Báo cáo chuyên Đề môn học “công nghệ Điện toán Đám mây

Kiến trúc điện toán đám mây phần back-end: Kiến trúc đám mây phần back-end được sử dụng bởi nhà cung cấp dịch vụ đám mây, người chịu trách nhiệm và kiểm soát tất cả các tài nguyên cần th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ MÔN HỌC

“Công nghệ điện toán đám mây”

ĐỀ T%I:

………

……….Giảng viên hướng dẫn :

Sinh viên thực hiện :

PHIẾU CHẤM ĐIỂM

Các sinh viên thực hiện:

STT Họ và tên sinh viên

MỤC LỤC

**Lời mở đầu**

- Giới thiệu về tầm quan trọng của các mô hình điện toán

- Mục tiêu của báo cáo

Chương 1: Tổng quan về các mô hình điện toán**

- 1.1 Điện toán đám mây

- 1.1.1 Lịch sử hình thành

- 1.1.2 Định nghĩa và khái niệm cơ bản

- 1.1.3 Kiến trúc và thành phần chính

- 1.1.4 Sơ lược các công nghệ ứng dụng trong điện toán đám mây:

- 1.1.5 Các loại hình dịch vụ (IaaS, PaaS, SaaS)

- 1.2 Điện toán lưới

- 1.3.4 Vai trò của IoT trong điện toán biên

Chương 2: So sánh các mô hình điện toán

- 2.1 Cấu trúc và kiến trúc

- 2.1.1 Sự khác biệt về cấu trúc hệ thống

- 2.1.2 Ưu điểm và nhược điểm của từng mô hình

- 2.2 Khả năng xử lý và lưu trữ dữ liệu

- 2.2.1 Hiệu suất và độ trễ

- 2.2.2 Tính linh hoạt và khả năng mở rộng

Chương 3: Tình hình ứng dụng tại Việt Nam và trên thế giới

- 3.1 Ứng dụng điện toán đám mây tại Việt Nam

- 3.2 Ứng dụng điện toán lưới tại Việt Nam

- 3.3 Ứng dụng điện toán biên tại Việt Nam

- 3.4 Xu hướng phát triển toàn cầu

Chương 4: Đề xuất và khuyến nghị

- 4.1 Lựa chọn mô hình phù hợp cho các doanh nghiệp

Hình 1 Cấu trúc điện toán đám mây

Hình 2 Qui tắc hoạt động của điện toán biênHình 3 Dự báo phát triển thị trường công nghệ đám mây

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

STT Ký hiệu chữ

viết tắt Chữ viết đầy đủ (Anh – Việt)

Giao diện đồ họa người dùng

Cơ sở hạ tầng như một dịch vụ

Internet vạn vật

Doanh nghiệp vừa và nhỏ

Nền tảng như một dịch vụ

Phần mềm như một dịch vụ7

8

LcI Md ĐeU

Chúng ta đang sống trong một thời đại mà công nghệ thôngtin và truyền thông không ngừng phát triển, mang lại nhữngthay đổi to lớn trong cách con người tương tác với thế giới xungquanh Trong bối cảnh này, các khái niệm về điện toán nhưđiện toán đám mây, điện toán lưới, và điện toán biên đã trở nên

vô cùng quan trọng, không chỉ trong lĩnh vực công nghệ mà còntrong nhiều lĩnh vực khác như y tế, giáo dục, kinh tế và nhiềungành công nghiệp khác

Điện toán đám mây (Cloud Computing), điện toán lưới (GridComputing), và điện toán biên (Edge Computing) là ba mô hìnhđiện toán nổi bật, mỗi mô hình đều có những đặc điểm, ưuđiểm và nhược điểm riêng Điện toán đám mây mang lại khảnăng lưu trữ và xử lý dữ liệu mạnh mẽ với tính linh hoạt cao,trong khi điện toán lưới tập trung vào việc tận dụng tài nguyêntính toán phân tán để giải quyết các bài toán phức tạp Điệntoán biên lại nổi bật với khả năng xử lý dữ liệu ngay tại nguồnphát sinh, giúp giảm độ trễ và tăng hiệu quả xử lý

Báo cáo này sẽ trình bày một cách chi tiết và so sánh cácđặc điểm chính của ba mô hình điện toán trên, từ cấu trúc cơbản, ưu và nhược điểm, đến các ứng dụng thực tiễn trong đờisống và kinh doanh Mục tiêu của báo cáo là giúp độc giả có cáinhìn tổng quan và sâu sắc hơn về các mô hình điện toán này, từ

đó có thể đưa ra những quyết định chiến lược phù hợp cho các

dự án công nghệ trong tương lai

2

Hình 1 Cấu trúc điện toán đám mây

Kiến trúc điện toán đám mâyphần front-end: Kiến trúc đám mâyphía giao diện được sử dụng bởi phía người dùng, bao gồm các ứng dụng và giao diện phía người dùng Các thành phần này cần thiết để truy cập các dịch vụ điện toán đám mây Nó cũng bao gồm các thành phần như mạng cục bộ, trình duyệt web (như Mozilla Firefox, Google Chrome, Internet Explorer, Opera, v.v.), thiết bị di động, và các ứng dụng web (như Gmail, Yahoo, v.v.) Kiến trúc phần front-end tương tác với phần back-end quamạng và gửi yêu cầu thông qua phần trung gian

7

Kiến trúc điện toán đám mây phần back-end: Kiến trúc đám mây phần back-end được sử dụng bởi nhà cung cấp dịch vụ đám mây, người chịu trách nhiệm và kiểm soát tất cả các tài nguyên cần thiết để cung cấp các dịch vụ đám mây Nó là một yếu tố quan trọng của kiến trúc điện toán đám mây tổng thể vì

nó tăng cường chức năng của phía giao diện và cũng bảo vệ dữ liệu trên đám mây Nó bao gồm dữ liệu lưu trữ khổng lồ, các môhình triển khai, máy ảo, ứng dụng, máy chủ, biện pháp bảo mật, v.v

Các thành phần của kiến trúc điện toán đám mây

1.Cơ sở hạ tầng khách hàng: Đây là một thành phần của kiến trúc điện toán đám mây phía giao diện cung cấp Giao diện Người dùng Đồ họa (GUI) để người dùng giao tiếp với đám mây

Nó bao gồm các ứng dụng và giao diện người dùng (như Gmail, Google Docs, Asana, v.v.) cần thiết cho các dịch vụ dựa trên đám mây

2.Tầng ứng dụng: Đây là một thành phần của kiến trúc điện toán đám mây phía back-end Nó có thể là bất kỳ phần mềm hoặc nền tảng nào mà người dùng muốn truy cập Nó cung cấp các dịch vụ ở phần back-end cho phép người dùng truy cập dữ liệu của họ theo các yêu cầu và nhu cầu

3.Tầng dịch vụ: Đây cũng là một thành phần của kiến trúc điệntoán đám mây phía hậu cần, quản lý mọi hoạt động diễn ra trênnền tảng điện toán đám mây Nó quản lý các loại dịch vụ khác nhau mà người dùng có thể truy cập dựa trên nhu cầu cụ thể của họ Có ba loại dịch vụ khác nhau trong điện toán đám mây:

- Phần mềm dưới dạng Dịch vụ (SaaS): SaaS là dịch vụ ứng dụng đám mây Nó chạy trực tiếp qua trình duyệt web; do đó, không cần cài đặt và tải xuống ứng dụng

- Ví dụ: Dropbox, Google Apps, Slack, Hubspot, v.v

- Nền tảng dưới dạng Dịch vụ (PaaS): PaaS là dịch vụ nền tảng đám mây Nó cung cấp cho các nhà phát triển một nền tảng để tạo, triển khai, và quản lý các ứng dụng mà không phải lo lắng

về hạ tầng cơ sở bên dưới Nó cung cấp môi trường phát triển

8

sẵn có, bao gồm các công cụ, thư viện, và thời gian chạy, đơn giản hóa việc phát triển và triển khai ứng dụng.

- Ví dụ: Google App Engine, AWS Elastic Beanstalk, v.v

- Hạ tầng dưới dạng Dịch vụ (IaaS): IaaS là dịch vụ hạ tầng đámmây Đây là một thành phần thiết yếu của kiến trúc đám mây quản lý dữ liệu ứng dụng, môi trường runtime, và phần trung gian

- Ví dụ: Amazon EC2, Google Compute Engine, v.v

4 Tầng runtime cloud: Nó cung cấp môi trường cho các máy ảo

để thực thi và chạy các chương trình đồng thời Nói cách khác,

nó hoạt động giống như một hệ điều hành dựa trên đám mây sửdụng các công nghệ ảo hóa để thực thi các dịch vụ, cho phép nhiều runtime trên cùng một máy chủ

5.Tầng lưu trữ: Đây là một thành phần quan trọng của kiến trúcphía back-end cung cấp các dịch vụ lưu trữ đám mây linh hoạt

và có khả năng mở rộng Các dịch vụ này được sử dụng để lưu trữ và quản lý dữ liệu Nhiều người dùng có thể truy cập dữ liệu đồng thời trong hệ thống lưu trữ đám mây

- Ví dụ: Lưu trữ Microsoft Azure, Amazon S3, Lưu trữ đám mây Oracle, v.v

6.Tầng cơ sở hạ tầng: Đây cũng là một thành phần của kiến trúc phía back-end cung cấp các dịch vụ ở ba cấp độ: máy chủ, mạng và ứng dụng Nó bao gồm các thành phần phần mềm và phần cứng như thiết bị mạng, lưu trữ, máy chủ, ảo hóa, và các tài nguyên khác

7.Tầng quản lý: Đây cũng là một thành phần của kiến trúc phía back-end giúp quản lý các thành phần phía back-end, bao gồm dịch vụ, ứng dụng, lưu trữ, đám mây runtime, hạ tầng đám mây, và các vấn đề liên quan đến bảo mật khác Nó thiết lập sựphối hợp giữa phía giao diện và phía hậu cần và đồng thời thực hiện nhiều chức năng môi trường đám mây

8.Tầng bảo mật: Đây là một thành phần không thể thiếu và quan trọng ở cả phía front-end và phía back-end của kiến trúc điện toán đám mây Nó cho phép các tường lửa ảo, là các thànhphần cần thiết của bảo mật đám mây để ngăn ngừa mất dữ

9

liệu Nó thực hiện các biện pháp bảo mật khác nhau ở phía hậu cần để bảo vệ hệ thống đám mây, ứng dụng, IP, tệp, hạ tầng, dịch vụ, và tài nguyên.

9 Internet: Nó hoạt động như một phương tiện hoặc cầu nối cho phép kết nối các thành phần phía giao diện và phía hậu cần

để chúng có thể tương tác và giao tiếp với nhau

- 1.1.3 Sơ lược các công nghệ ứng dụng trong điện toán đám mây:

Công nghệ ảo hoá

Công nghệ ảo hóa (virtualization) là công nghệ quan trọng nhấtứng dụng trong điện toán đám mây Công nghệ ảo hóa là công nghệ cho phép tạo ra các thực thể ảo có tính năng tương đươngnhư các thực thể vật lý, ví dụ như thiết bị lưu trữ, bộ vi xử lý,…

Ảo hóa phần cứng (hardware virtualization) tham chiếu tới việc tạo ra các máy ảo (virtual machine) mà hoạt động với hệ điều hành được cài đặt như một máy tính vật lý thực Ví dụ, một máy ảo chạy hệ điều hành Ubuntu có thể được tạo ra trên một máy tính thực cài hệ điều hành Windows

Ảo hoà phần cứng cho phép chia nhỏ tài nguyên vật lý để tối ưuhóa hiệu năng sử dụng Điều này được thể hiện qua việc có thể khởi tạo nhiều máy ảo với năng lực tính toán và năng lực lưu trữ

bé hơn trên duy nhất một máy chủ vật lý Máy chủ vật lý được gọi là host machine còn máy ảo (virtual machine ) được gọi là máy khách (guest machine) Khái niệm "host" và "guest" được

sử dụng để phân biệt phần mềm chạy trên máy tính vật lý hay phần mềm chạy trên máy ảo Phần mềm hay firmware tạo máy

ảo được gọi là hypervisor hay virtual machine manager

Thông thường việc đầu tư cho một trung tâm công nghệ thông tin rất tốn kém Chi phí mua các máy chủ cấu hình mạnh và cácphần mềm bản quyền là rất đắt Doanh nghiệp luôn luôn muốn cắt giảm và hạn chế tối đa các chi phí không cần thiết trong khivẫn đáp ứng được năng suất và tính ổn định của hệ thống Vậy nên việc ứng dụng ảo hóa trở thành nhu cầu cần thiết của bất

kỳ doanh nghiệp nào dù lớn hay nhỏ Thay vì mua 10 máy chủ cho 10 ứng dụng thì chỉ cần mua 1 hoặc 2 máy chủ có hỗ trợ ảohóa cũng vẫn có thể chạy tốt 10 ứng dụng này Điều này cho 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:

10

– 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 chi phí;

– Ảo hóa góp phần tăng cường tính liên tục, hạn chế ngắt quãng

Công nghệ tự động hóa gi|m s|t điều phối tài nguyên (automation, dynamic dynamic orchestration)

Công nghệ giám sát điều phối tài nguyên động là nền tảng để điện toán đám mây thực hiện cam kết chất lượng cung cấp dịch

vụ điện toán Với công nghệ điều phối tài nguyên động, việc lắpđặt thêm hay giảm bớt các tài nguyên máy chủ vật lý hoặc máychủ lưu trữ dữ liệu được thực hiện tự động để hệ thống điện toán luôn đáp ứng được giao kèo trong hợp đồng dịch vụ đã ký với bên người sử dụng

Công nghệ tính toán phân tán, hệ phân tán

Điện toán đám mây là một dạng hệ phân tán xuất phát từ yêu cầu cung ứng dịch vụ cho lượng người sử dụng khổng lồ Tài nguyên tính toán của điện toán đám mây là tổng thể kết hợp của hạ tầng mạng và hàng nghìn máy chủ vật lý phân tán trên một hay nhiều trung tâm dữ liệu số (data centers)

Công nghệ Web 2.0

Web 2.0 là nền tảng công nghệ phát triển các sản phẩm ứng dụng hướng dịch vụ trên nền điện toán đám mây Công nghệ Web 2.0 phát triển cho phép phát triển giao diện ứng dụng web

dễ dàng và nhanh chóng và trên nhiều thiết bị giao diện khác nhau Web 2.0 phát triển làm xóa đi khoảng cách về thiết kế giao diện giữa ứng dụng máy tính thông thường và ứng dụng trên nền web, cho phép chuyển hóa ứng dụng qua dịch vụ trên nền điện toán đám mây mà không ảnh hưởng đến thói quen người sử dụng

- 1.1.4 Các loại hình dịch vụ (IaaS, PaaS, SaaS)

11

Điện toán đám mây có ba mô hình cung cấp dịch vụ, tùy theo các đối tượng khách hàng như sau:

Infrastructure as a Service – Dịch vụ hạ tầng: Mô hình dịch vụ này cung cấp cho khách hàng tài nguyên xử lý, lưu trữ, mạng

và các tài nguyên máy tính cơ bản khác Từ đó, khách hàng có thể triển khai và chạy phần mềm tùy ý, bao gồm hệ điều hành

và các ứng dụng Khách hàng không quản lý hoặc kiểm soát các cơ sở hạ tầng điện toán đám mây nằm bên dưới, nhưng có kiểm soát hệ thống điều hành, lưu trữ và các ứng dụng được triển khai đồng thời kiểm soát có giới hạn của các thành phần mạng

Platform as a Service – Dịch vụ nền tảng: Mô hình dịch vụ này cung cấp cho khách hàng khả năng triển khai trên hạ tầng điện toán đám mây các ứng dụng của họ bằng việc sử dụng các ngôn ngữ lập trình, các thư viện, dịch vụ, công cụ được hỗ trợ

từ bên thứ ba Ng ười dùng không cần quản lý hoặc kiểm soát các cơ sở hạ tầng điện toán đám mây bên dưới như máy chủ

ảo, mạng, hệ điều hành, lưu trữ, nhưng có thể cấu hình cho môitrường chạy ứng dụng của họ

Software as a Service – Dịch vụ phần mềm: Mô hình dịch vụ nàycung cấp cho phép khách hàng sử dụng các dịch vụ phần mềm của nhà cung cấp ứng dụng được triển khai trên hạ tầng điện toán đám mây Các ứng dụng có thể truy cập từ các thiết bị khác nhau thông qua giao diện “mỏng” (thin client interface), chẳng hạn n hư một trình duyệt web (ví dụ như email trên web), hoặc qua giao diện của chương trình Khách hàng không quản lý hoặc kiểm soát cơ sở hạ tầng điện toán đám mây nằm bên dưới bao gồm mạng, máy chủ, hệ điều hành, lưu trữ,…, với ngoại lệ có thể thiết lập cấu hình ứng dụng hạn chế người sử dụng cụ thể

- 1.2 Điện toán lưới

- 1.2.1 Lịch sử ra đời ,định nghĩa và khái niệm cơ bản:

Thuật ngữ "điện toán lưới" xuất hiện vào đầu những năm 1990 như một phép ẩn dụ cho việc làm cho sức mạnh máy tính dễ tiếp cận như lưới điện Phép ẩn dụ lưới điện cho việc truy cập máy tính nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn khi Ian Foster và Carl Kesselman công bố tác phẩm nổi bật của họ, "The Grid:

12

Blueprint for a New Computing Infrastructure" (1999) Điều này được tiên phong hàng thập kỷ trước bởi phép ẩn dụ về điện toán tiện ích (1961): điện toán như một tiện ích công cộng, tương tự như hệ thống điện thoại.

CPU scavenging và điện toán tình nguyện được phổ biến bắt đầu từ năm 1997 bởi distributed.net và sau đó vào năm 1999 bởi SETI@home để tận dụng sức mạnh của các máy tính kết nốimạng trên toàn thế giới, nhằm giải quyết các vấn đề nghiên cứu đòi hỏi CPU cao

Những ý tưởng về lưới (bao gồm cả những ý tưởng từ điện toán phân tán, lập trình hướng đối tượng, và dịch vụ Web) đã được Ian Foster và Steve Tuecke của Đại học Chicago, cùng Carl Kesselman của Viện Khoa học Thông tin Đại học Nam California,tập hợp lại Bộ ba này, những người dẫn đầu nỗ lực tạo ra Globus Toolkit, được coi là "những người cha của điện toán lưới" Bộ công cụ này không chỉ tích hợp quản lý tính toán mà còn quản lý lưu trữ, cung cấp bảo mật, di chuyển dữ liệu, giám sát, và một bộ công cụ để phát triển các dịch vụ bổ sung dựa trên cùng một cơ sở hạ tầng, bao gồm đàm phán thỏa thuận, cơchế thông báo, dịch vụ kích hoạt, và tổng hợp thông tin Trong khi Globus Toolkit vẫn là tiêu chuẩn thực tế để xây dựng các giải pháp lưới, một số công cụ khác đã được tạo ra để đáp ứng một số dịch vụ cần thiết để tạo ra lưới doanh nghiệp hoặc toàn cầu

Vào năm 2007, thuật ngữ "điện toán đám mây" trở nên phổ biến, về mặt khái niệm tương tự với định nghĩa chuẩn của Foster về điện toán lưới (về việc tiêu thụ tài nguyên tính toán giống như điện từ lưới điện) và điện toán tiện ích trước đó

- 1.2.2 Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Điện toán lưới là việc sử dụng các tài nguyên máy tính phân tán rộng rãi để đạt được một mục tiêu chung Một lưới máy tính có thể được coi là một hệ thống phân tán với các khối công việc không tương tác liên quan đến nhiều tệp Điện toán lưới khác với các hệ thống tính toán hiệu suất cao truyền thống như điện toán cụm ở chỗ mỗi nút trong lưới được thiết lập để thực hiện một nhiệm vụ/ứng dụng khác nhau Các máy tính lưới cũng có xu hướng đa dạng hơn và phân tán địa lý hơn (do đó không được liên kết vật lý) so với các máy tính cụm Mặc dù một lưới có thể được dành riêng cho một ứng dụng cụ thể, nhưng

13

thường thì lưới được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau Các lưới thường được xây dựng với các thư viện phần mềm trung gian lưới đa mục đích Kích thước lưới có thể rất lớn.

Các lưới là một dạng điện toán phân tán, gồm nhiều máy tính kết nối mạng lỏnglẻo hoạt động cùng nhau để thực hiện các tác vụ lớn Đối với một số ứng dụng, điện toán phân tán hoặc điện toán lưới có thể được xem là một loại điện toán song song đặc biệt dựa vào các máy tính hoàn chỉnh (với CPU, lưu trữ, nguồn điện, giao diện mạng, v.v.) kết nối với mạng máy tính (riêng hoặc công cộng) qua một giao diện mạng thông thường, chẳng hạn như Ethernet Điều này trái ngược với khái niệm truyền thống về siêu máy tính, với nhiều bộ xử lý kết nối qua bus máy tính tốc độ cao cục bộ Công nghệ này đã được áp dụng vào các vấn đề khoa học, toán học, và học thuật yêu cầu tính toán cao thông qua điện toán tình nguyện, và được sử dụng trong các doanh nghiệp thương mại cho các ứng dụng đa dạng như phát hiện thuốc, dự báo kinh tế, phân tích địa chấn, và xử

lý dữ liệu văn phòng hỗ trợ cho thương mại điện tử và dịch vụ web

Điện toán lưới kết hợp các máy tính từ nhiều miền quản lý để đạt được một mụctiêu chung, giải quyết một nhiệm vụ đơn lẻ, và có thể biến mất nhanh chóng Kích thước của một lưới có thể thay đổi từ nhỏ—giới hạn trong một mạng lưới các máy trạm máy tính trong một công ty, chẳng hạn—đến lớn, là các hợp tác công cộng giữa nhiều công ty và mạng lưới “Khái niệm về lưới giới hạn có thể được biết đến như là sự hợp tác giữa các nút trong khi khái niệm về lưới lớn, rộng hơn có thể được gọi là sự hợp tác giữa các nút”

Phối hợp các ứng dụng trên lưới có thể là một nhiệm vụ phức tạp, đặc biệt là khiphối hợp luồng thông tin qua các tài nguyên tính toán phân tán Các hệ thống luồng công việc lưới đã được phát triển như một dạng chuyên biệt của hệ thống quản lý luồng công việc được thiết kế đặc biệt để soạn thảo và thực thi một loạt các bước tính toán hoặc thao tác dữ liệu, hoặc một luồng công việc, trong ngữ cảnh lưới

“Điện toán lưới” nói chung là một loại điện toán song song đặc biệt dựa vào các máy tính hoàn chỉnh (với CPU, lưu trữ, nguồn điện, giao diện mạng, v.v.) được kết nối với một mạng (riêng, công cộng hoặc Internet) qua một giao diện mạng thông thường tạo ra phần cứng phổ thông, so với hiệu suất thấp hơn của việc thiết kế và xây dựng một số lượng nhỏ các siêu máy tính tùy chỉnh Nhược điểm hiệu suất chính là các bộ xử lý và khu vực lưu trữ cục bộ khác nhau không có kết nối tốc độ cao

14

Do đó, sắp xếp này phù hợp với các ứng dụng trong đó nhiều tính toán song song có thể diễn ra độc lập mà không cần giao tiếp kết quả trung gian giữa các bộ xử lý Khả năng mở rộng cao cấp của các lưới phân tán địa lý thường là thuận lợi, do nhu cầu kết nối thấp giữa các nút so với khả năng của Internet côngcộng.

- 1.2.3 Kiến trúc và thành phần chính

Đối với điện toán lưới, một mạng lưới các máy tính hoạt động cùng nhau để thực hiện cùng một tác vụ Sau đây là các thành phần của mạng điện toán lưới

Nút

Các máy tính hoặc máy chủ trên mạng điện toán lưới được gọi

là các nút Mỗi nút cung cấp các tài nguyên điện toán chưa sử dụng cho mạng lưới như CPU, bộ nhớ và kho lưu trữ Đồng thời, bạn cũng có thể sử dụng các nút để thực hiện các tác vụ không liên quan khác Không có giới hạn về số lượng nút trong điện toán lưới Có ba loại nút chính: nút điều khiển, nút nhà cung cấp và nút người dung

Nút người dùng là một máy tính yêu cầu tài nguyên được chia

sẻ với các máy tính khác trong hệ thống điện toán lưới Khi nút người dùng yêu cầu tài nguyên bổ sung, yêu cầu sẽ đi qua phầnmềm trung gian và được chuyển đến các nút khác trên hệ thống điện toán lưới

Trong điện toán lưới, các nút thường có thể chuyển đổi giữa vai trò của người dùng và nhà cung cấp

Nút nhà cung cấp là một máy tính chia sẻ tài nguyên của nó cho điện toán lưới Khi các máy nhà cung cấp nhận được yêu cầu tài nguyên, chúng sẽ thực hiện các tác vụ con cho các nút người dùng, chẳng hạn như dự báo giá cổ phiếu cho các thị trường khác nhau Vào cuối quá trình, phần mềm trung gian thuthập và tổng hợp tất cả các kết quả để tạo một dự báo toàn cầu

Nút điều khiển quản lý mạng và quản lý việc phân bổ tài nguyên điện toán lưới Phần mềm trung gian chạy trên nút điềukhiển Khi nút người dùng yêu cầu một tài nguyên, phần mềm trung gian sẽ kiểm tra các tài nguyên có sẵn và giao tác vụ cho một nút nhà cung cấp cụ thể

15

Phần mềm trung gian lưới

Phần mềm trung gian lưới là một ứng dụng phần mềm chuyên dụng kết nối tài nguyên điện toán của các thao tác trên lưới với các ứng dụng cấp cao Ví dụ: phần mềm này xử lý yêu cầu của bạn về việc bổ sung sức mạnh xử lý từ hệ thống điện toán lưới.“

Nó kiểm soát người dùng chia sẻ các tài nguyên có sẵn để tránhlàm quá tải các máy tính trên lưới Phần mềm trung gian lưới cũng đảm bảo tính bảo mật để ngăn chặn việc lạm dụng tài nguyên trong điện toán lưới

Kiến trúc điện toán lưới

Kiến trúc điện toán lưới thể hiện cấu trúc bên trong của các máy tính trên lưới Các lớp sau đây hiện diện rộng rãi trong mộtnút lưới:

1 Lớp trên cùng bao gồm các ứng dụng cấp cao, chẳng hạn như ứng dụng thực hiện mô hình dự đoán

2 Lớp thứ hai, còn được gọi là phần mềm trung gian, quản lý

và phân bổ tài nguyên do các ứng dụng yêu cầu

3 Lớp thứ ba bao gồm các tài nguyên máy tính có sẵn như CPU, bộ nhớ và kho lưu trữ

4 Lớp dưới cùng cho phép máy tính kết nối với mạng điện toán lưới.“

- 1.2.4 Các ứng dụng phổ biến:

Dịch vụ tài chính

Các tổ chức tài chính chủ yếu sử dụng điện toán lưới để giải quyết các vấn đề liên quan đến quản lý rủi ro Bằng cách khai thác sức mạnh điện toán kết hợp trong lưới, họ có thể rút ngắn thời gian dự báo những thay đổi của danh mục đầu tư trong cácthị trường đầy biến động

máy Điều này giúp các nhà lập trình trò chơi hoàn thành thời gian quay vòng nhanh hơn.“

Giải trí

Một số bộ phim có các hiệu ứng đặc biệt phức tạp cần có một máy tính mạnh mẽ để tạo ra Các nhà thiết kế hiệu ứng đặc biệt sử dụng điện toán lưới để đẩy nhanh tiến độ sản xuất Họ

có phần mềm hỗ trợ lưới chia sẻ tài nguyên điện toán để kết xuất các hiệu ứng đồ họa đặc biệt

Ngành kỹ thuật

Các kỹ sư sử dụng điện toán lưới để thực hiện mô phỏng, tạo

mô hình và phân tích thiết kế Họ chạy đồng thời các ứng dụng chuyên biệt trên nhiều máy để xử lý một lượng lớn dữ liệu Ví dụ: các kỹ sư sử dụng điện toán lưới để giảm thời gian chạy củamột mô phỏng Monte Carlo, một quy trình phần mềm sử dụng

dữ liệu trong quá khứ để đưa ra các dự đoán trong tương lai.“

- 1.3 Điện toán biên

- 1.3.1 Lịch sử hình thành

Điện toán biên là một mô hình điện toán phân tán đưa việc tính toán và lưu trữ dữ liệu đến gần hơn với các nguồn dữ liệu Điều này thường làm cho các ứng dụng nhanh hơn Rộng hơn, nó đề cập đến bất kỳ thiết kế nào đẩy việc tính toán về mặt vật lý gầnhơn với người dùng, nhằm giảm độ trễ so với khi một ứng dụng chạy trên một trung tâm dữ liệu duy nhất

Thuật ngữ này bắt đầu được sử dụng vào những năm 1990 để

mô tả các mạng phân phối nội dung—chúng được sử dụng để cung cấp nội dung trang web và video từ các máy chủ nằm gầnngười dùng Vào đầu những năm 2000, các hệ thống này mở rộng phạm vi của mình để lưu trữ các ứng dụng khác, dẫn đến các dịch vụ điện toán biên ban đầu Các dịch vụ này có thể thựchiện các công việc như tìm đại lý, quản lý giỏ hàng, thu thập dữliệu thời gian thực và đặt quảng cáo

Internet của vạn vật (IoT), nơi các thiết bị được kết nối với Internet, thường được liên kết với điện toán biên Tuy nhiên,

17

điều quan trọng là hiểu rằng điện toán biên và IoT không phải

là cùng một thứ

- 1.3.2 Định nghĩa và khái niệm cơ bản:

Điện toán biên liên quan đến việc chạy các chương trình máy tính cung cấp phản hồi nhanh gần nơi các yêu cầu được thực hiện Karim Arabi, trong một bài phát biểu quan trọng tại IEEE DAC 2014 và sau đó tại một Hội thảo MIT MTL vào năm 2015,

đã mô tả điện toán biên là việc tính toán diễn ra bên ngoài đámmây, tại rìa của mạng, đặc biệt đối với các ứng dụng cần xử lý

dữ liệu ngay lập tức Không giống như các trung tâm dữ liệu, các môi trường điện toán biên không phải lúc nào cũng được kiểm soát khí hậu, mặc dù yêu cầu sức mạnh xử lý đáng kể.Điện toán biên thường được đánh đồng với điện toán sương mù,đặc biệt trong các thiết lập nhỏ hơn Tuy nhiên, trong các triển khai lớn hơn, như các thành phố thông minh, điện toán sương

mù phục vụ như một lớp riêng biệt giữa điện toán biên và điện toán đám mây, với mỗi lớp có trách nhiệm riêng

Báo cáo "The State of the Edge" giải thích rằng điện toán biên tập trung vào các máy chủ nằm gần người dùng cuối Alex Reznik, Chủ tịch ủy ban tiêu chuẩn ETSI MEC ISG, định nghĩa 'biên' một cách lỏng lẻo là bất cứ thứ gì không phải là một trung tâm dữ liệu truyền thống

Trong trò chơi trên đám mây, các nút biên, được gọi là

"gamelets," thường nằm trong một hoặc hai bước mạng từ máy khách, đảm bảo thời gian phản hồi nhanh cho các trò chơi thời gian thực

Điện toán biên có thể sử dụng công nghệ ảo hóa để đơn giản hóa việc triển khai và quản lý các ứng dụng khác nhau trên các máy chủ biên

18

Hình 2 Qui tắc hoạt động của điện toán biên

- 1.3.3 Kiến trúc và thành phần chính:

Điện toán biên là một kiến trúc công nghệ thông tin xử lý dữ liệu khách hàng tạirìa của mạng, tại điểm gần nhất có thể với nguồn dữ liệu Nó chuyển một số tài nguyên tính toán và lưu trữ từ trung tâm dữ liệu tập trung đến các điểm xử lý ngoại vi trong một hệ thống phân tán

Thay vì truyền dữ liệu chưa xử lý trực tiếp đến trung tâm dữ liệu để phân tích,

hệ thống thực hiện các tác vụ xử lý và phân tích gần với điểm gốc của dữ liệu Điểm này có thể là một cửa hàng, nhà máy, văn phòng chi nhánh, hoặc tiện ích thành phố thông minh

Do đó, điện toán biên giảm lưu lượng truyền tải về trung tâm dữ liệu tập trung, chỉ gửi kết quả cuối cùng của các khối công việc tính toán được thực hiện tại biên Trung tâm dữ liệu chính nhận được dữ liệu khả dụng, chẳng hạn như thôngtin kinh doanh, thông tin bảo trì, và các phản hồi thời gian thực khác mà các nhóm nhân viên có thể xem xét

Kiến trúc biên Internet của vạn vật

19

Việc áp dụng rộng rãi các triển khai Internet of Things (IoT) và sự gia tăng của các thiết bị IoT đã làm cho điện toán biên trở nên quan trọng hơn trong những năm gần đây Các mạng IoT phân tán và phức tạp đòi hỏi kiến trúc phù hợp để hoạt động đúng cách.

Đối với IoT, điện toán biên liên quan đến việc xử lý dữ liệu gần các thiết bị IoT thay vì gửi trực tiếp đến trung tâm dữ liệu đám mây hoặc tại chỗ

Kiến trúc IoT biên bao gồm toàn bộ mạng, bao gồm phần cứng điểm cuối (tức

là các thiết bị, cảm biến, bộ truyền động và các thiết bị khác) và một cổng IoT Cổng này cung cấp một trung tâm cho các liên lạc của mạng và thực hiện các chức năng mạng quan trọng như thu thập dữ liệu cảm biến, dịch các giao thức cảm biến và xử lý dữ liệu IoT trước khi chuyển tiếp đến mạng chính dựa trên đám mây hoặc tại chỗ

Ví dụ về triển khai IoT biên

Lấy ví dụ một văn phòng chi nhánh kết nối với mạng IoT Có thể có hàng ngàn thiết bị để giám sát tiếng ồn, ánh sáng, nhiệt độ và chất lượng không khí Điều này còn chưa kể đến các cảm biến an ninh khác nhau Có thể có các bộ truyền động phản ứng với những thay đổi mà các cảm biến này phát hiện—ví dụ, bằng cách bật hoặc tắt đèn, khóa cửa an ninh hoặc điều chỉnh điều hòa không khí dựatrên dữ liệu thời tiết Khi kết nối với mạng IoT, các cảm biến và bộ truyền động này có thể sử dụng các giao thức liên lạc khác nhau (tức là Bluetooth, Wi-Fi, MQTT, cổng nối tiếp, v.v.) khi kết nối với mạng IoT Mỗi thành phần có thể có

mô hình bảo mật hoặc quản lý khác nhau

Lợi ích của IoT biên

Việc triển khai mạng IoT biên giúp giảm độ trễ của hệ thống và tăng hiệu suất ứng dụng Nó cũng giúp giảm thiểu các nút thắt trong lưu lượng dữ liệu tại các điểm tích hợp trong toàn bộ mạng, giữa các điểm cuối IoT và các thành phần khác

Các thành phần chính của điện toán biên:

Quyền riêng tư và bảo mật:

Tính chất phân tán của mô hình này tạo ra sự thay đổi trong các biện pháp bảo mật được sử dụng trong điện toán đám mây.Trong điện toán biên, dữ liệu có thể di chuyển giữa các nút phân tán khác nhau được kết nối qua Internet và do đó đòi hỏi các cơ chế mã hóa đặc biệt độc lập với đám mây Các nút biên cũng có thể là các thiết bị hạn chế về tài nguyên, giới hạn sự lựa chọn về các phương pháp bảo mật Hơn nữa, cần có sự

20

chuyển đổi từ cơ sở hạ tầng tập trung từ trên xuống đến mô hình tin cậy phi tập trung Mặt khác, bằng cách giữ và xử lý dữ liệu tại biên, có thể tăng cường quyền riêng tư bằng cách giảm thiểu việc truyền tải thông tin nhạy cảm đến đám mây Hơn nữa, quyền sở hữu dữ liệu thu thập được chuyển từ nhà cung cấp dịch vụ sang người dùng cuối.

Khả năng mở rộng:

Khả năng mở rộng trong một mạng phân tán phải đối mặt với các vấn đề khác nhau Đầu tiên, nó phải xem xét sự không đồng nhất của các thiết bị, có các hạn chế về hiệu suất và nănglượng khác nhau, điều kiện động cao và độ tin cậy của các kết nối so với cơ sở hạ tầng mạnh mẽ hơn của các trung tâm dữ liệu đám mây Hơn nữa, các yêu cầu bảo mật có thể giới thiệu

độ trễ thêm trong giao tiếp giữa các nút, có thể làm chậm quá trình mở rộng Kỹ thuật lập lịch tiên tiến có thể tăng cường sử dụng hiệu quả tài nguyên biên và mở rộng máy chủ biên bằng cách chỉ định tài nguyên biên tối thiểu cho mỗi tác vụ được chuyển giao

Độ tin cậy:

Quản lý các tình huống dự phòng là rất quan trọng để duy trì dịch vụ Nếu một nút bị sập và không thể truy cập, người dùng vẫn nên có thể truy cập dịch vụ mà không bị gián đoạn Hơn nữa, hệ thống điện toán biên phải cung cấp các hành động để khôi phục từ sự cố và cảnh báo người dùng về sự cố đó Để đạt được điều này, mỗi thiết bị phải duy trì cấu trúc mạng của toàn

bộ hệ thống phân tán, để việc phát hiện lỗi và khôi phục trở nên dễ dàng Các yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến khía cạnh này là công nghệ kết nối đang sử dụng, có thể cung cấp các mức độ tin cậy khác nhau và độ chính xác của dữ liệu được sản xuất tại biên có thể không đáng tin cậy do các điều kiện môi trường cụ thể Ví dụ, một thiết bị điện toán biên, như trợ lý giọng nói, có thể tiếp tục cung cấp dịch vụ cho người dùng địa phương ngay cả khi dịch vụ đám mây hoặc kết nối internet bị gián đoạn

Tốc độ:

Điện toán biên mang các tài nguyên tính toán phân tích gần hơn với người dùng cuối và do đó có thể tăng khả năng phản

21

hồi và thông lượng của các ứng dụng Một nền tảng biên được thiết kế tốt sẽ vượt trội đáng kể so với hệ thống dựa trên đám mây truyền thống Một số ứng dụng yêu cầu thời gian phản hồi ngắn, làm cho điện toán biên trở thành lựa chọn khả thi hơn so với điện toán đám mây Các ví dụ bao gồm IoT đến lái xe tự hành, bất kỳ ứng dụng nào liên quan đến an toàn sức khỏe hoặc con người/công cộng, hoặc liên quan đến nhận thức của con người như nhận dạng khuôn mặt, mà thường mất khoảng 370-620 ms để thực hiện Điện toán biên có khả năng bắt chước tốc độ nhận thức của con người, điều này rất hữu ích trong các ứng dụng như thực tế tăng cường, nơi mà tai nghe nên nhận dạng người tại cùng thời điểm mà người đeo nhận ra.

Hiệu quả:

Do sự gần gũi của các tài nguyên phân tích với người dùng cuối,các công cụ phân tích tinh vi và các công cụ Trí tuệ nhân tạo cóthể chạy ở biên của hệ thống Sự đặt tại biên này giúp tăng cường hiệu quả hoạt động và mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống

Ngoài ra, việc sử dụng điện toán biên như một giai đoạn trung gian giữa các thiết bị khách hàng và mạng internet rộng lớn hơn dẫn đến các tiết kiệm hiệu quả có thể được minh họa qua

ví dụ sau: Một thiết bị khách hàng yêu cầu xử lý đòi hỏi tính toán cao trên các tệp video được thực hiện trên các máy chủ bên ngoài Bằng cách sử dụng các máy chủ nằm trong mạng biên cục bộ để thực hiện các tính toán đó, các tệp video chỉ cầnđược truyền trong mạng cục bộ Tránh truyền tải qua internet dẫn đến tiết kiệm băng thông đáng kể và do đó tăng hiệu quả Một ví dụ khác là nhận dạng giọng nói Nếu việc nhận dạng được thực hiện cục bộ, có thể gửi văn bản đã nhận dạng tới đám mây thay vì các bản ghi âm, giảm đáng kể lượng băng thông cần thiết

- 1.2.4 Các ứng dụng phổ biến

Các dịch vụ ứng dụng biên giảm thiểu khối lượng dữ liệu phải dichuyển, giảm lưu lượng và khoảng cách mà dữ liệu phải di chuyển Điều này cung cấp độ trễ thấp hơn và giảm chi phí truyền tải Việc chuyển giao tính toán cho các ứng dụng thời gian thực, chẳng hạn như các thuật toán nhận dạng khuôn mặt,

22

đã cho thấy sự cải thiện đáng kể trong thời gian phản hồi, như

đã được chứng minh trong các nghiên cứu ban đầu Các nghiên cứu tiếp theo cho thấy việc sử dụng các máy giàu tài nguyên gọi là cloudlet hoặc các trung tâm dữ liệu nhỏ gần người dùng

di động, cung cấp các dịch vụ thường thấy trong đám mây, đã cải thiện thời gian thực hiện khi một số tác vụ được chuyển giaocho nút biên Tuy nhiên, việc chuyển giao mọi tác vụ có thể dẫnđến chậm trễ do thời gian truyền tải giữa thiết bị và các nút, vì vậy tùy thuộc vào khối lượng công việc, có thể xác định một cấu hình tối ưu

Hệ thống lưới điện dựa trên IoT cho phép truyền thông của điện

và dữ liệu để giám sát và kiểm soát lưới điện, làm cho quản lý năng lượng hiệu quả hơn

Các ứng dụng nổi bật khác bao gồm ô tô kết nối, ô tô tự hành, thành phố thông minh, Công nghiệp 4.0, tự động hóa gia đình

và các hệ thống vệ tinh Lĩnh vực trí tuệ nhân tạo biên (edge AI)mới nổi thực hiện trí tuệ nhân tạo trong môi trường điện toán biên, trên thiết bị hoặc gần nơi dữ liệu được thu thập

Chương 2: So sánh các mô hình điện toán

23