Khóa luận tốt nghiệp công nghệ thông tin: nghiên cứu giải pháp nguồn mở openstack trong việc xây dựng hạ tầng %22điện to...
TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Máy vi tính đã trở thành một phần thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày, phục vụ cho nhiều hoạt động từ nghiên cứu, học tập đến giải trí Sự gia tăng trong việc sử dụng máy tính đồng nghĩa với nhu cầu về tài nguyên máy tính cũng tăng theo Để khai thác hiệu quả nguồn tài nguyên này, cần có một cơ sở hạ tầng vững chắc nhằm tránh các sự cố như hỏng hóc máy, lỗi phần mềm Trong khi các công ty lớn như Google và Microsoft có khả năng quản lý những vấn đề này, các doanh nghiệp nhỏ hơn có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng Điện toán đám mây đã xuất hiện như một giải pháp hiệu quả để giải quyết những thách thức này.
Điện toán đám mây (Cloud Computing) là khái niệm đưa dữ liệu, phần mềm và tính toán lên Internet, thay thế cho việc sử dụng máy PC và máy chủ riêng của doanh nghiệp Các “máy chủ ảo” trên mạng cung cấp dịch vụ giúp doanh nghiệp quản lý tài nguyên dễ dàng hơn, chỉ phải trả chi phí cho lượng dịch vụ sử dụng mà không cần đầu tư nhiều vào cơ sở hạ tầng Xu hướng này đặc biệt hữu ích cho các công ty vừa và nhỏ thiếu cơ sở hạ tầng mạng Điện toán đám mây không còn mới mẻ, bắt nguồn từ điện toán lưới (Grid Computing) và dịch vụ phần mềm (SaaS), với Oracle là một trong những nhà tiên phong Hiện nay, nhiều nhà cung cấp như Amazon, Google, và Microsoft đã phát triển và cung cấp dịch vụ này, được chấp nhận bởi nhiều người dùng cá nhân và các công ty lớn như General Electric, Ebay, và Coca-cola.
Trong những năm gần đây, Việt Nam cũng dần tiếp cận các dịch vụ đám mây
Việt Nam đã trở thành một trong những quốc gia tiên phong trong việc áp dụng điện toán đám mây (ĐTĐM) tại ASEAN, với sự khởi đầu từ IBM vào tháng 9/2008 Các doanh nghiệp nước ngoài như Microsoft và Intel, cùng với các nhà phát triển trong nước như FPT và Biaki, đã đóng góp vào sự phát triển này Mặc dù ĐTĐM đang thu hút sự quan tâm lớn, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết, bao gồm bảo mật, hệ thống lưu trữ, độ ổn định và nguy cơ thất thoát dữ liệu Khóa luận này sẽ trình bày các vấn đề cơ bản của ĐTĐM và đề xuất giải pháp xây dựng hệ thống ĐTĐM nguồn mở OpenStack, nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan về lợi ích và thách thức trong quá trình triển khai và phát triển công nghệ này.
LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Ngày nay, việc quản lý hiệu quả dữ liệu của công ty, đối tác và khách hàng là ưu tiên hàng đầu của các doanh nghiệp, gây không ít khó khăn cho các nhà quản lý Để quản lý nguồn dữ liệu này, ngoài việc đầu tư vào phần cứng, phần mềm và mạng, các công ty còn phải tính toán chi phí vận hành, bảo trì, sửa chữa và sao lưu dữ liệu Họ cũng cần xem xét khả năng mở rộng và nâng cấp thiết bị khi dữ liệu gia tăng, đồng thời kiểm soát bảo mật và đảm bảo tính sẵn sàng cao của dữ liệu.
Nếu có một nơi tin cậy giúp doanh nghiệp quản lý dữ liệu hiệu quả, họ sẽ không cần lo lắng về cơ sở hạ tầng và công nghệ, từ đó tập trung vào kinh doanh để đạt được hiệu quả và lợi nhuận cao hơn Mặc dù có nhiều nghiên cứu và sách về ĐTĐM, nhưng OpenStack, được phát hành lần đầu vào 21/10/2011, vẫn còn ít tài liệu nghiên cứu do cộng đồng nguồn mở chưa phát triển mạnh mẽ.
3 nghiên cứu, thảo luận và phát triển Openstack; mặt khác các công ty, doanh nghiệp còn khá e ngại đối với một công nghệ còn khá mới mẻ
Có thể nêu ra một đề tài về xây dựng hệ thống ĐTĐM sử dụng OpenStack như
ThS Dương Văn Nhân đã thực hiện nghiên cứu về việc "Tăng cường khả năng tiếp nhận người dùng cho ứng dụng phân tán trên nền Điện toán đám mây", trong đó nêu rõ các vấn đề quan trọng liên quan đến việc cải thiện hiệu suất và khả năng mở rộng của ứng dụng.
+ Các mô hình dịch vụ
+ Các mô hình triển khai
+ Tính năng nổi bật của ĐTĐM
+ Các thành phần của Openstack
+ Chức năng các thành phần
+ Xây dựng cơ sở hạ tầng ĐTĐM thực tế.
PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI
Khoa Công nghệ Thông tin trường Đại học Võ Trường Toản đang nghiên cứu một đề tài mới mẻ về hệ thống ĐTĐM trong thời gian ngắn Do hạn chế về trang thiết bị, khóa luận chỉ tập trung vào việc tìm hiểu, cài đặt và trình diễn một hệ thống ĐTĐM đơn giản Mục tiêu là đánh giá các ưu và nhược điểm của giải pháp xây dựng hệ thống ĐTĐM OpenStack.
- Hệ điều hành Ubuntu Server: cách cài đặt, cấu hình mạng, câu lệnh,
- Điện toán đám mây: lịch sử hình thành, định nghĩa, các đặc điểm, các mô hình dịch vụ, các mô hình triển khai,
- OpenStack: lịch sử hình thành, các thành phần chính, chức năng các thành phần, cộng đồng phát triển,
Tạo một hệ thống ĐTĐM trên máy sử dụng Ubuntu Server 12.04 LTS và gói nguồn mở Openstack để tạo thành hệ thống ĐTĐM
- Máy chủ Ubuntu Server (Xây dựng trên Virtualbox)
- Gói xây dựng hệ thống ĐTĐM nguồn mở Openstack.
HƯỚNG GIẢI QUYẾT
- Thu thập tài liệu, kiến thức thông qua sách và Internet
- Tìm hiểu, cài đặt hệ điều hành Ubuntu Server
CƠ SỞ LÍ THUYẾT
ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY
2.1.1 Lịch sử hình thành điện toán đám mây
Vào những năm 1950, công nghệ "time-sharing" đã được các trường đại học và công ty lớn sử dụng, được xem là nền tảng cho công nghệ điện toán đám mây hiện nay Time-sharing cho phép nhiều người dùng chia sẻ tài nguyên từ một máy tính mainframe lớn thông qua các thiết bị đầu cuối chuyên biệt Tuy nhiên, nhược điểm của công nghệ này là chi phí cao của máy mainframe và hiệu suất chậm trong giờ cao điểm Do đó, công nghệ điện toán đám mây đã ra đời sau một quá trình nghiên cứu dài hạn.
Năm 1969, Nhà khoa học máy tính có tên J.C.R Licklider đã trình bày ý tưởng về
Mạng máy tính giữa các thiên hà, hay còn gọi là Intergalatic Computer Network, được phát triển từ hệ thống ARPANET với mục tiêu giúp con người truy cập dữ liệu và chương trình từ bất kỳ đâu John McCarthy, người sáng lập thuật ngữ "trí thông minh nhân tạo", đã tiếp tục phát triển ý tưởng về đám mây điện tử, sử dụng dữ liệu đám mây đầu tiên cho các mục đích kiểm tra và giao dịch tài chính.
Kể từ những năm 60, điện toán đám mây (ĐTĐM) đã bắt đầu phát triển, nhưng chỉ đến những năm 1990, khi internet có đủ băng thông, ĐTĐM mới thực sự bùng nổ và tiếp cận đông đảo người dùng Năm 1997, Giáo sư Ramnath Chellappa đã trở thành một trong những người đầu tiên sử dụng cụm từ “Điện toán đám mây”.
[2] Sau đó 2 năm, Salesforce.com ra đời trở thành website đầu tiên cung cấp ứng dụng và phần mềm internet
Năm 2002, Amazon đã gia nhập thị trường lưu trữ điện toán đám mây với dịch vụ "Web Services" (AWS) Đến năm 2006, công ty tiếp tục ra mắt dịch vụ Elastic Compute (EC2), cho phép các doanh nghiệp nhỏ thuê máy tính để chạy ứng dụng của họ.
Năm 2007, Salesforce tiếp tục mở rộng tầm hoạt động với trang dịch vụ
Force.com là dịch vụ hỗ trợ các nhà phát triển trong việc xây dựng và vận hành ứng dụng cũng như website thông qua công nghệ "đám mây" Vào năm 2008, Google và Microsoft đã tham gia vào lĩnh vực này, với Google cung cấp dịch vụ lưu trữ điện toán giá rẻ Google App Engine và Microsoft giới thiệu Windows Azure, nhằm phổ biến công nghệ ĐTĐM.
Năm 2010, Salesforce mở rộng hoạt động với Database.com, hỗ trợ các nhà phát triển chạy dịch vụ ĐTĐM trên mọi thiết bị và nền tảng Cùng thời điểm, Apple giới thiệu iCloud, dịch vụ ĐTĐM đầu tiên, cho phép đồng bộ hóa dữ liệu như ảnh, ứng dụng, âm nhạc và văn bản trên các thiết bị của mình.
Theo khảo sát của Gartner vào đầu năm 2013, ĐTĐM được xếp hạng là một trong 10 vấn đề công nghệ hàng đầu mà các nhà Quản lý công nghệ (CIO) ưu tiên Khi được hỏi về các công nghệ có khả năng làm gián đoạn kinh doanh trong 10 năm tới, 70% người tham gia khảo sát cho rằng công nghệ di động sẽ có ảnh hưởng lớn nhất, tiếp theo là Big Data/analytics với 55%, các phương tiện truyền thông chiếm 54%, và đám mây công cộng với 51%.
2.1.2 Khái niệm điện toán đám mây
Điện toán đám mây, hay còn gọi là điện toán máy chủ ảo, là một mô hình công nghệ thông tin dựa trên Internet, cho phép người dùng truy cập và quản lý tài nguyên máy tính từ xa.
Theo NIST, điện toán đám mây là mô hình cho phép truy cập tài nguyên tính toán qua mạng một cách nhanh chóng và thuận tiện Mô hình này bao gồm các tài nguyên như mạng, máy chủ, lưu trữ, ứng dụng và dịch vụ, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn và sử dụng theo nhu cầu Ngoài ra, điện toán đám mây cũng cho phép kết thúc sử dụng dịch vụ và giải phóng tài nguyên một cách dễ dàng, giảm thiểu sự giao tiếp với nhà cung cấp.
Theo Viện Kỹ nghệ Điện và Điện tử (IEEE), điện toán đám mây là mô hình lưu trữ thông tin thường trực trên các máy chủ Internet, trong khi dữ liệu chỉ được lưu trữ tạm thời trên các máy khách như máy tính cá nhân, trung tâm giải trí và máy tính doanh nghiệp.
Điện toán đám mây là một mô hình mới trong ngành công nghiệp máy tính, cho phép việc tính toán, xử lý và lưu trữ dữ liệu được thực hiện qua một đám mây máy tính Khái niệm cốt lõi của điện toán đám mây là tận dụng nguồn tài nguyên điện toán lớn được lưu trữ trong các đám mây, mà người dùng có thể kết nối khi cần thiết Thuật ngữ "đám mây" được sử dụng như một ẩn dụ cho các mạng diện rộng hoặc môi trường mạng lớn, bắt nguồn từ biểu tượng đám mây trong các sơ đồ nguyên lý.
Nó đại diện cho tất cả những thứ phức tạp của mạng có thể bao gồm mọi thứ từ cáp, router, máy chủ và các thiết bị khác
Tính toán bắt đầu với thời đại máy tính mainframe, nơi mọi người kết nối qua thiết bị đầu cuối câm Mô hình này gây bất tiện và gò bó cho người sử dụng, khiến họ phụ thuộc vào quản trị viên máy tính.
Cloud computing là một xu hướng quan trọng trong kinh doanh hiện đại, khi nhiều doanh nghiệp không còn sử dụng máy chủ riêng Thay vào đó, họ chỉ cài đặt một số phần mềm cơ bản và phụ thuộc vào các dịch vụ đám mây Ví dụ, doanh nghiệp có thể đăng ký dịch vụ hosting cho website, sử dụng công cụ quản lý doanh thu từ Salesforce.com, và thu thập dữ liệu khảo sát từ Survey Monkey Ngoài ra, Google cũng là công cụ phổ biến để tìm kiếm, phân tích, chia sẻ và lưu trữ tài liệu.
Theo quan điểm cá nhân, ĐTĐM không chỉ là công nghệ mà là mô hình cung cấp và tiếp thị dịch vụ CNTT, tận dụng tối đa tài nguyên từ phần cứng, mạng và phần mềm Người dùng không cần kiến thức chuyên môn để sử dụng công nghệ, chỉ cần có kết nối mạng và phần mềm để khai thác tài nguyên Dữ liệu được lưu trữ trên các hệ thống đĩa cứng lớn trong máy chủ kết nối internet, cho phép người dùng làm việc từ bất kỳ đâu và truy cập qua nhiều thiết bị như máy tính cá nhân, máy tính bảng hay điện thoại di động.
Hình 1 Có thể truy cập “đám mây” từ bất cứ thiết bị nào
ĐTĐM là một hệ thống phân tán, không tập trung tại một khu vực địa lý cụ thể Sự phân tán này thể hiện qua cơ sở hạ tầng, với các máy chủ và thiết bị mạng được bố trí ở nhiều vị trí khác nhau Ngoài ra, việc truy cập vào ứng dụng và tài nguyên trên đám mây cũng diễn ra từ nhiều địa điểm khác nhau.
TÌM HIỂU VỀ OPENSTACK
In July 2010, Rackspace Hosting and NASA collaborated to create an open-source cloud platform called OpenStack Rackspace contributed the storage component, while NASA provided the code for the compute aspect OpenStack is classified as Infrastructure as a Service (IaaS) and is a free open-source project released under the Apache license It enables hardware virtualization, allowing users to deploy virtual machines and access hardware services.
OpenStack tương tự như AWS (Amazon Web Service), và các công cụ được phát triển cho AWS đều có thể sử dụng trên OpenStack.
Dự án được quản lý bởi quỹ Openstack, một tổ chức phi lợi nhuận được thành lập vào tháng 9 năm 2012 nhằm thúc đẩy sự phát triển và quyền lợi cho Openstack cũng như cộng đồng liên quan.
OpenStack là một nền tảng đám mây nguồn mở đang được ưa chuộng toàn cầu, đặc biệt là tại Mỹ Được đánh giá cao bởi các chuyên gia, OpenStack là một trong những hệ điều hành đám mây hàng đầu thế giới Cộng đồng OpenStack rất đông đảo và phát triển mạnh mẽ, bao gồm nhiều doanh nghiệp công nghệ thông tin lớn như HP, Dell, Cisco, IBM, Microsoft, Redhat, Canonical và SUSE Linux, trong đó có sự hiện diện của Việt Nam.
OpenStack có chu kỳ phát triển 6 tháng, với mỗi phiên bản mới bổ sung các thành phần và chức năng mới Các thành phần chính của OpenStack được phát triển bằng ngôn ngữ Python, ngôn ngữ đang ngày càng được ưa chuộng trong những năm gần đây.
Các phiên bản của Openstack:
Havana : Dự kiến phát hành ngày 17/10/2013
Hình 8 Hệ điều hành đám mây nguồn mở Openstack
2.2.2 Các thành phần của Openstack
Hiện nay có dự án gồm có 7 thành phần cốt lõi: Compute, Object Storage, Identity, Dashboard, Block Storage, Network và Image Service
Object Storage (Swift) là hệ thống lưu trữ lâu dài cho lượng lớn dữ liệu tĩnh, cho phép lưu trữ và truy xuất tập tin qua các cụm máy chủ tiêu chuẩn Hệ thống này sử dụng kiến trúc phân tán không có điểm kiểm soát trung tâm, mang lại khả năng mở rộng và dự phòng cao Dữ liệu được ghi vào nhiều thiết bị phần cứng, và OpenStack đảm bảo sao chép và tính toàn vẹn dữ liệu trên cụm Việc mở rộng quy mô theo chiều ngang được thực hiện bằng cách thêm các nút mới, trong khi OpenStack tái tạo nội dung từ các nút hoạt động nếu có lỗi xảy ra Nhờ vào phần mềm logic, OpenStack giúp tiết kiệm chi phí bằng cách sử dụng các máy chủ thay thế cho thiết bị đắt tiền hơn.
Image (Glance): Cung cấp một danh mục và kho lưu trữ cho ổ đĩa ảo
Ảnh đĩa ảo (Virtual Disk Images) chủ yếu được sử dụng trong OpenStack Compute, cho phép truy cập thông qua giao thức HTTP Dịch vụ Image Service có thể tích hợp với Keystone để thực hiện các chức năng quản lý hiệu quả.
Người dùng có thể chia sẻ ảnh máy ảo của mình với người khác bằng cách thiết lập thuộc tính công khai cho các hình ảnh này.
Compute (Nova) là một giải pháp cung cấp và quản lý máy ảo theo yêu cầu, cho phép người dùng truy cập phần mềm, bảng điều khiển và API cần thiết để thiết kế đám mây với các Instance, quản lý mạng và truy cập người dùng Dịch vụ tính toán thương mại dựa trên Nova được cung cấp bởi Rackspace và HP, và nó cũng được sử dụng nội bộ tại các công ty lớn như Mercado Libre và NASA.
Dashboard (Horizon) cung cấp giao diện người dùng web mô-đun cho quản trị viên và người dùng, cho phép truy cập, cung cấp và tự động hóa tài nguyên đám mây Thiết kế mở giúp dễ dàng tích hợp các sản phẩm và dịch vụ bên thứ ba như giám sát, thanh toán và công cụ quản lý bổ sung Dashboard là một phương thức tương tác với tài nguyên OpenStack, trong khi các nhà phát triển có thể tự động truy cập hoặc xây dựng công cụ quản lý tài nguyên thông qua API OpenStack.
Identity (Keystone) cung cấp xác thực và ủy quyền cho tất cả các dịch vụ trong OpenStack, đồng thời tạo ra một danh mục các dịch vụ trong một đám mây OpenStack cụ thể.
Dịch vụ mạng lưới Quantum cung cấp khả năng kết nối giữa các giao diện của thiết bị quản lý thông qua các dịch vụ OpenStack khác, như Nova Người dùng có thể tạo ra các mạng riêng và gán các giao diện quản lý cho chúng Quantum có kiến trúc pluggable, cho phép tích hợp dễ dàng với nhiều nhà cung cấp mạng và công nghệ khác nhau Hiện tại, Quantum chỉ có trong phiên bản Folsom.
Block Storage (Cinder) cung cấp khối lưu trữ liên tục cho các máy ảo khách và đã được tách ra từ Nova Cần lưu ý rằng đây là khối lưu trữ (hoặc Volumes) chứ không phải là hệ thống tập tin như NFS hoặc CIFS chia sẻ.
Cinder mới chỉ có trong bản Folsom
Hình 9 Các thành phần của Openstack
2.2.3 Các tính năng của OpenStack
OpenStack là phần mềm triển khai điện toán đám mây (ĐTĐM) hoàn chỉnh, cung cấp dịch vụ hạ tầng dưới dạng dịch vụ (IaaS) Các tính năng nổi bật của OpenStack được thể hiện qua các thành phần con như Nova, Swift, Dashboard, Quantum và Cinder.
- Hypervisor: Hỗ trợ các loại Hypervisors khác nhau như KVM, LXC, QEMU, UML, VMWare ESXi, Xen
- Quản lí tài nguyên: Bao gồm CPU, memory, disks, network interfaces thông qua Nova
Bảo mật trong OpenStack được đảm bảo thông qua các cơ chế xác thực và điều khiển truy cập của Keystone Điều này bao gồm việc quản lý quyền truy cập của người dùng vào tài nguyên và ngăn chặn truy cập trái phép giữa các người dùng Các thuật ngữ như Security Groups và RBAC được sử dụng để thiết lập chính sách truy cập và quản lý hiệu quả.
- Projects & Quotas: Mỗi project hay còn gọi là tenant khi được tạo ra sẽ xác định hạn mức tài nguyên nhất định có thể sử dụng (Quotas)
GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM NGUỒN MỞ
2.3.1 Khái niệm phần mềm nguồn mở
Phần mềm nguồn mở là loại phần mềm có mã nguồn được công khai và sử dụng theo giấy phép nguồn mở, cho phép mọi người nghiên cứu, chỉnh sửa, cải tiến và phân phối phần mềm dưới dạng gốc hoặc đã được thay đổi.
Năm 1998, một nhóm người đã đề xuất thay thế thuật ngữ "phần mềm tự do" bằng "phần mềm nguồn mở" vì tính rõ ràng và dễ hiểu hơn cho doanh nghiệp Định nghĩa Nguồn mở của Tổ chức Sáng kiến Nguồn mở (OSI) thể hiện triết lý nguồn mở và xác định ranh giới về việc sử dụng, thay đổi và tái phân phối phần mềm Giấy phép phần mềm cung cấp cho người dùng quyền sử dụng, thay đổi và tái phân phối mà bản quyền thường cấm Một số giấy phép phần mềm nguồn mở đã được thẩm định theo Định nghĩa Nguồn mở, trong đó nổi bật là Giấy phép Công cộng GNU (GPL) Trong khi nguồn mở cho phép công chúng truy cập vào mã nguồn, giấy phép nguồn mở cho phép tác giả điều chỉnh cách thức truy cập đó.
2.3.2 Lợi ích của việc triển khai điện toán đám mây bằng mã nguồn mở
Canonical là một tập đoàn nổi bật với những đóng góp quan trọng cho các dự án nguồn mở như nền tảng Ubuntu, OpenStack và Ubuntu One Việc triển khai ĐTĐM bằng nguồn mở mang lại nhiều đặc trưng nổi bật.
Sự phụ thuộc vào phần mềm nguồn đóng và bản quyền có thể dẫn đến tình trạng "vendor lock-in", khi các giải pháp thương mại thường đi kèm với các tiêu chuẩn riêng của nhà sản xuất như APIs đặc trưng và định dạng hình ảnh độc quyền Điều này gây ra sự không tương thích trong môi trường đám mây và không tận dụng được cơ sở hạ tầng hiện có Hơn nữa, các hệ thống đám mây này sẽ gặp khó khăn trong việc di chuyển dịch vụ sang các nền tảng đám mây khác trong tương lai.
Cộng đồng toàn cầu đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ các dự án "Open source cloud computing", với hàng ngàn người tham gia tích cực.
41 phát triển các tính năng mới và sửa lỗi Lợi thế này của nguồn mở sẽ không thể có được ở bất kì một công ty đơn lẻ nào
Khả năng mở rộng không hạn chế là một lợi thế lớn của giải pháp đám mây sử dụng nguồn mở như Ubuntu Trong khi chi phí cho phần mềm bản quyền và licence có thể gia tăng dựa trên số lượng máy chủ hoặc máy ảo, việc sử dụng hệ điều hành Ubuntu cho “Cloud computing” hoàn toàn miễn phí giúp giảm thiểu chi phí và tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng mạng.
Khi giải pháp thương mại không đáp ứng đủ chức năng, việc tìm kiếm phương thức thay thế trở nên khó khăn, thường phải chờ phiên bản mới Tuy nhiên, với kỹ thuật mã nguồn mở, người dùng có thể tùy chỉnh mã để bổ sung các chức năng phù hợp với nhu cầu kinh doanh của hệ thống.