinfacht. |
| • | Anwendungsvirtualisierung, wie Citrix und Microsoft App-V, macht es möglich, z. B. medizinische Anwendungen von den zugrunde liegenden Betriebssystemen zu trennen, was die Kompatibilität und Portabilität verbessert. |
| • | Netzwerkvirtualisierung, wie z. B. VMware NSX und Cisco ACI, garantiert, Netzwerkressourcen in einem Klinikum unabhängig von der physischen Infrastruktur zu verwalten. |
Die Virtualisierungstechnologie hat ihre Ursprünge in den 1960er-Jahren, als IBM an der gemeinsamen Nutzung von Großrechnern arbeitete. Für Virtualisierung bedarf es einer Software, dem sogenannten Hypervisor. Diese zentrale Komponente bildet bzw. verwaltet die Virtualisierungsschicht. Darauf werden dann ein oder mehrere Gastbetriebssysteme betrieben, häufig als VMs. Abbildung 1 stellt eine typische Virtualisierung von Servern vereinfacht dar.
1.2 Warum Servervirtualisierung?
Virtualisierung ist gerade in großen Universitätskliniken und Klinikkonzernen längst Realität. Kleine und mittlere Krankenhäuser scheitern dagegen oft aus Bedenken vor Kosten, Aufwand oder strategischer Festlegung für die Virtualisierungsstrategie vor der Umsetzung, stoßen aber auch dadurch in einem nächsten Skalierungsschritt nicht selten an die Grenzen bestehender Infrastruktur. Daher kann es sich insbesondere für Krankenhäuser bis 500 Betten lohnen, strategisch das Potenzial der Virtualisierung zu prüfen und gegebenenfalls auf eine der zahlreichen und passgenauen Lösungen am Markt zurückzugreifen. Mittelfristig könnten dadurch erheblich Kosten eingespart und kostspielige Ausfallzeiten reduziert werden. Gerade bei der Modernisierung vorhandener Bare-Metal-Server-Lösungen kann die Virtualisierung zudem ein zusätzliches Sicherheitsnetz bieten.
Die Servervirtualisierung ermöglicht die Erstellung mehrerer virtueller Server-instanzen auf einem einzigen physischen Server. Das bedeutet, dass Krankenhäuser u. a. mehrere Geschäftsanwendungen oder medizinische Applikationen auf diesen Servern ausführen können, wobei jede Anwendung in ihrer eigenen virtuellen Maschine (VM) installiert wird. Ein Anwendungsbeispiel wäre, dass anstelle von fünf physischen Servern für fünf Klinikabteilungen nur ein physischer Server (Host) mit fünf virtuellen Maschinen (Gast) verwendet wird.
Weniger physische Ausstattung
Durch die optimierte Serverauslastung benötigen Krankenhäuser weniger physische Ausstattung. Die mit dem Betrieb von Servern im medizinischen Rechenzentrum einhergehenden Strom- und Kühlungskosten werden reduziert (ökologische Aspekte – Green-IT).
Durch die optimierte Serverauslastung benötigen Krankenhäuser weniger physische Ausstattung. Die mit dem Betrieb von Servern im medizinischen Rechenzentrum einhergehenden Strom- und Kühlungskosten werden reduziert (ökologische Aspekte – Green-IT).
1.3 Prozessverbesserungen
Die Virtualisierung von Servern kommt aus dem Bereich zur Verbesserung von Prozessabläufen (Automatisierung). Die Automatisierung ist in vielen Bereichen der IT ein allgegenwärtiger Trend. Mit der zunehmenden vertikalen Skalierung und Komplexität von Hardware- und Software-Stacks wird Automatisierung immer wichtiger.
Die Virtualisierung wird in immer mehr klinischen Bereichen eingesetzt. Die verwendeten medizinischen Algorithmen in den Klinikanwendungen, die auf virtuellen Servern gehostet werden, werden in der Programmierung immer komplexer. Zunehmend kommen direkt in der medizinischen Applikation KI-Algorithmen zum Tragen. Dabei kommen immer mehr sogenannte Observability Tools und KI-gestützte Analysen zur Anwendung.
Bedeutende Vorteile dieser Prozessverbesserungen bei der Nutzung von medizinischen Applikationen auf virtualisierten Serverumgebungen sind:
| 1. | Automatisierung der Überwachung für serverbasierte Workloads und Microservices: Verminderung von Serverausfallzeiten und Reduktion von unnötigen Wartungen (Mean Time To Repair – MTTR) |
| 2. | Kontinuierliche Topologieüberwachung: Überwachung von Anwendungszustand, Verfügbarkeit und Sicherheitslücken mit Unterstützung von integrierten Managementtools |
| 3. | Verbesserung der Zusammenarbeit im IT-Team und der Medizintechnik: Einführung von Echtzeit-Anwendungseinblicken (Remotezugriff auf die Server) und End-to-End-Performance-Analysen zwischen vernetzten Medizingeräten und deren virtualisierten Servern, Verbesserung der kurzfristigen Breitstellung von Servern für Leistungsoptimierung bei der Nutzung medizinischer Applikationen |
| 4. | Verständnisverbesserung, wie sich Datenbanken auf die Anwendungsleistung auswirken: schnelleres Erkennen und Beheben von Datenbankproblemen medizinischer Applikationen, optische Darstellung z. B. von SQL-Anweisungsleistung und Überwachung von Abhängigkeiten zwischen Diensten und Datenbanken. |
2 Hardwarevirtualisierung
Die Hardwarevirtualisierung, auch bekannt als Plattformvirtualisierung, bezieht sich auf die Erstellung virtueller Maschinen, die jeweils als eigenständiger Computer mit einem Betriebssystem fungieren. Für die Hardwarevirtualisierung von Servern sind wesentliche Teilinstallationen erforderlich (Beispiele):
| 1. | Hypervisor: Am Anfang steht der Hypervisor, eine Art von Software, Firmware oder Hardware, die die Virtualisierung ermöglicht. Der Hypervisor läuft direkt auf der Host-Hardware und ist verantwortlich für die Ausführung der Gastbetriebssysteme. Es gibt zwei Arten von Hypervisoren: Typ 1 (native oder bare-metal)-Hypervisoren laufen direkt auf der Host-Hardware, während Typ 2 (hosted)-Hypervisoren auf einem Betriebssystem laufen. |
| 2. | Erstellen von virtuellen Maschinen (VMs): Mit dem Hypervisor können Sie mehrere VMs auf einer einzigen physischen Maschine erstellen. Jede VM fungiert als eigenständiger Computer mit einem eigenen Betriebssystem und Anwendungen. |
| 3. | Ressourcenverwaltung: Der Hypervisor verwaltet die Ressourcen und stellt sicher, dass jede VM Zugang zu den benötigten Ressourcen wie CPU, Speicher und Speicherplatz hat. Er isoliert auch die VMs voneinander, um Sicherheit und Leistung zu gewährleisten. |
| 4. | Betriebssystem und Anwendungen: Innerhalb jeder VM läuft ein Gastbetriebssystem, das so konfiguriert ist, als ob es auf seiner eigenen, isolierten Hardware läuft. Anwendungen innerhalb einer VM sehen nur die Ressourcen und Hardware, die ihnen der Hypervisor zur Verfügung stellt. |
| 5. | Höhere Prozessorleistung: Neuerdings werden auch GPU-basierte Prozesse virtualisiert, sogenanntes vGPU. |
Die Hardwarevirtualisierung bietet viele Vorteile, darunter