Nghiên Cứu Mô Hình Thị Trường Đám Mây Đa Nền Tảng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu researching multi cloud marketplace model, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề xuất giải pháp khoa học cho vấn đề thực tiễn.

• Tác giả: Huynh Hoang Long
• Người hướng dẫn: Dr. Nguyen Huu Duc
• Trường học: Hanoi University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Information Systems
• Đề tài: Mô Hình Thị Trường Đám Mây Đa Nền Tảng
• Loại tài liệu: doctoral dissertation
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• DECLARATION OF AUTHORSHIP
• ACKNOWLEDGEMENT
• ABSTRACT
• CONTENTS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Context
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF PUBLICATIONS
• ABBREVIATIONS
• 2. Thesis research issues and motivation
• 3. Composable Application Model
• 3.1. Overview of Cloud computing
• 3.2. Cloud environment classification
• 3.2.1. Single-cloud environment
• 3.2.2. Multi-cloud environment
• 3.2.3. The advantages of multi-cloud environment
• 3.3. Existing cloud service delivery models
• 3.3.1. Cloud service brokerage
• 3.3.2. Topology and Orchestration Specification for Cloud Application - TOSCA
• 3.3.3. Settling and Launching Service Applications - SALSA
• 3.4. Approaches for cloud application
• 3.4.1. Approaches for cloud application description
• 3.4.2. Approaches for matchmaking cloud services
• 3.4.3. Approaches for cloud portability
• 3.4.4. Approaches for cloud application repairing
• 3.5. Existing methods for delivering cloud services
• 3.5.1. Simple cloud service delivery method
• 3.5.2. Cloud service delivery through Cloud Brokerage
• 3.5.3. Cloud service delivery through Cloud Marketplace
• 3.6. The proposed cloud service delivery method for multi-cloud marketplace
• 3.6.1. Overall structure of O-Marketplace
• 3.6.2. The operation mechanism of O-Marketplace
• 3.6.3. The novel approach in SaaS provisioning of O-Marketplace
• 3.6.4. The feasibility of O-Marketplace Model
• 3.6.5. The goals of O-Marketplace
• 4. COMPOSABLE APPLICATION MODEL
• 4.1. General concept of CAM
• 4.2. Simple Definition for CAM
• 4.3. Abstract model of CAM
• 4.4. Cloud Software Stack
• 4.5. Cloud Software Composition
• 4.6. Description Templates of CAM
• 4.6.1. CAM-based Multi-cloud Application Description Template
• 4.6.2. General Structure of Cloud Software Component Template
• 4.6.3. Simple Software Component Template
• 4.6.4. Cloud Software Stack Template
• 4.6.5. Cloud Software Composition Template
• 4.6.6. Platform Service Template
• 4.7. Experimentation of CAM
• 4.7.1. Overview of CAM-D to TOSCA Specification Transformation Method
• 4.7.2. Mapping to TOSCA
• 4.7.3. CAM-Based Wordpress Application Description
• 4.7.4. Transforming Wordpress Description Templates to TOSCA-Based specification
• 4.7.5. Deploying Wordpress Application on multi-cloud by SALSA
• 4.8. Applications of CAM in O-Marketplace context
• 4.8.1. CAM-based matchmaking method for O-Marketplace
• 4.8.1.1. The proposed approach for matchmaking method
• 4.8.2. CAM-based multi-cloud application portability
• 4.8.2.1. The proposed approach for multi-cloud application portability
• 4.8.2.2. The proposed method for auto-updating multi-cloud application blueprint
• 4.8.2.3. View updating program
• 4.8.3. CAM-based method for auto-repairing multi-cloud marketplace application
• 4.8.3.1. The proposed approach for auto-repairing multi-cloud application
• 4.8.3.2. Procedure of multi-cloud application auto-repairing
• 4.9. Re-deploying and re-configuring CAM-based cloud application
• 4.10. Discussions of CAM
• 4.10.1. The role of CAM in O-Marketplace model
• 4.10.2. The role of CAM in cloud application development
• 5. CONCLUSION AND PERSPECTIVES

Tóm tắt

I. Tổng quan về Mô Hình Thị Trường Đám Mây Đa Nền Tảng

Mô hình thị trường đám mây đa nền tảng đang trở thành xu hướng quan trọng trong lĩnh vực công nghệ thông tin. Nó cho phép người dùng truy cập vào nhiều dịch vụ đám mây khác nhau, từ đó tối ưu hóa chi phí và hiệu suất. Mô hình này không chỉ giúp giảm thiểu rủi ro về việc bị khóa vào một nhà cung cấp duy nhất mà còn tạo ra sự linh hoạt trong việc lựa chọn dịch vụ phù hợp nhất với nhu cầu.

1.1. Định nghĩa và Khái niệm về Thị Trường Đám Mây

Thị trường đám mây là nơi cung cấp các dịch vụ đám mây như IaaS, PaaS và SaaS. Mô hình đa nền tảng cho phép người dùng lựa chọn giữa nhiều nhà cung cấp khác nhau, từ đó tối ưu hóa chi phí và hiệu suất.

1.2. Lợi ích của Mô Hình Đám Mây Đa Nền Tảng

Mô hình này giúp giảm thiểu rủi ro về việc bị khóa vào một nhà cung cấp duy nhất, đồng thời cung cấp nhiều lựa chọn cho người dùng. Điều này tạo ra sự linh hoạt và khả năng cạnh tranh cao hơn trong thị trường.

II. Vấn đề và Thách thức trong Mô Hình Thị Trường Đám Mây

Mặc dù mô hình thị trường đám mây đa nền tảng mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là tình trạng khóa nhà cung cấp, nơi người dùng gặp khó khăn trong việc chuyển đổi giữa các dịch vụ khác nhau. Điều này có thể dẫn đến chi phí cao và thời gian chuyển đổi kéo dài.

2.1. Tình trạng Khóa Nhà Cung Cấp

Khóa nhà cung cấp xảy ra khi người dùng không thể dễ dàng chuyển đổi giữa các dịch vụ đám mây khác nhau do sự không tương thích về công nghệ hoặc chi phí chuyển đổi cao.

2.2. Chất lượng Dịch vụ và Thông tin Sản phẩm

Nhiều nhà cung cấp đám mây không cung cấp thông tin đầy đủ về chất lượng dịch vụ, dẫn đến sự không hài lòng của người dùng. Điều này cần được cải thiện để tăng cường sự tin tưởng và sự hài lòng của khách hàng.

III. Phương pháp Giải quyết Vấn đề Khóa Nhà Cung Cấp

Để giải quyết vấn đề khóa nhà cung cấp, một trong những phương pháp hiệu quả là áp dụng mô hình đa đám mây. Mô hình này cho phép người dùng lựa chọn dịch vụ từ nhiều nhà cung cấp khác nhau, từ đó giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa chi phí.

3.1. Chiến lược Đa Đám Mây

Chiến lược đa đám mây cho phép người dùng kết hợp nhiều dịch vụ từ các nhà cung cấp khác nhau, giúp tối ưu hóa hiệu suất và chi phí.

3.2. Mô Hình O Marketplace

Mô hình O-Marketplace được đề xuất như một giải pháp để cải thiện khả năng tương tác giữa các dịch vụ đám mây, từ đó giảm thiểu tình trạng khóa nhà cung cấp.

IV. Ứng dụng Thực tiễn của Mô Hình Thị Trường Đám Mây Đa Nền Tảng

Mô hình thị trường đám mây đa nền tảng đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các doanh nghiệp đã sử dụng mô hình này để tối ưu hóa quy trình làm việc và giảm thiểu chi phí vận hành.

4.1. Ứng dụng trong Doanh Nghiệp

Nhiều doanh nghiệp đã áp dụng mô hình đa đám mây để cải thiện hiệu suất làm việc và giảm thiểu chi phí. Điều này cho phép họ linh hoạt hơn trong việc lựa chọn dịch vụ phù hợp.

4.2. Kết quả Nghiên Cứu và Phân Tích

Các nghiên cứu cho thấy rằng mô hình đa đám mây không chỉ giúp giảm chi phí mà còn cải thiện hiệu suất làm việc của các tổ chức.

V. Kết luận và Tương lai của Mô Hình Thị Trường Đám Mây

Mô hình thị trường đám mây đa nền tảng đang mở ra nhiều cơ hội mới cho các doanh nghiệp và tổ chức. Tương lai của mô hình này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với sự gia tăng của công nghệ và nhu cầu của người dùng.

5.1. Xu hướng Tương lai trong Công Nghệ Đám Mây

Công nghệ đám mây sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều cải tiến về khả năng tương tác và tích hợp giữa các dịch vụ khác nhau.

5.2. Tác động đến Ngành Công Nghiệp

Mô hình đa đám mây sẽ có tác động lớn đến cách thức hoạt động của các doanh nghiệp, giúp họ tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu chi phí.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ chuyên ngành Hệ thống thông tin (mã số: 9480104) của nghiên cứu sinh Huỳnh Hoàng Long, được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Hữu Đức và PGS. Lê Trọng Vinh (bảo vệ năm 2022), tập trung vào đề tài "Nghiên cứu mô hình thị trường đám mây đa nền tảng" (Researching Multi-Cloud Marketplace Model).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Điện toán đám mây là mô hình phân phối tài nguyên tính toán qua Internet theo ba tầng dịch vụ chính: Cơ sở hạ tầng dưới dạng dịch vụ (IaaS), Nền tảng dưới dạng dịch vụ (PaaS) và Phần mềm dưới dạng dịch vụ (SaaS). Người tiêu dùng tiếp cận SaaS chủ yếu qua ba phương thức: phân phối trực tiếp, môi giới dịch vụ đám mây (Cloud Brokerage) và chợ dịch vụ đám mây (Cloud Marketplace).

Tuy nhiên, các mô hình phân phối dịch vụ đám mây hiện hữu tồn tại nhiều hạn chế:

• Khóa chặt nhà cung cấp (Vendor Lock-in): Các nhà cung cấp thương mại lớn (như AWS, Google Cloud Platform, Microsoft Azure) áp đặt kiến trúc độc quyền, giao diện lập trình ứng dụng (API) và chuẩn dữ liệu riêng biệt. Phần mềm ứng dụng phát triển trên một nền tảng bị ràng buộc chặt chẽ vào thư viện của nhà cung cấp đó, khiến chi phí chuyển đổi (switching costs), rủi ro kỹ thuật và pháp lý khi di chuyển ứng dụng sang nhà cung cấp khác là rất cao.
• Hạn chế của mô hình đơn đám mây (Single-cloud): Ứng dụng chỉ có thể triển khai cục bộ trên một đám mây duy nhất, làm tăng nguy cơ gián đoạn dịch vụ khi xảy ra sự cố máy chủ hay thiên tai, hạn chế năng lực đàm phán giá và không thể kết hợp các thế mạnh kỹ thuật chuyên biệt từ nhiều nhà cung cấp khác nhau (ví dụ: tận dụng năng lực tính toán máy ảo của AWS cùng công nghệ cơ sở dữ liệu của GCP cho cùng một ứng dụng WordPress).
• Thiếu hụt mô hình phân phối và mô hình ứng dụng đa đám mây: Các chợ đám mây hiện hành chủ yếu thực hiện chức năng môi giới tài nguyên và thanh toán trên nền tảng đơn, chưa hỗ trợ cơ chế phân rã và triển khai ứng dụng đa thành phần phân tán trên môi trường đa đám mây (Multi-cloud).

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định các mục tiêu cụ thể:

1. Xây dựng mô hình thị trường đa đám mây (O-Marketplace Model) sở hữu phương thức phân phối dịch vụ mới nhằm giảm thiểu hiện tượng khóa chặt nhà cung cấp và thúc đẩy cạnh tranh công bằng.
2. Xây dựng mô hình ứng dụng đám mây dựa trên thành phần (Composable Application Model - CAM) cho phép mô tả, đóng gói và phân rã phần mềm thành các khối độc lập có thể triển khai trên các nền tảng đám mây không đồng nhất.
3. Giải quyết ba bài toán kỹ thuật nền tảng trong ngữ cảnh O-Marketplace và mô hình CAM:
   • Cơ chế khớp nối (Matchmaking) giữa yêu cầu của thành phần phần mềm với các dịch vụ nền tảng đám mây tương thích.
   • Nâng cao tính khả chuyển ứng dụng (Cloud Application Portability) thông qua cập nhật tự động bản thiết kế (Blueprint) bằng hệ thống biến đổi hai chiều (Bidirectional Transformations - BXs).
   • Tự động sửa lỗi và phục hồi ứng dụng đa đám mây (Multi-cloud Application Auto-repairing) khi xảy ra sự cố thành phần dịch vụ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Kiến trúc thị trường dịch vụ đám mây đa nền tảng, mô hình biểu diễn ứng dụng đám mây khả cấu, phương pháp chuyển đổi đặc tả kỹ thuật, thuật toán khớp nối dịch vụ, cơ chế đồng bộ bản thiết kế ứng dụng và quy trình phục hồi lỗi phân tán.
• Phạm vi nghiên cứu: Giải pháp phần mềm trong môi trường điện toán đám mây; ứng dụng dạng thành phần phân tán (thực nghiệm trên ứng dụng WordPress); các chuẩn mở và công cụ gồm OASIS TOSCA, SALSA runtime engine, OpenStack, Flexiant, StratusLab.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến các khía cạnh của kiến trúc đám mây:

Hướng nghiên cứu	Tác giả và công trình tiêu biểu	Đặc điểm và hạn chế tồn tại
Kiến trúc và hệ thống đa đám mây	Vukolic [80], Grozev và Buyya [43], Petcu [78], Zhang et al. [84], Sabharwal et al. [74], XaaS Marketplace (Juan et al. [45]), Crane Cloud [8], EasyCloud [6]	Đã thiết lập khái niệm và hệ thống tài nguyên đa đám mây nhưng chưa chuẩn hóa mô hình biểu diễn ứng dụng phân tán thành phần trên sàn giao dịch.
Môi giới và chợ đám mây	Gartner [66, 67], Buyya et al. [20], Jamcracker [52], Bakos [9, 10], CCMarketplace [49], Bitnami, Ingram Micro Cloud, Binh-Minh Nguyen [55]	Các chợ đám mây chủ yếu phục vụ triển khai ứng dụng trên từng đám mây riêng lẻ; phụ thuộc vào cơ chế độc quyền của nhà cung cấp hoặc trung gian môi giới.
Mô tả và đóng gói ứng dụng đám mây	OASIS TOSCA [50], Alexander [3], Saatkamp et al. [69], DSL (Sledziewski et al., Brandtzaeg et al.), OpenStack Heat [60], Canonical Juju [46]	TOSCA chưa hỗ trợ đầy đủ việc mô tả độc lập từng thành phần đa đám mây; thiếu cơ chế tích hợp các đặc tả thành phần riêng rẽ thành bản đặc tả hoàn chỉnh có kiểm tra tính hợp lệ.
Khớp nối dịch vụ đám mây (Matchmaking)	Guillén et al. [44], Baryannis et al. [11], Kolb et al. [47], Zeng et al. [83], Zilci et al. [85], D'Andria et al. (Cloud4SOA) [27], García Gómez et al. [36], Elshareef et al. [29], mOSAIC [28, 64, 65], Saatkamp et al. [69]	Hầu hết thuật toán tập trung vào môi trường đơn đám mây; phương pháp Split and Match của Saatkamp et al. mới bước đầu phân mảnh cấu trúc TOSCA nhưng chưa gắn với mô hình thành phần độc lập của chợ dịch vụ.
Tính khả chuyển ứng dụng (Portability)	mOSAIC [28, 64, 65], Federated PaaS [61, 62], SeaClouds [18], Binh-Minh Nguyen (CAL) [55], Carrasco et al. (Trans-cloud / Brooklyn + TOSCA) [22, 23]	Cung cấp giao diện trừu tượng nhưng chưa có giải pháp tự động đồng bộ trạng thái cấu trúc khi dịch vụ nền tảng thay đổi ở tầng bản thiết kế.
Phát hiện và xử lý lỗi ứng dụng	Xavier et al. [30]	Đề xuất cơ chế cấu hình chịu lỗi bằng tác tử (configurator) và xung nhịp (heartbeat) trên máy ảo, nhưng chưa mở rộng quy trình tự động phục hồi kiến trúc đa đám mây.

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn

Luận án tập trung giải quyết khoảng trống: Thiếu một mô hình thị trường đa đám mây mở kết hợp với mô hình mô tả ứng dụng hướng thành phần độc lập, thiếu cơ chế tự động khớp nối, tự động cập nhật bản thiết kế qua biến đổi hai chiều và tự động phục hồi ứng dụng khi có sự cố dịch vụ trong môi trường đa nhà cung cấp.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khái niệm

1. Mô hình kiến trúc đám mây NIST (SP 800-145 / SP 500-292): Định nghĩa chuẩn về ba tầng dịch vụ IaaS, PaaS, SaaS và các vai trò chính (Cloud Consumer, Cloud Provider, Cloud Broker).
2. Khái niệm Khóa chặt nhà cung cấp (Vendor Lock-in): Cơ chế phụ thuộc kinh tế và kỹ thuật khiến khách hàng chịu chi phí chuyển đổi cao do tính không tương thích của API, chuẩn lưu trữ và định dạng dữ liệu độc quyền.
3. Chuẩn mô tả OASIS TOSCA (Topology and Orchestration Specification for Cloud Applications): Sử dụng các khái niệm mẫu cấu trúc (Topology Template), mẫu nút (Node Template), mẫu quan hệ (Relationship Template) và kế hoạch quản trị (Management Plans) để chuẩn hóa mô tả ứng dụng.
4. Lý thuyết biến đổi hai chiều (Bidirectional Transformations - BXs): Khung toán học và giải thuật đồng bộ dữ liệu giữa bản thiết kế gốc (Source) và khung nhìn cập nhật (View/Target) thông qua hai phép biến đổi tiến (Forward) và hoàn trả (Putback).

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp mô hình hóa và hình thức hóa: Xây dựng mô hình trừu tượng O-Marketplace và mô hình ứng dụng CAM; đặc tả cú pháp và ngữ nghĩa các mẫu thành phần (CAM-D).
• Phương pháp chuyển đổi đặc tả (Model Transformation): Thiết lập quy tắc ánh xạ chuyển đổi từ các mẫu mô tả CAM-D sang đặc tả chuẩn OASIS TOSCA.
• Phương pháp thực nghiệm và kiểm thử hệ thống:
  • Tích hợp động cơ thực thi SALSA (Settling and Launching Service Applications) để tự động hóa việc cấp phát, triển khai và cấu hình ứng dụng trên các hạ tầng ảo hóa phân tán (OpenStack, Flexiant, StratusLab).
  • Triển khai thử nghiệm trường hợp điển hình: Ứng dụng WordPress đa tầng phân tán thành phần Web Application Server trên AWS và Database Server trên Google Cloud Platform.
• Nguồn dữ liệu và tư liệu: Tài liệu kỹ thuật, chuẩn mở quốc tế (OCCI, OVF, CDMI, TOSCA), các tập dữ liệu cấu hình dịch vụ IaaS/PaaS và các kết quả đo lường triển khai thực tế trong phòng thí nghiệm (hợp tác nghiên cứu với Viện Tin học Quốc gia Nhật Bản - NII và Đại học Công nghệ TU Wien).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu (Introduction)

Chương 1 thiết lập bối cảnh nghiên cứu của điện toán đám mây và sự phát triển của các dịch vụ SaaS. Tác giả phân tích hiện trạng các chợ dịch vụ đám mây lớn (AWS Marketplace, Google Apps, IBM Marketplace), chỉ ra sự lệ thuộc của ứng dụng vào hạ tầng độc quyền và rủi ro khóa chặt nhà cung cấp. Chương này làm rõ động lực nghiên cứu, xác định mục tiêu xây dựng mô hình O-Marketplace và mô hình ứng dụng CAM, đồng thời liệt kê các đóng góp chính và bố cục tổng thể của luận án.

Chương 2: Cơ sở nền tảng và các công trình liên quan (Background)

Chương 2 cung cấp hệ thống kiến thức nền tảng và tổng quan tài liệu:

• Phân loại môi trường đám mây: So sánh kiến trúc đám mây đơn (Single-cloud) và đa đám mây (Multi-cloud). Phân tích 11 lợi thế của môi trường đa đám mây: lựa chọn nhà cung cấp tối ưu, phối hợp linh hoạt dịch vụ, giá thành cạnh tranh, tính linh hoạt (agility), khả năng phục hồi (resilience), độ co giãn (scalability), an ninh, hiệu năng mạng, quản trị rủi ro, giảm thiểu khóa chặt nhà cung cấp và thúc đẩy đổi mới sáng tạo.
• Các mô hình phân phối dịch vụ hiện hữu: Phân tích mô hình phân phối trực tiếp, mô hình môi giới (Cloud Service Brokerage - CSB) với cấu trúc của Gartner, kiến trúc Cloud Broker của Buyya et al., và các chợ đám mây (Cloud Marketplace).
• Công nghệ liên quan: Khảo sát chi tiết chuẩn OASIS TOSCA (cấu trúc Topology Template, Node Template, Relationship Template, Management Plan) và khung thực thi SALSA của Duc-Hung et al. (cấu trúc tầng dịch vụ, năng lực cấu hình nguyên thủy/phức hợp, và các tầng triển khai runtime gồm Virtual Machine, Application Container, Web Container, Application).

Chương 3: Mô hình O-Marketplace (O-Marketplace)

Chương 3 trình bày chi tiết về mô hình thị trường đa đám mây O-Marketplace:

• Phân tích hạn chế của phương thức phân phối hiện tại: Phân phối trực tiếp gây phân mảnh; môi giới CSB thiếu minh bạch và tạo sự phụ thuộc trung gian mới; chợ đám mây đóng giữ thế độc quyền nền tảng.
• Cấu trúc tổng thể và các tác nhân của O-Marketplace: O-Marketplace hoạt động như một thị trường mở đóng vai trò trung gian kết nối các tác nhân: Nhà phát triển phần mềm (Software Developers), Nhà cung cấp nền tảng đám mây (Cloud Providers), và Khách hàng tiêu dùng đám mây (Cloud Consumers).
• Cơ chế vận hành: Tách rời hoàn toàn phần mềm ứng dụng (SaaS) khỏi nền tảng thực thi (PaaS/IaaS). Nhà phát triển tự do phát triển các thành phần phần mềm không cần tuân theo API đóng của một hãng cụ thể; nhà cung cấp cạnh tranh cung cấp các dịch vụ nền tảng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của thành phần phần mềm.
• Mục tiêu của O-Marketplace: Xóa bỏ rào cản công nghệ độc quyền, tối ưu hóa chi phí mua sắm dịch vụ thông qua cơ chế khớp nối đa dạng hóa, và đảm bảo quyền tự chủ cho khách hàng khi triển khai phần mềm trên nhiều đám mây.

Chương 4: Mô hình ứng dụng khả cấu (Composable Application Model - CAM)

Chương 4 là trọng tâm kỹ thuật của luận án, bao gồm các nội dung:

• Khái niệm và mô hình trừu tượng của CAM: Phân rã ứng dụng đa đám mây thành hai phần tách biệt: Phần mềm đám mây (Cloud Software) và Nền tảng đám mây (Cloud Platform). Phần mềm đám mây được cấu thành từ các thành phần độc lập (Simple Software Component), các ngăn xếp phần mềm (Cloud Software Stack) và các cấu phần phức hợp (Cloud Software Composition). Nền tảng đám mây đại diện cho IaaS/PaaS cung cấp môi trường thực thi qua các giao thức chuẩn.
• Hệ thống mẫu mô tả CAM-D (CAM-based Description Templates): Xây dựng tập mẫu đặc tả có cấu trúc gồm Mẫu ứng dụng đa đám mây, Mẫu cấu trúc chung thành phần, Mẫu thành phần đơn, Mẫu ngăn xếp, Mẫu cấu phần phức hợp và Mẫu dịch vụ nền tảng.
• Phương pháp chuyển đổi CAM-D sang chuẩn OASIS TOSCA: Thiết lập cơ chế ánh xạ các mẫu CAM-D thành các Node Template và Relationship Template tương ứng trong tài liệu đặc tả TOSCA Service Template.
• Thực nghiệm triển khai qua SALSA: Áp dụng mô hình CAM vào ứng dụng WordPress phân tán. Đặc tả CAM-D của WordPress được chuyển đổi thành định dạng TOSCA, sau đó được nạp vào SALSA để tự động hóa việc cấp phát hạ tầng máy ảo trên các đám mây khác nhau (AWS và GCP), cài đặt máy chủ web, cấu hình cơ sở dữ liệu và thiết lập liên kết mạng giữa các thành phần.
• Các bài toán ứng dụng của CAM trong O-Marketplace:
  1. Khớp nối dịch vụ (Matchmaking): Đề xuất thuật toán tìm kiếm và ghép nối tập hợp các dịch vụ nền tảng (IaaS/PaaS) tương thích với yêu cầu kỹ thuật của các thành phần phần mềm CAM dựa trên tiêu chí chi phí tối ưu hoặc tùy biến từ người dùng.
  2. Khả chuyển ứng dụng (Portability): Quản trị vòng đời ứng dụng đa đám mây dựa trên bản thiết kế (Blueprint). Xây dựng hệ thống Blueprint Update System sử dụng lý thuyết biến đổi hai chiều (BXs) với chương trình cập nhật khung nhìn (View updating program), cho phép tự động đồng bộ mọi thay đổi về nền tảng vào bản thiết kế ứng dụng.
  3. Tự động phục hồi lỗi (Auto-repairing): Xây dựng quy trình tự động tái cấu trúc ứng dụng khi có thành phần dịch vụ gặp sự cố; sử dụng Blueprint để tái cấp phát dịch vụ nền tảng mới, tái triển khai thành phần phần mềm và tự động thiết lập lại các liên kết giao tiếp mạng như trạng thái ban đầu.

Chương 5: Kết luận và định hướng nghiên cứu (Conclusion and Perspectives)

Tổng kết các kết quả đạt được về mặt lý thuyết và thực nghiệm; đánh giá mức độ hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu; chỉ ra một số điểm mở rộng cho các nghiên cứu tiếp theo trong tương lai.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án công bố các kết quả và đóng góp khoa học chính:

1. Đóng góp về mặt lý luận và mô hình

• Đề xuất mô hình O-Marketplace: Một mô hình thị trường đa đám mây mới thiết lập cơ chế phân phối SaaS phân tán, xóa bỏ sự ràng buộc vào hệ sinh thái của một nhà cung cấp đơn lẻ, tạo lập môi trường cạnh tranh mở giữa các nhà cung cấp nền tảng và bảo vệ lợi ích kinh tế của người tiêu dùng.
• Xây dựng mô hình ứng dụng CAM (Composable Application Model): Cung cấp mô hình biểu diễn hình thức và phương pháp mô tả CAM-D cho phép chuẩn hóa việc mô hình hóa ứng dụng đám mây dưới dạng các thành phần độc lập, phân tách rõ ràng giữa tầng phần mềm và tầng nền tảng thực thi.

2. Đóng góp về mặt kỹ thuật và thực tiễn

• Quy trình chuyển đổi đặc tả sang chuẩn OASIS TOSCA: Thiết lập phương pháp ánh xạ từ CAM-D sang TOSCA Service Template, cho phép tương thích với các công cụ điều phối đám mây quốc tế và thực thi triển khai tự động thông qua công cụ SALSA.
• Thuật toán khớp nối dịch vụ đa đám mây: Phát triển giải pháp tìm kiếm và chọn lọc nhóm dịch vụ nền tảng phù hợp nhất cho các thành phần phần mềm trong môi trường chợ dịch vụ theo ràng buộc kỹ thuật và chiến lược chi phí.
• Hệ thống cập nhật bản thiết kế tự động cho tính khả chuyển: Ứng dụng lý thuyết biến đổi hai chiều (BXs) để xây dựng hệ thống Blueprint Update System, đảm bảo bản thiết kế kiến trúc luôn được đồng bộ chính xác khi có sự thay đổi dịch vụ nền tảng IaaS/PaaS.
• Quy trình tự động sửa lỗi và phục hồi ứng dụng: Giải quyết bài toán gián đoạn dịch vụ phân tán thông qua cơ chế tự động tái triển khai và cấu hình lại liên kết thành phần dựa trên bản thiết kế CAM Blueprint.

Các kết quả nghiên cứu trong luận án đã được công bố trong 5 công trình khoa học tại các hội nghị và tạp chí chuyên ngành (bao gồm các bài báo tại hội thảo quốc tế như SOMET 2019 cùng các ấn phẩm liên quan).

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung văn bản luận án, các hạn chế và hướng phát triển được xác định:

• Phạm vi thử nghiệm công nghệ nền tảng: Quá trình thực nghiệm triển khai tự động hóa qua SALSA và TOSCA chủ yếu tập trung vào các hệ thống mã nguồn mở và môi trường hạ tầng thử nghiệm (OpenStack, Flexiant, StratusLab) cùng trường hợp ứng dụng web phân tán (WordPress).
• Định hướng nghiên cứu tiếp theo:
  • Mở rộng đánh giá mô hình CAM và O-Marketplace trên các dạng ứng dụng phức hợp có yêu cầu khắt khe hơn về độ trễ, tính toán phân tán quy mô lớn và lưu lượng giao dịch cao.
  • Tích hợp sâu hơn các thỏa thuận mức dịch vụ (Service Level Agreement - SLA) và giám sát chất lượng dịch vụ (QoS) thời gian thực vào cơ chế khớp nối và phục hồi lỗi tự động.
  • Mở rộng các quy tắc biến đổi hai chiều cho các cấu trúc đặc tả phức tạp hơn ngoài phạm vi các mẫu nút (Node Template) hiện hành.

---

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn trong các lĩnh vực:

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Công nghệ thông tin, Hệ thống thông tin, Khoa học máy tính: Tham khảo phương pháp luận mô hình hóa ứng dụng đám mây phân tán, cách tiếp cận chuẩn OASIS TOSCA, phương pháp biến đổi mô hình hai chiều (BXs) và kỹ thuật điều phối triển khai bằng SALSA.
• Giảng viên và các nhà nghiên cứu: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu trong các học phần Điện toán đám mây nâng cao, Kiến trúc phần mềm hướng dịch vụ và Hệ thống phân tán.
• Kỹ sư kiến trúc phần mềm và phát triển hệ thống (DevOps/Cloud Architects): Ứng dụng mô hình CAM và quy trình Blueprint để thiết kế các phần mềm SaaS có khả năng di chuyển linh hoạt giữa các nhà cung cấp đám mây (AWS, GCP, Azure), loại bỏ nguy cơ khóa chặt công nghệ.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vấn đề khóa chặt nhà cung cấp (vendor lock-in) được luận án phân tích qua ví dụ thực tế nào?
Luận án phân tích ví dụ người dùng mua ứng dụng WordPress trên Bitnami. Ứng dụng chỉ có thể triển khai trên một nhà cung cấp duy nhất (AWS, GCP hoặc Azure). Trong khi máy ảo của AWS cung cấp năng lực tính toán gấp đôi máy ảo tương đương của GCP trong 24 giờ với mức giá tương tự, thì công nghệ cơ sở dữ liệu của Google lại tốt hơn. Tuy nhiên, kiến trúc hiện tại không cho phép phân tách để chạy máy chủ ứng dụng trên AWS và máy chủ cơ sở dữ liệu trên GCP, buộc người dùng bị khóa chặt vào một nhà cung cấp duy nhất.

2. Mô hình CAM phân tách cấu trúc ứng dụng đám mây như thế nào?
CAM phân tách ứng dụng đám mây thành hai phần độc lập:

• Phần mềm đám mây (Cloud Software): Gồm thành phần đơn (Simple Software Component), ngăn xếp phần mềm (Cloud Software Stack) hoặc cấu phần phức hợp (Cloud Software Composition).
• Nền tảng đám mây (Cloud Platform): Đại diện cho các dịch vụ IaaS và PaaS cung cấp môi trường thực thi, kết nối với phần mềm qua các giao thức tiêu chuẩn.

3. Khung thực thi SALSA đóng vai trò gì trong phần thực nghiệm của luận án?
SALSA (Settling and Launching Service Applications) đóng vai trò là động cơ runtime nhận đầu vào là đặc tả dạng TOSCA (được chuyển đổi từ CAM-D), sau đó thực hiện tự động hóa việc cấp phát tài nguyên, cài đặt và cấu hình đa tầng (máy ảo, container, ứng dụng) trên các hạ tầng đám mây không đồng nhất (OpenStack, Flexiant, StratusLab).

4. Cơ chế biến đổi hai chiều (Bidirectional Transformations - BXs) được sử dụng cho mục đích gì trong luận án?
BXs được sử dụng làm hạt nhân trong hệ thống Blueprint Update System nhằm phục vụ tính khả chuyển ứng dụng. Khi có bất kỳ sự thay đổi nào từ các thành phần nền tảng đám mây (IaaS/PaaS), các phép biến đổi tiến (Forward) và hoàn trả (Putback) sẽ tự động cập nhật và đồng bộ khung nhìn cấu hình vào bản thiết kế (Blueprint) của ứng dụng.

5. Quy trình tự động sửa lỗi (Auto-repairing) trong ngữ cảnh O-Marketplace vận hành ra sao?
Khi một hoặc nhiều thành phần dịch vụ gặp sự cố, hệ thống dựa vào bản thiết kế CAM Blueprint để xác định cấu hình gốc, tìm kiếm dịch vụ nền tảng thay thế tương thích, tự động tái triển khai thành phần phần mềm bị lỗi và tái thiết lập các liên kết giao tiếp mạng để khôi phục hoạt động của ứng dụng về trạng thái ổn định ban đầu.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Huỳnh Hoàng Long đã giải quyết bài toán khóa chặt nhà cung cấp trong điện toán đám mây bằng việc đề xuất mô hình thị trường mở O-Marketplace và mô hình ứng dụng khả cấu CAM. Bằng việc kết hợp phương pháp mô hình hóa hình thức với chuẩn OASIS TOSCA, khung thực thi SALSA và lý thuyết biến đổi hai chiều BXs, công trình đã chứng minh tính khả thi của việc phát triển, phân phối, tự động khớp nối, nâng cao tính khả chuyển và tự động phục hồi ứng dụng phân tán trên môi trường đa đám mây. Kết quả nghiên cứu đóng góp giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh cho lĩnh vực kiến trúc phần mềm và dịch vụ đám mây đa nền tảng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY HUYNH HOANG LONG RESEARCHING MULTI-CLOUD MARKETPLACE MODEL DOCTORAL DISSERTATION OF INFORMATION SYSTEMS Hanoi - 2022 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY HUYNH HOANG LONG RESEARCHING MULTI-CLOUD MARKETPLACE MODEL Major: Information Systems Code: 9480104 DOCTORAL DISSERTATION OF INFORMATION SYSTEMS SUPERVISORS: 1. NGUYEN HUU DUC 2. LE TRONG VINH Hanoi - 2022 DECLARATION OF AUTHORSHIP I hereby declare that this thesis is my original work and it has been written by me in its entirety. I confirm that: • This work was done wholly during in Ph.

student at Hanoi University of Sci- ence and Technology. • Where any part of this thesis has previously been submitted at Hanoi University of Science and Technology or any other institution, this has been clearly stated. • Where I have consulted the published work of others, this is always clearly at- tributed. • Where I have quoted from the work of others, the source is always given.

With the exception of such quotations, this thesis is entirely my own work. • I have acknowledged all main sources of help. • Where the thesis is based on work done by myself jointly with others, I have made exactly what was done by others and what I have contributed myself. Hanoi, February 22th 2022 Supervisors Ph.

Student i ACKNOWLEDGEMENT My dissertation would not have finished without the support of my supervisors, family, co-authors, and colleagues. I am grateful to all those people who supported and inspired me while facing academic and personal challenges. I would like to pay the deepest gratitude to my first supervisor Dr. Nguyen Huu Duc for offering me a great environment, plenty of opportunities, and freedom to be creative.

Working with him marked an auspicious beginning to my doctoral upbringing. In critical moments, he has been available to provide sincere and determined opinions, helping me make the right decisions. I also thank my second supervisor, Assoc. Le Trong Vinh for his advice, encouragements and guidance throughout my Ph.

His experiences and insights are immensely meaningful for me in my works. I am grateful to them for devoting their precious time to discussing research ideas, proofreading, and explaining how to write good research papers. I would like to thank them for encouraging my research and empowering me to grow as a research scientist. I am grateful to my parents for their limitless love and my parents brought me up with great values of life, including humility and patience.

They always wish I could get Ph. Without their sacrifices and guidance, my education would have been impossible. I also thank my grandmother for her advice in every aspect of life. My success is also theirs.

My co-authors. Many thanks to my co-authors in our works. They had valuable comments for my works. Special thanks to Prof.

Zhenjiang Hu and Assoc. Huynh Quyet Thang for giving me an internship trip at National Institute of Informat- ics, Japan. Hu and members of Tsumina Lab warmly welcomed me into their lab and offered the helpful collaboration in research. Particularly, Van Dang (Ph.D student at NII) and I achieved a successful combination, our paper was accepted by SOMET 2019.

I also thank Mr Le Duc Hung (Ph.D student at TU Wien) for supporting me to implement component-based cloud software on multi-cloud. Many thanks to my colleagues from Department of Information System, School of Information and Communication Technology, Hanoi University of Science and Technology. Nguyen Thi Kim Anh and As- soc. Nguyen Binh Minh for providing such a stimulating and friendly working ii atmosphere.

It is fortunate for me to study in an active environment. Thank you all! Hanoi, February 22th 2022 Ph. Student Huynh Hoang Long iii ABSTRACT Cloud computing have been an effective delivery model for distributing computing that enables the delivery of applications as services over Internet, as well as platform- and infrastructure-level computing resources. It has been increasingly used by busi- nesses, organizations and individuals as a cost-effective IT solution.

Currently, con- sumers can approach cloud services through several existing service delivery methods in a convenient way as follows: Direct cloud service delivery, Cloud Brokerage, and Cloud Marketplace. However, these cloud service delivery models have many limi- tations on cloud service product information, quality of service, monopoly, competi- tiveness, etc. These problems have been damaging to the benefits of cloud consumers having to pay higher than the real value of cloud services. In addition, different com- mercial cloud providers impose different application architectures that tend to lock consumers into their services and do not want to allow the direct competition with oth- ers.

This is the cause of the well-known issue: vendor lock-in. In economics, vendor lock-in, also known as proprietary lock-in or customer lock-in, makes a customer dependent on a vendor for products and services, unable to use another vendor without substantial switching costs [82]. Because they cannot easily move to another cloud provider in the future without experiencing issues such as high costs, legal constraints, technical incompatibilities [59]. For example, when a consumer buys WordPress Application on Bitnami, he is first provided two deployment offering options: single-tier and multi-tier.

Then he is provided several options to launch WordPress Application: Amazon web services, Google cloud platform, and Azure. WordPress Application can only be deployed on one of these three services. There are two machines that are similar on paper as they both have four cores. Amazon VM offers more memory, but the price is very simi- lar.

In fact, Amazon VM offers almost twice the blended compute capacity over 24 hours than its Google cloud equivalent but database technology of Google is quite better. In the first case, if a consumer has been using Google Cloud and he spots a great cloud service pricing from Amazon. He is not allowed to move cloud service running on Google Cloud to Amazon. Another reason is because cloud technologies are incompatible between Amazon and Google.

In the second case, it is impossible if WordPress App Server is hosted on Amazon and WordPress Database is hosted on iv Google Cloud to leverage the benefits of two cloud providers. Taking advantage of it is not going to be easy because before he know it, he will be locked into single cloud provider. This challenge can be overcome if the WordPress App Server and Wordpress Database could be spread across two cloud providers to benefit from each provider’s best technology and less VM capacity (cheaper but meets the need). More effectively, WordPress components should be described in an open standard so that other providers than those mentioned above can offer cloud services at competitive prices and better capacities, and its components could be easily ported to other cloud.

To deal with vendor lock-in problem, multi-cloud is the effective approach because a multi-cloud strategy enables consumers to select any cloud service to meet the re- quirements of a particular application or workload as well as porting cloud software to another cloud. In this way, we have an interesting ideal about a multi-cloud service delivery model that facilitates to distribute Software as a Service (SaaS) across various clouds as well as liberates cloud developers from being tied to proprietary technology ecosystems. To turn our idea into reality, we sketch O-Marketplace Model (multi- cloud marketplace model) and define Composable Application Model (component- based cloud application model). To demonstrate the practicality of two proposed model, research works are focused on as follows: (i) O-Marketplace Model, after analyzing the limitations of existing cloud service delivery methods, a multi-cloud service delivery method is proposed to overcome these limitations, and a promising multi-cloud marketplace model is built up.

(ii) Composable Application Model, we first build up its concept and its description method, then the experimentation is conducted by transform into TOSCA speci- fication to evaluate the feasibility of the proposed multi-cloud application model. Finally, relying on Composable Application Model and O-Marketplace context, some issues of cloud computing are tackled to prove the practicality of two pro- posed model such as: matchmaking for multi-cloud marketplace application, multi-cloud application portability, multi-cloud application auto-repairing. Keywords: Cloud computing, Vendor lock-in, multi-cloud environment, multi- cloud marketplace, multi-cloud service delivery, multi-cloud application, matchmak- ing, multi-cloud application portability, multi-cloud application auto-repairing, Com- posable Application Model, O-Marketplace, Blueprint. v CONTENTS DECLARATION OF AUTHORSHIP.

x LIST OF TABLES. xi LIST OF FIGURES .2 Thesis research issues and motivation .2 Composable Application Model .1 Overview of Cloud computing .2 Cloud environment classification .1 Single-cloud environment .2 Multi-cloud environment .3 The advantages of multi-cloud environment .2 Existing cloud service delivery models .1 Cloud service brokerage .1 Topology and Orchestration Specification for Cloud Applica- tion - TOSCA .2 Settling and Launching Service Applications - SALSA .1 Approaches for cloud application .2 Approaches for cloud application description .3 Approaches for matchmaking cloud services .4 Approaches for cloud portability .5 Approaches for cloud application repairing .2 Existing methods for delivering cloud services .1 Simple cloud service delivery method .2 Cloud service delivery through Cloud Brokerage .3 Cloud service delivery through Cloud Marketplace .1 The proposed cloud service delivery method for multi-cloud marketplace .2 Overall structure of O-Marketplace .3 The operation mechanism of O-Marketplace .4 The novel approach in SaaS provisioning of O-Marketplace .5 The feasibility of O-Marketplace Model .6 The goals of O-Marketplace. COMPOSABLE APPLICATION MODEL 52 4.2 General concept of CAM .3 Simple Definition for CAM .2 Abstract model of CAM .1 Multi-component cloud software model .4 Cloud Software Stack .5 Cloud Software Composition .4 Description Templates of CAM .1 CAM-based Multi-cloud Application Description Template .2 General Structure of Cloud Software Component Template .3 Simple Software Component Template .4 Cloud Software Stack Template .5 Cloud Software Composition Template .6 Platform Service Template .5 Experimentation of CAM .1 Overview of CAM-D to TOSCA Specification Transformation Method .2 Mapping to TOSCA .1 CAM-Based Wordpress Application Description .2 Transforming Wordpress Description Templates to TOSCA-Based specification .3 Deploying Wordpress Application on multi-cloud by SALSA .6 Applications of CAM in O-Marketplace context .1 CAM-based matchmaking method for O- Marketplace .1 The proposed approach for matchmaking method .2 CAM-based multi-cloud application portability .1 The proposed approach for multi-cloud application portability .2 The proposed method for auto-updating multi-cloud application blueprint .3 View updating program .3 CAM-based method for auto-repairing multi-cloud marketplace application .1 The proposed approach for auto-repairing multi-cloud application .2 Procedure of multi-cloud application auto-repairing 94 4.3 Re-deploying and re-configuring CAM-based cloud application .7 Discussions of CAM .1 The role of CAM in O-Marketplace model .2 The role of CAM in cloud application development. CONCLUSION AND PERSPECTIVES 99 5.

105 LIST OF PUBLICATIONS. 115 ix ABBREVIATIONS API Application Programing Interface AWS Amazone Web Services BXs Bidirectional Transformations CAM Composable Application Model CAM-D CAM-based Description Method CDMI Cloud Data Management Interface CRM Customer Relationship Management CSB Cloud Service Brokerage CSP Cloud Service Provider DB Database EC2 Elastic Computing Cloud I/O Input/Output IaaS Infrastructure as a Service IP Internet Protocol IT Information Technology JSON Java Script Object Notation OCCI Open Cloud Computing Interface OS Operation System OVF Open Virtualization Format PaaS Platform as a Service QoS Quality of Service RDBMS Relational Database Management System REST Representational State Transfer S3 Amazon Simple Storage Service SaaS Software as a Service SALSA Settling and Launching Service Applications SLA Service Level Agreement SQL Structured Query Language TOSCA Topology Ochestration Specification for Cloud Application VM Virtual Machine XML Extensible Markup Language YAML Yet Another Markup Language x LIST OF TABLES 2.1 Existing Cloud Marketplaces .2 The operation mechanism of O-Marketplace .1 The comparison between CAM-D and TOSCA Specification. 102 xi LIST OF FIGURES 1.1 The potential for vendor lock-in risks is exacerbated in the cloud (source [59]).1 Cloud Service Model (source [84]).2 Single cloud architecture.3 Multi-cloud architecture.4 Processes in a CSB platform (source [52]).5 High level architecture of Cloud Broker Service (source [20]).6 TOSCA Service Template overview (source [50]).7 Multi application levels and multi deployment stacks (source [48]).1 Simple cloud service delivery method.2 Cloud service delivery method through Cloud Brokerage.