Tổng quan luận án

Tác giả: Huynh Hoang Long
Cơ sở đào tạo: Hanoi University of Science and Technology (Đại học Bách Khoa Hà Nội), thuộc Bộ Giáo dục và Đào tạo Việt Nam
Chuyên ngành: Information Systems (Mã ngành: 9480104)
Người hướng dẫn: Nguyễn Hữu Đức; Lê Trọng Vinh
Năm bảo vệ: 2022

Luận án thuộc lĩnh vực điện toán đám mây (cloud computing), tiếp cận theo hướng thiết kế mô hình (model-driven design) kết hợp thực nghiệm kỹ thuật. Nghiên cứu không sử dụng dữ liệu thống kê xã hội mà tập trung vào đề xuất và kiểm chứng hai mô hình kỹ thuật mới thông qua ca nghiên cứu thực tế (case study).

Vấn đề nghiên cứu và tính cấp thiết

Các mô hình phân phối dịch vụ đám mây hiện có — bao gồm Direct Cloud Service Delivery, Cloud Brokerage, và Cloud Marketplace — có nhiều hạn chế: thông tin sản phẩm dịch vụ chưa minh bạch, chất lượng dịch vụ khó giám sát, tình trạng độc quyền và thiếu cạnh tranh. Hậu quả nặng nề nhất là vấn đề vendor lock-in: người dùng bị ràng buộc vào một nhà cung cấp đám mây duy nhất và không thể chuyển đổi sang nhà cung cấp khác do chi phí chuyển đổi cao, ràng buộc pháp lý, và bất tương thích kỹ thuật. Ví dụ, khi triển khai WordPress Application trên Bitnami, người dùng chỉ có thể chọn một trong ba nền tảng (AWS, Google Cloud Platform, Azure) và không thể đồng thời phân phối App Server lên Amazon và Database lên Google Cloud để tận dụng thế mạnh của từng nhà cung cấp.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án đặt ra hai mục tiêu chính:

  1. Xây dựng mô hình thị trường đa đám mây mới (O-Marketplace Model) với cơ chế phân phối dịch vụ SaaS qua nhiều đám mây, tăng cường cạnh tranh và giảm thiểu vendor lock-in.
  2. Định nghĩa mô hình ứng dụng đám mây dựa trên thành phần (Composable Application Model — CAM), trong đó phần mềm được cấu thành từ các thành phần độc lập có thể triển khai trên các nền tảng đám mây khác nhau.

Từ hai mô hình nền tảng này, luận án giải quyết thêm ba vấn đề liên quan: matchmaking cho ứng dụng đa đám mây, khả năng di chuyển (portability) ứng dụng đa đám mây, và phương pháp tự sửa chữa (auto-repairing) ứng dụng đa đám mây.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng: mô hình phân phối dịch vụ SaaS trên môi trường đa đám mây; mô hình ứng dụng đám mây dựa trên thành phần. Phạm vi kỹ thuật bao gồm các công nghệ đám mây mở như OpenStack, Eucalyptus, CloudStack; các chuẩn mở như OCCI, OVF, CDMI, TOSCA; và công cụ triển khai SALSA.


Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại bốn nhóm hướng nghiên cứu liên quan:

Hướng mô hình ứng dụng đám mây: J. Baryannis (tài liệu [44]) và S. Kolb & G. Wirtz (tài liệu [47]) lập luận rằng ứng dụng đám mây có thể được phân tách thành các thành phần triển khai độc lập trên các nền tảng đám mây không đồng nhất. Beniamino Di Martino (tài liệu [28]) đề xuất Applications Portability and Services Interoperability among Multiple Clouds. Jose Carrasco, Francisco Durán và Ernesto Pimentel (tài liệu [23]) nghiên cứu Component-wise Application Migration in Bidimensional Cross-cloud Environments.

Hướng Cloud Brokerage và Marketplace: Rajkumar Buyya, Rajiv Ranjan và Rodrigo N. Calheiros (tài liệu [20]) đề xuất InterCloud: Utility-Oriented Federation of Cloud Computing Environments. Haifei Li và Jj Jeng (tài liệu [49]) đề xuất CCMarketplace: A marketplace model for a hybrid cloud. Adrián Juan-Verdejo và Bholanathsingh Surajbali (tài liệu [45]) đề xuất XaaS multi-cloud marketplace architecture enacting the industry 4.0.

Hướng TOSCA và triển khai đa đám mây: Tobias Binz và cộng sự (tài liệu [12]) phát triển OpenTOSCA — runtime cho ứng dụng dựa trên TOSCA. Duc-Hung Le, Hong-Linh Truong, Georgiana Copil, Stefan Nastic và Schahram Dustdar (tài liệu [48]) phát triển SALSA: a framework for dynamic configuration of cloud services.

Hướng matchmaking và portability: Wisam Elshareef và cộng sự (tài liệu [29]) đề xuất A Matchmaking Strategy of Mixed Resource On Cloud Computing Environment. Begüm Ilke Zilci, Mathias Slawik và Axel Küpper (tài liệu [85]) nghiên cứu Cloud Service Matchmaking Using Constraint Programming. Dana Petcu và Athanasios V Vasilakos (tài liệu [65]) khảo sát Portability in clouds: approaches and research opportunities.

Khoảng trống luận án lựa chọn: Các nghiên cứu trước chưa đề xuất mô hình thị trường đa đám mây toàn diện có cơ chế phân phối SaaS đa đám mây; chưa có mô hình ứng dụng đám mây dựa trên thành phần hỗ trợ matchmaking và portability trên môi trường đa đám mây; TOSCA — chuẩn được sử dụng rộng rãi nhất — chưa hỗ trợ đầy đủ đặc tả ứng dụng đa đám mây theo kiến trúc thành phần.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khái niệm và khung lý thuyết

Luận án sử dụng các khái niệm nền tảng sau: Cloud computing theo định nghĩa NIST (Mell và Grance, tài liệu [54]); ba mô hình dịch vụ đám mây IaaS, PaaS, SaaS; vendor lock-in theo định nghĩa trong tài liệu [82]; Cloud Service Provider (CSP); Cloud Service Brokerage (CSB) theo Plummer và cộng sự (tài liệu [66], [67]). Các chuẩn kỹ thuật được sử dụng bao gồm: TOSCA (Topology and Orchestration Specification for Cloud Application — OASIS Version 1.0); OCCI (Open Cloud Computing Interface); OVF (Open Virtualization Format); CDMI (Cloud Data Management Interface). Công cụ triển khai là SALSA (Settling and Launching Service Applications) của Duc-Hung Le và cộng sự. Kỹ thuật Bidirectional Transformations (BXs) — theo Nathan Foster, Zhenjiang Hu và cộng sự (tài liệu [26]) — được ứng dụng trong cơ chế tự cập nhật Blueprint của ứng dụng đa đám mây.

Hướng tiếp cận nghiên cứu

Nghiên cứu theo hướng thiết kế kỹ thuật (technical design research):

  • Phân tích và thiết kế mô hình: phân tích các hạn chế của mô hình hiện có; đề xuất O-Marketplace Model và Composable Application Model (CAM).
  • Thực nghiệm và kiểm chứng: ca nghiên cứu điển hình là WordPress Application — mô tả bằng CAM-D, chuyển đổi sang đặc tả TOSCA, sau đó triển khai thực tế trên môi trường đa đám mây bằng SALSA.
  • So sánh: đánh giá CAM-D so với TOSCA Specification theo các tiêu chí kỹ thuật cụ thể (Bảng 5.1).

Nguồn tư liệu và dữ liệu

Luận án sử dụng các công bố khoa học liên quan (hơn 80 tài liệu tham khảo), tài liệu chuẩn kỹ thuật của OASIS, và kết quả thực nghiệm triển khai ứng dụng WordPress trên môi trường đa đám mây thực tế.


Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 — Introduction

Chương này trình bày bối cảnh nghiên cứu, nhận diện ba vấn đề cốt lõi cần giải quyết: (i) thiếu mô hình thị trường đa đám mây; (ii) thiếu mô hình ứng dụng đám mây đa đám mây; (iii) thiếu các phương pháp hỗ trợ matchmaking, portability và auto-repairing trên môi trường đa đám mây. Chương liệt kê bốn lý do theo đuổi chiến lược đa đám mây: tiếp cận năng lực đặc thù của từng nhà cung cấp; giảm rủi ro gián đoạn dịch vụ; tối ưu chi phí theo nhu cầu ngắn hạn; tận dụng cạnh tranh giá giữa các nhà cung cấp.

Chương 2 — Background

Chương này khảo sát nền tảng lý thuyết gồm hai phần chính. Phần đầu phân loại môi trường đám mây: single-cloud environment và multi-cloud environment, đồng thời phân tích các ưu điểm của môi trường đa đám mây. Phần sau điểm lại ba mô hình phân phối dịch vụ đám mây hiện có (Simple cloud service delivery, Cloud Service Brokerage, Cloud Marketplace) và các công nghệ liên quan gồm TOSCA và SALSA. Luận án lập bảng so sánh các Cloud Marketplace hiện tồn (Bảng 2.1) và phân tích quy trình hoạt động của nền tảng CSB (tham chiếu Hình 1.4 và Hình 1.5 trong văn bản).

Chương 3 — O-Marketplace Model

Chương này đề xuất phương pháp phân phối dịch vụ đa đám mây mới và từ đó xây dựng O-Marketplace Model. Cấu trúc tổng thể của O-Marketplace được mô tả qua năm nội dung: (i) phương pháp phân phối dịch vụ đám mây đa đám mây được đề xuất; (ii) cấu trúc tổng thể của O-Marketplace; (iii) cơ chế vận hành, được tổng hợp trong Bảng 3.2; (iv) cách tiếp cận trong việc cung ứng SaaS; (v) các mục tiêu và tính khả thi của O-Marketplace Model. Các tác nhân (actors) tham gia O-Marketplace được xác định rõ (Hình 3.7).

Chương 4 — Composable Application Model (CAM)

Đây là chương trọng tâm của luận án. CAM được định nghĩa với cấu trúc gồm ba loại thành phần: Simple Software Component, Cloud Software Stack và Cloud Software Composition. Mỗi loại có mẫu mô tả riêng (Description Template). Phương pháp mô tả CAM-D (CAM-based Description Method) được xây dựng; thực nghiệm chuyển đổi CAM-D sang đặc tả TOSCA được thực hiện với WordPress Application — từ xây dựng mô tả (Hình 4.15, 4.16, 4.17, 4.18, 4.19) đến tạo đặc tả TOSCA (Hình 4.20) và triển khai thực tế bằng SALSA (Hình 4.21, 4.22, 4.23). Chương tiếp tục trình bày ba ứng dụng của CAM trong bối cảnh O-Marketplace:

  • Matchmaking: phương pháp CAM-based matchmaking giúp xác định nhóm nền tảng dịch vụ tương thích cho phần mềm đám mây dựa trên thành phần (Hình 4.24).
  • Portability: phương pháp CAM-based portability hỗ trợ di chuyển ứng dụng đa đám mây; hệ thống tự cập nhật Blueprint thông qua Bidirectional Transformations (Hình 4.25, 4.26, 4.29, 4.30, 4.31).
  • Auto-repairing: quy trình tự sửa chữa ứng dụng đa đám mây khi có thành phần dịch vụ lỗi (Hình 4.32, trang 96); bao gồm bước re-deploy và re-configure ứng dụng.

Chương 5 — Conclusion and Perspectives

Chương tổng kết đóng góp của luận án và trình bày hướng nghiên cứu tương lai ngắn hạn và dài hạn.


Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự trình bày năm đóng góp:

(i) O-Marketplace Model: sau khi phân tích hạn chế của các mô hình phân phối dịch vụ hiện có, đề xuất phương pháp phân phối đa đám mây và xây dựng mô hình thị trường đám mây đa năng O-Marketplace, với cơ chế đặc biệt giúp người dùng không bị phụ thuộc vào bất kỳ nhà cung cấp nào.

(ii) Composable Application Model (CAM): xây dựng khái niệm và phương pháp mô tả (CAM-D) cho mô hình ứng dụng đám mây đa đám mây dựa trên thành phần. Tính khả thi được kiểm chứng qua chuyển đổi sang chuẩn TOSCA và triển khai thực tế.

(iii) Phương pháp matchmaking đa đám mây: đề xuất phương pháp CAM-based matchmaking cung cấp cơ chế môi giới hiệu quả để xác định tập hợp nền tảng dịch vụ tương thích cho phần mềm đám mây dựa trên thành phần.

(iv) Hỗ trợ auto-repairing: sử dụng CAM làm Blueprint cho ứng dụng đa đám mây, tạo nền tảng cho phương pháp tự sửa chữa khi có thành phần dịch vụ lỗi.

(v) Ưu thế của CAM-D so với TOSCA: bảng so sánh (Bảng 5.1) cho thấy CAM-D vượt TOSCA Specification ở bốn tiêu chí: Cloud software portability, Component-based cloud application description, Synthesized from component specifications, và Multi-cloud service matchmaking — trong khi TOSCA có cấu trúc phẳng (Flat structure) và không hỗ trợ các đặc trưng này.

Tiêu chí CAM-D TOSCA Specification
Topology Nested structure Flat structure
Cloud software portability YES NO
Component-based cloud application description YES NO
Synthesized from component specifications YES NO
Multi-cloud service matchmaking YES NO

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Luận án xác định bốn hướng nghiên cứu ngắn hạn: (i) hoàn thiện các tính năng kỹ thuật của O-Marketplace (giao diện người dùng, lưu trữ, xác thực, phương thức thanh toán); (ii) cải tiến chi tiết mô hình CAM; (iii) mở rộng đánh giá CAM dựa trên kết quả các dự án thực tế đang triển khai; (iv) xây dựng CAM-runtime — bộ máy thực thi để triển khai và cấu hình ứng dụng đa đám mây theo khái niệm CAM.

Bốn hướng dài hạn được nêu: (i) cơ chế quản lý SaaS trên môi trường đa đám mây (bao gồm quản lý hạ tầng, nền tảng và dịch vụ từ nhiều nhà cung cấp); (ii) QoS/SLA — xây dựng cơ chế xếp hạng dịch vụ dựa trên chất lượng và đảm bảo chất lượng dựa trên SLA; (iii) Security — giám sát bảo mật xuyên suốt nhiều nền tảng, đặc biệt trong kiến trúc micro-services; (iv) Migration — giải quyết hai trở ngại lớn là data lock-in và data transfer khi di chuyển dữ liệu giữa các đám mây.


Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo với các nhóm đối tượng sau:

Nghiên cứu sinh và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện toán đám mây, kiến trúc phần mềm dựa trên thành phần (component-based software), và hệ thống thông tin có thể đọc Chương 2 để có tổng quan về các mô hình phân phối dịch vụ đám mây và Chương 4 để nắm phương pháp mô tả CAM-D.

Kỹ sư và nhà phát triển phần mềm quan tâm đến triển khai đa đám mây có thể tham khảo ca nghiên cứu WordPress Application trong Chương 4, quy trình chuyển đổi CAM-D sang TOSCA, và cơ chế auto-repairing.

Nhà nghiên cứu về cloud marketplace và thương mại điện tử dịch vụ có thể tham khảo Chương 3 về cấu trúc, cơ chế vận hành và các tác nhân của O-Marketplace, cùng với bảng so sánh các Cloud Marketplace hiện tồn (Bảng 2.1).

Giảng viên giảng dạy môn điện toán đám mây có thể sử dụng phần phân loại môi trường đám mây và phân tích so sánh mô hình phân phối dịch vụ trong Chương 1 và 2 làm tài liệu tham khảo giảng dạy.


Câu hỏi thường gặp

1. Vendor lock-in là gì và tại sao đây là vấn đề trọng tâm của luận án?
Vendor lock-in là tình trạng người dùng bị phụ thuộc vào một nhà cung cấp dịch vụ, không thể chuyển sang nhà cung cấp khác mà không phát sinh chi phí chuyển đổi cao, ràng buộc pháp lý hoặc bất tương thích kỹ thuật. Luận án trích dẫn ví dụ cụ thể từ tài liệu [59]: doanh nghiệp Anh lo ngại về việc dữ liệu doanh nghiệp bị ràng buộc vào một nhà cung cấp đám mây duy nhất. Đây là vấn đề trọng tâm vì các mô hình Cloud Marketplace hiện có đều duy trì vendor lock-in do ứng dụng chỉ được lưu trữ trên một đám mây duy nhất.

2. O-Marketplace Model khác gì so với các mô hình Cloud Marketplace hiện có?
Các Cloud Marketplace hiện có (như AWS Marketplace, Google Apps, IBM Marketplace) do các nhà cung cấp đám mây sở hữu và chỉ phân phối SaaS trên nền tảng của chính họ. O-Marketplace là thị trường đám mây đa đám mây độc lập, cho phép phân phối SaaS qua nhiều nền tảng đám mây khác nhau đồng thời, với cơ chế matchmaking để kết hợp thành phần ứng dụng với nền tảng phù hợp nhất từ nhiều nhà cung cấp.

3. Composable Application Model (CAM) được kiểm chứng bằng cách nào?
CAM được kiểm chứng qua hai bước: (i) chuyển đổi mô tả CAM-D của WordPress Application sang đặc tả TOSCA và so sánh sự tương đương; (ii) triển khai thực tế WordPress Application trên môi trường đa đám mây bằng công cụ SALSA. Ngoài ra, bảng so sánh CAM-D và TOSCA Specification (Bảng 5.1) cho thấy CAM-D có các đặc trưng mà TOSCA không hỗ trợ.

4. Bidirectional Transformations (BXs) được ứng dụng như thế nào trong luận án?
BXs được áp dụng trong cơ chế tự cập nhật Blueprint của ứng dụng đa đám mây trong O-Marketplace. Khi có thành phần nền tảng mới (ví dụ: thêm nền tảng mới cho WordPress Application), hệ thống sử dụng BXs để đồng bộ "Node Template" trong đặc tả TOSCA theo hai chiều: Forward transformation và Putback transformation của view ViewNodeTemplate (Hình 4.29, 4.30, 4.31).

5. Luận án có những công bố khoa học nào trong quá trình thực hiện?
Luận án gắn với năm công bố, gồm hai bài tại Hội nghị Quốc gia về Công nghệ thông tin và Truyền thông Việt Nam (2018, 2019), một bài tại hội nghị quốc tế SOMET 2019, và hai bài đăng trên Tạp chí Nghiên cứu và Phát triển về Công nghệ Thông tin và Truyền thông (Bộ Thông tin và Truyền thông Việt Nam, số 2019(1) và 2020(2)). Bài SOMET 2019 được thực hiện cùng Van-Dang Tran và Zhenjiang Hu (National Institute of Informatics, Nhật Bản).


Kết luận

Luận án của Huynh Hoang Long đề xuất hai mô hình kỹ thuật — O-Marketplace Model và Composable Application Model (CAM) — nhằm giải quyết vấn đề vendor lock-in trong điện toán đám mây thông qua cách tiếp cận đa đám mây. CAM cho phép mô tả và triển khai ứng dụng đám mây dưới dạng các thành phần độc lập phân phối trên nhiều nền tảng đám mây khác nhau, trong khi O-Marketplace cung cấp cơ chế thị trường để kết nối người dùng, nhà phát triển và nhà cung cấp đám mây. Tính khả thi của cả hai mô hình được kiểm chứng qua ca nghiên cứu WordPress Application, chuyển đổi sang chuẩn TOSCA, và triển khai thực tế bằng SALSA. Ba vấn đề mở rộng — matchmaking, portability và auto-repairing — được giải quyết trong ngữ cảnh của hai mô hình đề xuất. Luận án nhận diện bốn hướng nghiên cứu dài hạn quan trọng bao gồm quản lý SaaS đa đám mây, QoS/SLA, bảo mật và di chuyển dữ liệu.