Nghiên cứu tính ảo hóa trong công nghệ điện toán đám mây

Điện toán đám mây Cloud Computing có thể hiểu là mô hình điện toán sử dụng các công nghệ phần mềm, khoa học máy tính,… được phát triển trên hạ tầng mạng máy tính và Internet, để tạo ra m

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Thế Quế

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

I MỞ ĐẦU

Để kiểm tra phản ứng nhanh nhạy của các ứng viên xin việc, Google chỉ cần đặt ra một câu hỏi tưởng chừng đơn giản: "Bạn sẽ làm gì nếu dữ liệu hiện có tăng gấp 1.000 lần?" Nếu người xin việc bê nguyên những công thức được "lập trình sẵn" ở trường vào tình huống này, họ sẽ biến máy chủ thành những chú ốc sên khi nhận lượng video, ảnh, bản đồ, thông tin mua sắm lên 1.000

Bởi thế, để tìm được chỗ đứng ở Google, họ cần học cách làm việc và cả ước mơ ở một cấp độ rộng lớn hơn Họ phải biết cách đưa khối lượng dữ liệu khổng lồ đó thoát khỏi phạm vi những trung tâm dữ liệu chật chội và đặt chúng ở đâu đó ngoài kia- nơi mà các chuyên gia của Google gọi là "cloud"- Những đám mây ảo

Trong thực tế hiện nay, với sự thay đổi và phát triển không ngừng đến từng phút giây của xã hội xung quanh chúng ta thì nhu cầu về khả năng lưu trữ được một lượng dữ liệu khổng lồ, vượt ra ngoài những “cỗ máy vật lý” Data center là vô cùng cấp thiết Sự phát triển như vũ bão của nền kinh tế thế giới đã đẩy các doanh nghiệp, tập đoàn đa quốc gia lớn vào tình thế phải có được một giải pháp công nghệ thông tin giúp họ lưu trữ được một khối lượng khổng lồ các dữ liệu liên quan đến công việc kinh doanh của họ

Bên cạnh đó, các giải pháp đó cũng phải thỏa mãn các tiêu chí đơn giản, an toàn và

dễ sử dụng vì không phải doanh nghiệp nào cũng có khả năng đầu tư mạnh vào hạ tầng công nghệ thông tin để phục vụ cho công việc kinh doanh của mình vì nhiều lý do khách quan và chủ quan

Không chỉ dừng lại ớ mức đó, những “đòi hỏi” của con người ngày một tăng lên, như

là một thách thức gửi đến sự phát triển của khoa học công nghệ nói chung và công nghệ thông tin nói riêng Ngày nay, khái niệm dịch vụ đã, đang và sẽ trở thành một khái niệm quá đỗi quen thuộc với con người Tất cả đều được chuyển hóa thành dịch vụ khi người dùng không muốn tự mình phải thực hiện tất cả mọi việc Họ muốn những gì đơn giản nhất, dễ sử dụng nhất và không phải lúc nào cũng phải quản lý nó khi không có nhu cầu sử dụng Vai trò của dịch vụ trong cuộc sống hàng ngày là không thể chối cãi

Tất cả các nhu cầu nói trên đều dẫn đến hai câu hỏi chính được đặt ra Đó là làm thế nào để giải quyết bài toán lưu trữ một khối lượng dữ liệu, ứng dụng khổng lồ và làm thế nào

để biến việc sử dụng các dữ liệu, ứng dụng thành các dịch vụ để đáp ứng nhu cầu của người

dùng Và một câu trả lời chung cho cả cho hai câu hỏi “hóc búa” trong nhiều năm qua này

đã xuất hiện Đó chính là Điện toán đám mây (Cloud computing)

Thuật ngữ "cloud computing" ra đời giữa năm 2007 không phải để nói về một trào lưu mới, mà để khái quát lại các hướng đi của cơ sở hạ tầng thông tin vốn đã và đang diễn ra

từ mấy năm qua Quan niệm này có thể được diễn giải một cách đơn giản: các nguồn điện toán khổng lồ như phần mềm, dịch vụ sẽ nằm tại các máy chủ ảo (đám mây) trên Internet thay vì trong máy tính gia đình và văn phòng (trên mặt đất) để mọi người kết nối và sử dụng mỗi khi họ cần

Điện toán đám mây (Cloud Computing) có thể hiểu là mô hình điện toán sử dụng các công nghệ phần mềm, khoa học máy tính,… được phát triển trên hạ tầng mạng máy tính

và Internet, để tạo ra một “đám mây” cung cấp từ cơ sở hạ tầng, nơi lưu trữ dữ liệu cho đến các dịch vụ sẵn sàng, nhanh chóng cho mọi cơ quan, tổ chức doanh nghiệp và người dùng đầu cuối theo yêu cầu Mô hình dịch vụ đám mây, người dùng không phải quan tâm đến kỹ năng cài đặt, triển khai và ứng dụng phần mềm, các yêu cầu về cở sở hạ tầng truyền thông, mạng máy tính và Internet để truy cập các dịch vụ Cloud Computing giải quyết các vấn đề tối ưu hóa lưu trữ, ảo hóa máy chủ, cơ sở hạ tầng mạng Ảo hóa tính toán, sử dụng các siêu máy tính (Super- Computer) để xử lý tính toán và công nghệ tính toán song song, phân tán, tính toán lưới

“Điện toán đám mây” chắc hẳn các bạn sẽ nghe thấy cụm từ này rất nhiều trong thời gian tới Có thể nói, điện toán đám mây chính là xu hướng phát triển mới của ứng dụng trong tương lai Các ông lớn như IBM, Google, Microsoft cũng đang rục rịch chuẩn bị cho nền tảng điện toán đám mây của riêng mình

“Chìa khóa” chính giúp Điện toán đám mây (Cloud Computing) giải quyết được các

vấn đề phức tạp kể trên chính là sự ảo hóa Tất cả tài nguyên của hệ thống đều được ảo hóa

Ảo hóa nhưng vẫn giữ và vẫn đáp ứng được các yêu cầu cần thiết như các nguồn tài nguyên vật lý bình thường và vấn đề quản lý rất đơn giản Đó chính là điều tạo nên sự khác biệt giữa Điện toán đám mây và các giải pháp khác đã giúp mang lại những lợi ích to lớn mà không một giải pháp nào tương tự có thể làm được

Công nghệ ảo hóa đang làm thay đổi bộ mặt của thế giới điện toán bằng các công cụ

có khả năng được triển khai và quản lý máy ảo đơn giản, hiệu quả Bằng việc tối ưu hóa tài nguyên mạng, ảo hóa lưu trữ và ảo hóa máy chủ sử dụng các nguồn tài nguyên hệ thống, và

chi phí triển khai ban đầu thấp, ảo hóa đem lại cho các doanh nghiệp khả năng nhanh chóng thu hồi vốn đầu tư

Trong khuôn khổ bài luận văn tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu tính ảo hóa trong công nghệ điện toán đám mây”, tôi sẽ trình bày nội dung theo các phần chính như sau:

Chương 1 “Tổng quan về Điện toán đám mây” trong chương này tôi sẽ trình bày: điện toán đám mây là gì, đặc điểm, các mô hình, các giải pháp và một số ứng dụng công nghệ điện toán đám mây

Chương 2 “Kiến trúc các phần mềm dịch vụ trong điện toán đám mây” bao gồm: phần mềm dịch vụ- SaaS, dịch vụ cơ sở hạ tầng- IaaS và dịch vụ nền tảng- PaaS

Chương 3 “ Đề xuất mô hình ảo hóa trong điện toán đám mây” chương này tôi tìm hiểu ảo hóa là gì, kiến trúc ảo hóa, công nghệ ảo hóa máy chủ và đề xuất mô hình ảo hóa máy chủ trong điện toán đám mây

“ Kết luận”

II NỘI DỤNG LUẬN VĂN

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY

1.1 Thế nào là điện toán đám mây?

1.1.1 Lịch sử ra đời, các tên gọi, so sánh với điện toán lưới:

1.1.2 Thế nào là điện toán đám mây?

Theo Wikipedia:

“Điện toán đám mây (cloud computing) là một mô hình điện toán có khả năng co giãn (scalable) linh động và các tài nguyên thường được ảo hóa được cung cấp như một dịch vụ trên mạng Internet”

Theo Gartner (http://www.buildingthecloud.co.uk/):

“Một mô hình điện toán nơi mà khả năng mở rộng và linh hoạt về công nghệ thông tin được cung cấp như một dịch vụ cho nhiều khách hàng đang sử dụng các công nghệ trên Internet”

Theo Ian Foster:

“Một mô hình điện toán phân tán có tính co giãn lớn mà hướng theo co giãn về mặt kinh tế, là nơi chứa các sức mạnh tính toán, kho lưu trữ, các nền tảng (platform) và các dịch vụ được trực quan, ảo hóa và co giãn linh động, sẽ được phân phối theo nhu cầu cho các khách hàng bên ngoài thông qua Internet”

1.2 Nguyên lý hoạt động:

Để hiểu cách thức hoạt động của “đám mây”, tưởng tượng rằng “đám mây” bao gồm

2 lớp: Lớp Back-end và lớp Front-end

1.3 Đặc điểm của điện toán đám mây:

Nhanh chóng cải thiện với người dùng

Chi phí được giảm đáng kể

Sự độc lập giữa thiết bị

Độ tin cậy cải thiện

Tính co giãn linh động

Bảo mật cải thiện nhờ vào tập trung hóa dữ liệu

1.4 Các ưu điểm và nhược điểm:

1.5 Các mô hình triển khai của điện toán đám mây:

1.5.1 Các đám mây công cộng- Public cloud:

Public cloud: là các dịch vụ đám mây được một bên thứ ba (người bán) cung cấp

Chúng tồn tại ngoài tường lửa công ty và chúng được lưu trữ đầy đủ và được nhà cung cấp đám mây quản lý

1.5.2 Các đám mây riêng- Private cloud:

Private cloud: là các dịch vụ đám mây được cung cấp trong doanh nghiệp Những

đám mây này tồn tại bên trong tường lửa công ty và chúng được doanh nghiệp quản lý

1.5.3 Các đám mây lai- Hybrid cloud:

Hybrid cloud: là một sự kết hợp của các đám mây công cộng và đám mây riêng

Những đám mây này thường do doanh nghiệp tạo ra và các trách nhiệm quản lý sẽ được phân chia giữa doanh nghiệp và nhà cung cấp đám mây công cộng

1.5.4 Các đám mây cộng đồng- Community Cloud:

Community Cloud: là các đám mây được chia sẻ bởi một số tổ chức và hỗ trợ một cộng

đồng cụ thể có mối quan tâm chung (ví dụ: chung sứ mệnh, yêu cầu an ninh, chính sách…)

Nó có thể được quản lý bởi các tổ chức hoặc một bên thứ ba

1.6 Các giải pháp của điện toán đám mây:

Cloud Computing ra đời để giải quyết các vấn đề sau:

1.6.1 Vấn đề về lưu trữ dữ liệu:

1.6.2 Vấn đề về sức mạnh tính toán:

1.6.3 Vấn đề về cung cấp tài nguyên, phần mềm:

1.7 Tính bảo mật trong điện toán đám mây:

1.7.1 Mục tiêu bảo mật thông tin đám mây:

SaaS (Software as a Service): tiếng Việt tạm dịch là “phần mềm dịch vụ” Theo định

nghĩa của hãng nghiên cứu toàn cầu IDC SaaS là “phần mềm hoạt động trên web, được

quản lý bởi nhà cung cấp và cho phép người sử dụng truy cập từ xa”

2.1.2 Các ưu điểm và nhược điểm:

2.1.2.1 Ưu điểm:

 Tiết kiệm tiền do không phải mua các máy chủ hoặc phần mềm khác để hỗ trợ

sử dụng, tất cả mọi thứ đều được sử dụng thông qua trình duyệt

 Tập trung ngân sách vào lợi thế cạnh tranh hơn là cơ sở hạ tầng

 Khách hàng của các ứng dụng SaaS không cần lo lắng về việc cập nhật các bản vá lỗi hay nâng cấp phần mềm bởi vì điều này đã được thực hiện bởi các nhà cung cấp dịch vụ

 Cho phép nhiều người dùng cùng lúc

 Tính linh hoạt và khả năng mở rộng cao

 Dễ sử dụng

 Đối với nhà cung cấp, họ chỉ phải duy trì một ứng dụng chung cho nhiều đơn

vị nên chi phí rẻ hơn so với kiểu hosting truyền thống

 Cách tiếp cận trước đây của SaaS là ASP (Application Service Provider) Các ASP cung cấp các thuê bao đối với phần mềm được lưu trữ và phân phối trên mạng ASP tính phí theo thời gian sử dụng Do đó bạn không phải mua phần mềm mà chỉ thuê nó khi cần

Hình 2.3: Kiến trúc SaaS

Cấp 1: Custom nơi mỗi khách hàng làm chủ phiên bản riêng của ứng dụng

Cấp 2: Configurable cung cấp sự linh hoạt cấu hình thông qua metadata

Cấp 3: Configurable, Multi-Tenant-Efficient cung cấp một chương trình duy nhất để

phục vụ cho hàng ngàn, hàng vạn khách hàng cùng 1 lúc

Cấp 4: Scalable, Configurable, Multi-Tenant-Efficient: cung cấp hiệu quả một kiến

trúc đa tầng để cho phép khả năng mở rộng giữa các máy chủ

2.1.6 Giải pháp tiết kiệm chi phí cho các doanh nghiệp:

2.1.7 Những lợi ích khác mà SaaS mang lại:

2.1.8 Mức độ tin cậy của phần mềm dịch vụ SaaS:

2.2 Cơ sở hạ tầng như một dịch vụ( IaaS: Infrastructure as a Service)

Những nhà cung cấp cơ sở hạ tầng quản lý một tập hợp lớn các tài nguyên tính toán như các bộ lưu trữ hay bộ xử lý Thông qua các công nghê ảo hóa, các tài nguyên này có thể được chia nhỏ, gán hay thay đổi kích thước một cách linh động để xây dựng một hệ thống

theo kiểu ad – hoc tùy thuộc vào nhu cầu của khách hàng, mà ở đây là các nhà cung cấp

dịch vụ

IaaS sử dụng nhiều công nghệ mới, dịch vụ và đầu tư trung tâm dữ liệu để cung cấp

IT như một dịch vụ cho khách hàng, tập trung xung quanh mô hình cung cấp dịch vụ mà quy định một tiêu chuẩn được xác định trước cơ sở hạ tầng đặc biệt tối ưu cho các ứng dụng của khách hàng

2.2.1 Hiện đại theo yêu cầu điện toán:

2.2.2 Đám mây của Amazon’s Elastic:

 Amazon EC2 là một môi trường điện toán ảo, cho phép khách hàng sử dụng một giao diện web và quản lý các dịch vụ cần thiết để khởi động một hoặc nhiều trường hợp của một loạt các hệ điều hành

 Để sử dụng Amazon EC2, trước tiên khách hàng cần tạo một Amazon Machine Image (AMI)

 Amazon EC2 cung cấp việc sử dụng các hình ảnh được cấu hình với các mẫu sẵn để người sử dụng có thể nhận và chạy ngay lập tức

2.2.3 Sử dụng Amazon EC2 để chạy các ứng dụng:

2.2.4 Đặc điểm dịch vụ Amazon EC2:

Có một vài đặc điểm của dịch vụ EC2 cung cấp những lợi ích đáng kể cho doanh nghiệp Trước hết, Amazon EC2 cung cấp những tài nguyên quan trọng Vì quy mô lớn của Amazon và nó có một lượng khách hàng lớn Nó là một sự thay thế kinh tế, rẻ hơn nhiều so với một số giải pháp khác Chi phí phát sinh để thiết lập và chạy một hệ điều hành được chia

sẻ cho nhiều khách hàng, làm cho tổng chi phí của mỗi khách hàng đều trở nên rẻ hơn

Khách hàng chỉ phải trả một tỷ lệ rất thấp cho các tính năng mà họ thực sự tiêu thụ

Vấn đề an ninh cũng được cung cấp thông qua ứng dụng web Amazon EC2 Điều này cho phép người dùng cài đặt tường lửa để kiểm soát việc truy cập mạng giữa các nhóm trường Amazon EC2 cung cấp một môi trường có độ tin cậy cao mà trường hợp thay thế có thể nhanh chóng được cấp quyền

2.2.4.1 Khả năng nâng cao tính năng động

2.2.4.2 Khả năng kiểm soát các trường hợp

2.2.4.3 Cấu hình linh hoạt:

2.2.4.4 Tích hợp với các ứng dụng web Amazon khác:

2.2.4.5 Khả năng phục hồi và hiệu suất đáng tin cậy:

2.3 Nền tảng như một dịch vụ ( PaaS: Platform as a Serivice):

Các hệ thống đám mây thay vì chỉ cung cấp cơ sở hạ tầng như một dịch vụ, nó còn có thể đưa ra thêm một tầng trừu tượng hóa để cung cấp nền tảng phần mềm cần thiết cho các

hệ thống có thể thực thi được Kích thước của tài nguyên phần cứng tùy thuộc vào yêu cầu của các dịch vụ cần thực thi và được tạo ra một cách trong suốt Có thể nói rằng PaaS là một

sự phát triển tuyệt vời của mô hình phân phối ứng dụng SaaS

Mô hình PaaS làm cho tất cả các phương tiện cần thiết để hỗ trợ hoàn thiện vòng đời của việc xây dựng và chuyển giao ứng dụng web và dịch vụ hoàn toàn có sẵn từ Internet, tất cả đều không tải phần mềm hoặc cài đặt cho nhà phát triển, quản lý công nghệ thông tin hoặc người sử dụng đầu cuối

2.3.1 Mô hình On- Premises truyền thống:

2.3.2 Mô hình đám mây kiểm mới:

2.3.3 Các đặc điểm chính của PaaS:

2.4 So sánh dịch vụ SaaS, PaaS và IaaS:

Để có thể hiểu rõ hơn về các dịch vụ SaaS, PaaS và IaaS trên nền Cloud Computing,

chúng ta có bảng so sánh về các dịch vụ này:

Hình 2.6 : Bảng so sánh các dịch vụ SaaS, PaaS và IaaS 2.5 Các dịch vụ khác trên nền của Cloud Computing bao gồm:

2.5.1 Điện toán theo yêu cầu- Utility Computing:

2.5.2 Dịch vụ web- Web service:

2.5.3 Dịch vụ quản lý- MSP - Managed Service Provider:

2.5.4 Điện toán tích hợp- Internet integration:

CHƯƠNG III: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH ẢO HÓA TRONG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY

3.1 Công nghệ ảo hóa:

3.1.1 Ảo hóa là gì?

Ảo hoá là công nghệ tiên tiến nhất trong một loạt các cuộc cách mạng công nghệ nhằm tăng mức độ ảo hóa hệ thống cho phép tăng hiệu suất làm việc của máy tính lên một cấp độ chưa từng có

Ảo hóa hệ thống máy chủ tức là ta tiến hành phân chia một server thành nhiều server

ảo hoặc kết hợp nhiều máy chủ vật lý thành một máy chủ logic, đối với người sử dụng họ nhận biết và sử dụng các server ảo giống như một máy vật lý độc lập có đủ các tài nguyên cần thiết (bộ vi xử lý, bộ nhớ, kết nối mạng, …), trong khi các server ảo không hề có những tài nguyên độc lập như vậy, nó chỉ sử dụng tài nguyên được gán từ máy chủ vật lý Ở đây, bản chất thứ nhất là các server ảo sử dụng tài nguyên của máy chủ vật lý, bản chất thứ hai là các server ảo có thể hoạt động như một server vật lý độc lập

3.1.2 Lợi ích của việc ảo hóa:

Thông thường việc đầu tư cho một trung tâm công nghệ thông tin là rất tốn kém Chi phí đầu tư mua các máy chủ cấu hình mạnh và các phần mềm bản quyền là rất đắt đỏ Trong thời buổi kinh tế khó khăn hiện nay doanh nghiệp nào cũng muốn cắt giảm và hạn chế tối đa các chi phí không cần thiết mà vẫn đáp ứng được năng suất và tính ổn định của hệ thống Thế nên việc ứng dụng ảo hóa trở thành nhu cầu cần thiết của bất kì doanh nghiệp lớn hay nhỏ Thay vì mua mười máy chủ cho mười ứng dụng thì chỉ cần mua một hoặc hai máy chủ

có hỗ trợ ảo hóa thì vẫn có thể chạy tốt mười ứng dụng trên Điều này cho ta thấy sự khác biệt giữa hệ thống ảo hóa và không ảo hóa Bên cạnh đó việc ứng dụng ảo hóa còn đem lại những lợi ích sau đây

Quản lý đơn giản:

Triển khai nhanh:

Phục hồi và lưu trữ hệ thống nhanh:

Cân bằng tải và phân phối tài nguyên linh hoạt:

Tiết kiệm:

Ảo hóa góp phần tăng cường tính liên tục:

3.1.3 Kiến trúc ảo hóa:

Xét về kiến trúc hệ thống, các kiến trúc ảo hóa hệ thống máy chủ có thể ở các dạng

dạng chính là: Host-based, Hypervisor-based (còn gọi là bare-metal hypervisor, nó được chia nhỏ ra làm hai loại là Monothic Hypervisor và Microkernel Hypervisor), Hybrid Ngoài