Nghiên cứu và phát triển môi trường thực hành công nghệ thông tin trên nền tảng Docker

Chuyên khảo môi trường phân tích Nghiên ứu và phát triển môi trường thự hành ông nghệ thông tin trên nền tảng doker, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu

• Tác giả: Bùi Quang Lâm
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Tuấn Đạt
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Nghiên cứu và phát triển môi trường thực hành công nghệ thông tin trên nền tảng Docker
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.2. Định hướng giải pháp
• 1.3. Bố cục luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU
• 2.1. Khảo sát hiện trạng
• 2.2. Khảo sát tình hình thực hành của sinh viên
• 2.3. Khảo sát các giải pháp ảo hóa môi trường thực hành
• 2.4. Tổng quan chức năng và quy trình nghiệp vụ
• 2.4.1. Tổng quan chức năng
• 2.4.2. Quy trình nghiệp vụ
• 3. CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ ẢO HÓA
• 3.1. Tổng quan về ảo hóa và phần mềm tự do nguồn mở
• 3.2. Công nghệ ảo hóa
• 3.3. Phân loại công nghệ ảo hóa
• 3.4. Ưu điểm, nhược điểm sử dụng công nghệ ảo hóa
• 3.5. Phần mềm tự do nguồn mở
• 3.6. Công nghệ ảo hóa Docker (Container Engine)
• 3.6.1. Khái niệm containerization
• 3.6.2. Kiến trúc và quy trình thực thi một hệ thống sử dụng Docker
• 3.6.3. DockerImages và Dockerfile
• 3.6.4. Kubernetes quản lý các container như thế nào
• 3.6.5. Mô hình và hoạt động của kubernetes
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN MÔI TRƯỜNG THỰC HÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
• 4.1. Mô hình ảo hóa tổng quát
• 4.2. Lựa chọn công nghệ ảo hóa
• 4.3. Công nghệ đề xuất
• 4.4. Tính khả thi giải pháp
• 4.5. Mô hình triển khai
• 4.6. Cơ chế lưu trữ code và project của hệ thống
• 4.7. Cài đặt thử nghiệm
• 4.7.1. Cài đặt Docker
• 4.7.2. Cài đặt Kubernetes – Rancher
• 4.8. Tạo môi trường container
• 4.9. Kết quả đạt được
• 4.9.1. Giao diện quản lý môi trường thực hành
• 4.9.2. Giao diện môi trường thực hành
• 4.10. Đánh giá chức năng hệ thống
• 4.11. Đánh giá hiệu suất hệ thống
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Môi Trường Thực Hành CNTT Docker

Luận văn này tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển một môi trường thực hành CNTT hiệu quả, tận dụng sức mạnh của nền tảng Docker. Hiện nay, sinh viên CNTT thường gặp khó khăn trong việc cài đặt và đồng bộ môi trường lập trình trên các thiết bị cá nhân. Điều này dẫn đến sự không nhất quán trong quá trình thực hành, gây chậm trễ và khó khăn trong việc hợp tác. Ảo hóa container với Docker giải quyết vấn đề này bằng cách cung cấp một môi trường nhất quán và dễ dàng triển khai. Luận văn này hướng đến việc xây dựng một hệ thống đáp ứng đầy đủ các chức năng hỗ trợ học tập và nghiên cứu, có khả năng mở rộng cao, tận dụng hiệu quả tài nguyên máy tính, và dễ dàng cấu hình, cài đặt lại. Dẫn chứng từ luận văn gốc nhấn mạnh việc ảo hóa giúp người tạo và người sử dụng môi trường dễ dàng thực hành các bài tập.

1.1. Lợi ích của Docker Container cho sinh viên CNTT

Docker container mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho sinh viên CNTT. Thứ nhất, nó tạo ra một môi trường lập trình nhất quán trên mọi thiết bị, loại bỏ các vấn đề liên quan đến cấu hình khác nhau. Thứ hai, ảo hóa container giúp tiết kiệm tài nguyên máy tính, cho phép nhiều sinh viên cùng sử dụng một máy chủ vật lý. Thứ ba, việc cài đặt và quản lý môi trường trở nên đơn giản hơn, giúp sinh viên tập trung vào việc học tập và phát triển kỹ năng. Thứ tư, Docker giúp giảm thiểu rủi ro bảo mật so với cài đặt trực tiếp lên hệ điều hành máy chủ. Theo luận văn, việc sử dụng Docker giúp tạo lập môi trường CNTT một cách đơn giản, thuận tiện, góp phần giảm chi phí và nâng cao chất lượng học tập.

1.2. Giới thiệu về bài toán Nghiên cứu Môi Trường CNTT

Bài toán đặt ra là xây dựng một môi trường thực hành CNTT đáp ứng nhu cầu đa dạng của sinh viên. Hệ thống cần hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình, công cụ phát triển, và framework khác nhau. Đồng thời, nó phải có khả năng mở rộng để đáp ứng số lượng người dùng lớn. Việc quản lý tài nguyên hiệu quả là một yếu tố quan trọng để giảm chi phí. Thêm vào đó, hệ thống cần đảm bảo tính bảo mật và ổn định. Luận văn tập trung vào việc tìm kiếm một giải pháp ảo hóa tối ưu, vừa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, vừa mang lại hiệu quả kinh tế.

II. Thách Thức Giải Pháp Phát Triển Ứng Dụng Docker CNTT

Việc xây dựng một môi trường thực hành CNTT trên nền tảng Docker không tránh khỏi những thách thức. Một trong số đó là vấn đề bảo mật, khi các container chia sẻ chung kernel của hệ điều hành. Việc quản lý tài nguyên cũng cần được thực hiện một cách hiệu quả để tránh tình trạng quá tải. Ngoài ra, việc đảm bảo tính tương thích giữa các container và hệ điều hành chủ cũng là một yếu tố quan trọng. Giải pháp được đề xuất bao gồm việc sử dụng các công cụ quản lý container như Kubernetes và Docker Swarm để tự động hóa việc triển khai và quản lý ứng dụng. Các biện pháp bảo mật cũng được áp dụng để giảm thiểu rủi ro.

2.1. Bảo mật trong Ảo Hóa Container với Docker

Môi trường cần có khả năng mở rộng linh hoạt để đáp ứng nhu cầu tăng cao. Cần có cơ chế để tự động phân bổ tài nguyên khi số lượng người dùng tăng lên và giải phóng tài nguyên khi số lượng người dùng giảm xuống. Việc sử dụng Kubernetes giúp đơn giản hóa việc mở rộng hệ thống và quản lý tài nguyên.

2.2. Quản lý Tài Nguyên Hiệu Quả trong Quản Lý Docker

Quản lý tài nguyên là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất và ổn định của hệ thống. Cần theo dõi việc sử dụng tài nguyên của các container và điều chỉnh cấu hình để tránh tình trạng quá tải. Sử dụng các công cụ giám sát hiệu suất như Prometheus và Grafana giúp theo dõi và phân tích việc sử dụng tài nguyên. Việc giới hạn tài nguyên cho mỗi container cũng là một biện pháp hiệu quả để đảm bảo công bằng và ngăn chặn một container chiếm dụng quá nhiều tài nguyên.

III. Phương Pháp Xây Dựng Môi Trường Thực Hành trên Docker

Để xây dựng một môi trường thực hành hiệu quả trên Docker, cần tuân thủ một quy trình chuẩn. Đầu tiên, cần xác định yêu cầu của môi trường, bao gồm các ngôn ngữ lập trình, công cụ phát triển, và framework cần thiết. Sau đó, cần lựa chọn các image Docker phù hợp hoặc xây dựng image Docker tùy chỉnh. Tiếp theo, cần cấu hình các container và kết nối chúng với nhau. Cuối cùng, cần kiểm tra và đánh giá hiệu suất của hệ thống. Luận văn đề xuất mô hình và kiến trúc cho hệ thống thực hành CNTT trên nền tảng Docker, cùng với sự hỗ trợ của một số công cụ hỗ trợ quản lý ảo hóa như Kubernetes, Rancher, … đảm bảo tạo lập được các môi trường thực hành CNTT một cách đơn giản và thuận tiện.

3.1. Xây dựng Dockerfile cho Môi Trường Phát Triển

Dockerfile là một file văn bản chứa các hướng dẫn để xây dựng một image Docker. Dockerfile cho phép tự động hóa quá trình cài đặt và cấu hình môi trường lập trình. Việc sử dụng Dockerfile giúp đảm bảo tính nhất quán và tái sử dụng của môi trường. Dockerfile nên được viết một cách rõ ràng và dễ hiểu để dễ dàng bảo trì và cập nhật. Luận văn cung cấp ví dụ về Dockerfile cơ bản để xây dựng một môi trường phát triển.

3.2. Sử dụng Docker Compose để Quản Lý Ứng Dụng Đa Container

Docker Compose là một công cụ cho phép định nghĩa và quản lý các ứng dụng đa container. Docker Compose sử dụng file YAML để mô tả các container, mạng, và volume cần thiết. Việc sử dụng Docker Compose giúp đơn giản hóa việc triển khai và quản lý các ứng dụng phức tạp. Docker Compose phù hợp với các môi trường phát triển và thử nghiệm. Theo luận văn, Docker Compose tạo file cấu hình YAML định nghĩa và chạy container.

3.3. CI CD với Docker Tự động hóa quy trình phát triển

Sử dụng CI/CD với Docker giúp tự động hóa các giai đoạn phát triển phần mềm, từ tích hợp mã nguồn đến triển khai ứng dụng. Bằng cách tích hợp Docker vào quy trình CI/CD, các nhóm phát triển có thể đảm bảo rằng các ứng dụng được xây dựng, kiểm tra và triển khai một cách nhất quán. Từ đó giúp giảm thiểu lỗi và tăng tốc độ phát hành phần mềm.

IV. Triển Khai và Đánh Giá Môi Trường Thực Hành CNTT Docker

Sau khi xây dựng môi trường thực hành CNTT trên Docker, cần triển khai và đánh giá hiệu suất của hệ thống. Việc triển khai có thể được thực hiện trên một máy chủ vật lý hoặc trên điện toán đám mây. Hiệu suất của hệ thống cần được đánh giá dựa trên các tiêu chí như thời gian khởi động container, thời gian phản hồi của ứng dụng, và mức độ sử dụng tài nguyên. Kết quả đánh giá sẽ giúp xác định các vấn đề cần cải thiện. Luận văn thực nghiệm mô hình để đánh giá chức năng và hiệu suất hoạt động.

4.1. Triển Khai trên Hạ Tầng CNTT Hiện Có

Việc triển khai môi trường thực hành trên hạ tầng CNTT hiện có có thể giúp tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên, cần đảm bảo rằng hạ tầng đáp ứng yêu cầu về tài nguyên và băng thông. Việc sử dụng các công cụ ảo hóa như VMware hoặc Proxmox có thể giúp tận dụng tối đa tài nguyên của hạ tầng. Theo luận văn, việc cài đặt, sử dụng, khai tác các tài nguyên sẽ không còn khó khăn mà vẫn đảm bảo được tính bảo mật cũng như tiết kiệm được tài nguyên một cách tối ưu nhất.

4.2. Đánh Giá Hiệu Suất và Khả Năng Mở Rộng

Đánh giá hiệu suất và khả năng mở rộng là một bước quan trọng để đảm bảo rằng hệ thống đáp ứng nhu cầu sử dụng. Cần đo lường thời gian khởi động container, thời gian phản hồi của ứng dụng, và mức độ sử dụng tài nguyên. Việc sử dụng các công cụ kiểm tra tải như JMeter hoặc LoadView có thể giúp đánh giá khả năng mở rộng của hệ thống. Luận văn đánh giá chức năng và hiệu suất của hệ thống sau khi triển khai.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Môi Trường CNTT Docker

Luận văn đã trình bày một phương pháp xây dựng môi trường thực hành CNTT hiệu quả trên nền tảng Docker. Giải pháp này mang lại nhiều lợi ích như tính nhất quán, tiết kiệm tài nguyên, và dễ dàng quản lý. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu và cải thiện. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tăng cường bảo mật, cải thiện hiệu suất, và mở rộng khả năng tích hợp với các công cụ khác. Luận văn nghiên cứu và đề xuất một hệ thống tiêu chuẩn hỗ trợ đơn giản hóa việc thiết lập và sử dụng môi trường thực hành cho sinh viên nhắm giải quyết các vấn đề đã nêu.

5.1. Tối Ưu Hóa Image Docker và Cấu Hình Container

Tối ưu hóa image Docker và cấu hình container là một yếu tố quan trọng để cải thiện hiệu suất của hệ thống. Cần loại bỏ các thành phần không cần thiết khỏi image Docker và cấu hình container một cách hợp lý. Việc sử dụng các công cụ nén image Docker có thể giúp giảm kích thước của image và tăng tốc độ tải xuống. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các image docker được sử dụng.

5.2. Ứng Dụng DevOps để Tự Động Hóa Quy Trình

Áp dụng các nguyên tắc DevOps có thể giúp tự động hóa quy trình xây dựng, kiểm tra, và triển khai môi trường thực hành. Việc sử dụng các công cụ tự động hóa như Ansible hoặc Chef có thể giúp giảm thiểu lỗi và tăng tốc độ triển khai. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc xây dựng một quy trình DevOps hoàn chỉnh cho môi trường thực hành.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành Công nghệ Thông tin ngày càng phát triển, việc xây dựng môi trường thực hành lập trình hiệu quả cho sinh viên trở thành một vấn đề cấp thiết. Theo khảo sát tại một số trường đại học và doanh nghiệp, hiện có khoảng 25-40 máy tính trong phòng lab được cài đặt các môi trường lập trình khác nhau, tuy nhiên việc đồng bộ và bảo trì môi trường này gặp nhiều khó khăn. Việc cài đặt thủ công trên từng máy tính cá nhân hoặc sử dụng bản ghost đồng bộ không thể giải quyết triệt để các vấn đề về hiệu năng, bảo mật và khả năng mở rộng. Mục tiêu nghiên cứu là phát triển một môi trường thực hành công nghệ thông tin dựa trên nền tảng Docker, giúp sinh viên có thể thực hành lập trình nhanh chóng, đồng bộ, tiết kiệm chi phí và dễ dàng quản lý. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng và thử nghiệm hệ thống tại các trường đại học, cao đẳng trong khoảng thời gian từ 2019 đến 2020. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên máy tính, giảm thiểu thời gian cài đặt và bảo trì môi trường, đồng thời đảm bảo tính bảo mật và khả năng mở rộng phục vụ hàng nghìn sinh viên cùng lúc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

• Công nghệ ảo hóa (Virtualization và Containerization): Virtualization tạo ra các máy ảo độc lập trên cùng phần cứng vật lý, trong khi Containerization đóng gói ứng dụng và các thư viện cần thiết vào container, sử dụng chung nhân hệ điều hành, giúp tối ưu tài nguyên và tăng tốc độ khởi chạy.
• Docker: Là nền tảng containerization phổ biến, cho phép xây dựng, triển khai và quản lý các container một cách nhanh chóng và hiệu quả.
• Kubernetes: Hệ thống quản lý và điều phối container, hỗ trợ mở rộng, cân bằng tải và tự động phục hồi dịch vụ.
• Rancher: Công cụ cung cấp giao diện quản lý trực quan cho Kubernetes, giúp đơn giản hóa việc triển khai và giám sát các container.

Các khái niệm chính bao gồm: Dockerfile (tập tin cấu hình tạo Docker image), Docker image (bản sao môi trường thực hành), container (phiên bản chạy của image), pod (nhóm container trong Kubernetes), và cluster (cụm máy chủ quản lý container).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là khảo sát thực tế tại các phòng lab trường đại học và trung tâm R&D doanh nghiệp, cùng với phân tích các giải pháp ảo hóa hiện có. Phương pháp phân tích bao gồm so sánh ưu nhược điểm của Virtualization và Containerization, đánh giá hiệu suất và chức năng của hệ thống thử nghiệm dựa trên Docker, Kubernetes và Rancher. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm khoảng 30-40 máy tính trong phòng lab và các máy chủ vật lý/ảo làm Master và Worker Server. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 1/2019 đến tháng 6/2020, bao gồm các giai đoạn khảo sát, thiết kế, triển khai thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Hiệu suất khởi chạy môi trường: Docker container khởi chạy trong thời gian dưới 500ms, nhanh hơn đáng kể so với khoảng 20 giây của máy ảo truyền thống, giúp tiết kiệm thời gian thực hành cho sinh viên.
• Tối ưu tài nguyên: Một nhóm 5 container chỉ chiếm khoảng 200MB bộ nhớ, trong khi nhóm 5 máy ảo tương đương chiếm đến 10GB, cho thấy khả năng tiết kiệm tài nguyên vượt trội của Docker.
• Khả năng mở rộng: Hệ thống thử nghiệm có thể phục vụ đồng thời hàng nghìn sinh viên thực hành mà không ảnh hưởng đến hiệu suất, nhờ vào việc sử dụng Kubernetes để điều phối container.
• Đánh giá chức năng: Giao diện quản lý Rancher giúp người quản trị dễ dàng tạo, giám sát và nâng cấp môi trường thực hành, đồng thời hỗ trợ chia sẻ và lưu trữ mã nguồn hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của hiệu suất vượt trội đến từ việc Docker sử dụng chung nhân hệ điều hành, giảm thiểu tài nguyên so với máy ảo truyền thống. So với các giải pháp như bản ghost hay môi trường trực tuyến, hệ thống Docker cho phép tùy chỉnh linh hoạt, bảo mật cao và dễ dàng nâng cấp. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành về ưu điểm của containerization trong giáo dục và doanh nghiệp. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh thời gian khởi chạy và biểu đồ sử dụng bộ nhớ giữa Docker container và máy ảo, cũng như bảng thống kê số lượng sinh viên phục vụ đồng thời.

Đề xuất và khuyến nghị

• Triển khai rộng rãi hệ thống Docker-based: Áp dụng tại các trường đại học và trung tâm đào tạo CNTT để nâng cao hiệu quả thực hành, giảm chi phí đầu tư phần cứng.
• Đào tạo nhân sự quản lý: Tổ chức các khóa đào tạo về Docker, Kubernetes và Rancher cho cán bộ quản lý phòng lab nhằm đảm bảo vận hành hệ thống hiệu quả.
• Phát triển quy trình chuẩn: Xây dựng quy trình chuẩn trong việc tạo, đóng gói và triển khai môi trường thực hành mới, đảm bảo tính đồng bộ và dễ dàng nâng cấp.
• Tăng cường bảo mật: Áp dụng các biện pháp bảo mật mạng và phân quyền truy cập nhằm bảo vệ môi trường thực hành khỏi các rủi ro từ người dùng.
• Nâng cấp hạ tầng: Đầu tư nâng cấp máy chủ Master và Worker để đáp ứng nhu cầu mở rộng số lượng sinh viên thực hành trong tương lai.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 12-18 tháng, với sự phối hợp giữa nhà trường, các trung tâm công nghệ và doanh nghiệp CNTT.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Giảng viên và cán bộ quản lý phòng lab: Giúp hiểu rõ về công nghệ ảo hóa hiện đại, áp dụng để nâng cao chất lượng đào tạo và quản lý phòng thực hành.
• Sinh viên ngành Công nghệ Thông tin: Nắm bắt xu hướng công nghệ containerization, tăng cường kỹ năng thực hành lập trình trong môi trường hiện đại.
• Nhà nghiên cứu và phát triển phần mềm: Tham khảo mô hình triển khai và đánh giá hiệu suất hệ thống Docker trong môi trường giáo dục.
• Doanh nghiệp công nghệ: Áp dụng giải pháp ảo hóa để đào tạo nhân sự, thử nghiệm phần mềm và tối ưu tài nguyên hạ tầng CNTT.

Mỗi nhóm đối tượng sẽ có lợi ích cụ thể như tiết kiệm chi phí, nâng cao hiệu quả đào tạo, cải thiện kỹ năng thực hành và tăng cường khả năng quản lý hệ thống.

Câu hỏi thường gặp

1. Docker khác gì so với máy ảo truyền thống?
   Docker sử dụng container chia sẻ nhân hệ điều hành, khởi chạy nhanh hơn (<500ms) và tiết kiệm tài nguyên hơn so với máy ảo mất khoảng 20 giây để khởi động.

2. Làm thế nào để quản lý nhiều container cùng lúc?
   Kubernetes là công cụ điều phối container, tự động cân bằng tải, mở rộng và phục hồi dịch vụ, giúp quản lý hiệu quả hàng trăm đến hàng nghìn container.

3. Có thể sử dụng Docker cho sinh viên thực hành từ xa không?
   Có, sinh viên có thể truy cập trực tiếp vào container qua giao diện web terminal, tăng tính linh hoạt và giảm thời gian truy cập.

4. Lợi ích của việc sử dụng Rancher là gì?
   Rancher cung cấp giao diện quản lý trực quan, hỗ trợ triển khai, giám sát và phân quyền truy cập, giúp đơn giản hóa việc vận hành hệ thống Kubernetes.

5. Giải pháp này có phù hợp với các trường có quy mô nhỏ không?
   Giải pháp có thể mở rộng linh hoạt, phù hợp với cả quy mô nhỏ và lớn, giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả quản lý môi trường thực hành.

Kết luận

• Đề tài đã xây dựng thành công mô hình môi trường thực hành CNTT dựa trên nền tảng Docker, Kubernetes và Rancher, đáp ứng được các yêu cầu về hiệu suất, bảo mật và khả năng mở rộng.
• Hệ thống giúp giảm thời gian khởi chạy môi trường xuống dưới 500ms, tiết kiệm tài nguyên bộ nhớ đến 95% so với máy ảo truyền thống.
• Mô hình triển khai cho phép phục vụ đồng thời hàng nghìn sinh viên, nâng cao hiệu quả đào tạo và giảm chi phí đầu tư phần cứng.
• Các công cụ quản lý như Rancher giúp đơn giản hóa việc vận hành và nâng cấp môi trường thực hành.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai rộng rãi, đào tạo nhân sự và nâng cấp hạ tầng để phát huy tối đa hiệu quả hệ thống.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các trường đại học và doanh nghiệp để triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời phát triển thêm các tính năng nâng cao cho hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay việc thực hành lập trình của các sinh viên ngành công nghệ thông tin thường được thực hiện trên laptop, PC, hoặc các thiết bị cá nhân. Do việc cấu hình và cài đặt môi trường khác nhau, nên việc lập trình và xây dựng các dự án (project) CNTT diễn ra không đồng bộ, khiến việc thực hành gặp phải nhiều khó khăn. Quá trình cài đặt trải qua nhiều công đoạn mất thời gian. Sau khi cài đặt xong, môi trường thực hành cũng cần phải được kiểm tra trước khi cho sinh viên sử dụng.

Nguyên nhân là khi cài đặt môi trường lên máy tính thực hành, nếu không cẩn thận có thể thiếu thư viện, thiếu các thành phần yêu cầu của môi trường sẽ gây nên sai sót khi thực hành. Việc sử dụng máy tính ở các phòng thực hành tại trường học hay máy tính cá nhân khi ở nhà cũng khiến chi phí bỏ ra của các trường học và của mỗi sinh viên cao hơn. Máy tính cấu hình tốt nếu chỉ phục vụ cho một người sẽ gây lãng phí, do không tận dụng được hết tài nguyên máy. Vấn đề bảo mật cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro và nguy cơ.

Trong quá trình thực hành sinh viên có thể thao tác, nghịch ngợm với các môi trường ngoài. Nếu sinh viên truy cập vào những địa chỉ không rõ nguồn gốc có mã độc sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường thực hành và thiết bị. Đối với môi trường thực hành trong nhà trường hay các phòng nghiên cứu, trong quá trình học tập sinh viên có thể cấu hình lại các môi trường thực hành đã cài đặt sẵn, dẫn đến làm hỏng môi trường, gây ảnh hưởng đến những sinh viên thực hành sau đó. Để khắc phục, người bảo trì phòng thực hành (lab) phải dành nhiều công sức và thời gian để cài đặt lại môi trường.

Hiện tại có một số giải pháp có thể khắc phục vấn đề trên như sử dụng các bản ghost 1 để cài đặt và đồng bộ các môi trường hàng loạt, hoặc thực hành trên các môi trường trang mạng trực tuyến. Tuy nhiên những giải pháp này vẫn còn nhiều hạn chế. Ví dụ, khi sử dụng bản ghost để cài đặt các môi trường một cách đồng bộ, ta vẫn chưa thể chia sẻ nguồn tài nguyên của một máy tính cho nhiều người. Việc nâng cấp các môi trường trong bản ghost đó cũng phức tạp và phải thực hiện lần lượt.

Bản ghost có thể không tương thích với các máy tính có những cấu hình khác 1 Tệp (file) ghost là tệp nén tất cả thông tin của một ổ đĩa trên máy tính lại thành một file duy nhất. Tệp ghost này thường được dùng trong sao lưu và phục hồi ổ đĩa dữ liệu hoặc ổ đĩa cài đặt hệ điều hành 7 nhau. Trong khi đó, việc sử dụng các môi trường được cung cấp bởi các trang mạng trực tuyến có thể giải quyết được vấn đề khi máy tính thiếu tài nguyên, nhưng người sử dụng sẽ phụ thuộc vào các môi trường được cung cấp sẵn mà không thể đưa ra tùy chọn cài đặt cá nhân. Việc sử dụng các mạng trực tuyến cung cấp môi trường có sẵn chỉ hợp lý với các bài toán mang tính cá nhân, nhỏ lẻ và không đảm bảo về tính bảo mật, an toàn dữ liệu.

Hiện nay, một số giải pháp thương mại đã được cung cấp như trình biên dịch mã nguồn Cloud9 2 của Amazon hay giải pháp điện toán tích hợp toàn diện để phát triển ứng dụng của Microsoft là Azure 3. Cloud9 cung cấp cho người sử dụng một IDE lập trình trên nền tảng đám mây, chạy trên máy chủ của Amazon cung cấp. Với quy mô máy chủ lớn, Cloud9 có ưu điểm về tốc độ xử lý cực cao, cung cấp nhiều công cụ hỗ trợ việc phát triển ứng dụng. Tuy nhiên, người dùng sẽ phải trả phí theo thời lượng sử dụng hoặc trả phí theo gói.

Việc thực hành của sinh viên CNTT nếu sử dụng nền tảng Cloud9 gây lãng phí về chi phí và tài nguyên môi trường. Dịch vụ Azure của Microsoft thường được các lập trình viên trong các doanh nghiệp lựa chọn để phát triển ứng dụng thông minh. Từ nhận dạng hình ảnh đến dịch vụ, Azure và trí thông minh nhân tạo của Microsoft tạo ra những trải nghiệm mới có quy mô, hỗ trợ công nghệ Deep Learning 4 và phân tích thời gian thực trên bất kỳ hình dạng và kích thước dữ liệu nào. Cũng giống như Cloud9 của Amazon, Azure chỉ phù hợp với việc phát triển ứng dụng và công nghệ thuộc các công ty công nghệ để triển khai sản phẩm và dịch vụ của họ.

Việc sử dụng dịch vụ Cloud9 hay Azure trong thực hành cho sinh viên CNTT đều gây lãng phí chi phí và tài nguyên. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Trước thực trạng trên, luận văn này tập trung nghiên cứu giải pháp xây dựng môi trường thực hành cho sinh viên CNTT với các vấn đề cần giải quyết như sau: (1) Hệ thống cung cấp đầy đủ các loại môi trường thực hành CNTT, đảm bảo đầy đủ các chức năng hỗ trợ cho việc học tập và nghiên cứu. (2) Hệ thống có tính năng mở rộng theo yêu cầu, khi cần thiết có thể phục vụ được đồng thời hàng nghìn sinh 2 https://azure.com/sv-se/blog/windows-azure-and-cloud9-ide-at-node-summit/ 3 https://searchcloudcomputing.com/definition/Windows-Azure 4 Deep Learning là định nghĩa thuộc về một phần các thuật toán trong Machine Learning (máy học) với đặc thù mang độ phức tạp cao hơn. eep Learning bao gồm nhiều lớp ẩn trong một mạng lưới thần kinh và thuộc lớp sau cùng.

Việc đi qua nhiều số lượng lớp và mạng phức tạp được cho là độ sâu. 8 viên cùng thực hành. (3) Giải pháp phải tận dụng được hiệu quả nguồn tài nguyên máy tính để giảm chi phí đầu tư, tránh tình trạng máy có cấu hình cao chỉ phục vụ được một sinh viên tại một thời điểm. (4) Môi trường thực hành có thể dễ dàng được cấu hình, thêm bớt thư viên hoặc có thể được cài đặt lại về mặc định một cách nhanh chóng.

(5) Xây dựng một quy trình chuẩn trong việc thêm môi trường thực hành mới vào hệ thống, bao gồm các bước: xác định yêu cầu của môi trường, lựa chọn phiên bản, cài đặt thử nghiệm, đánh giá chức năng và hiệu suất, đóng gói bản cài đặt, triển khai môi trường. Xây dựng môi trường thực hành trên công nghệ ảo hóa sẽ khắc phục được những hạn chế so với việc cài đặt thủ công môi trường trên từng thiết bị. Với công nghệ ảo hóa ta chỉ cần cài đặt trên một máy chủ duy nhất rồi phần chia môi trường thực hành đến các máy tính khác. Việc phát triển môi trường thực hành trên một máy chủ sẽ giúp người quản lý hệ thống dành thời gian tập trung phát triển môi trường, đảm bảo các tính năng cần thiết và dễ dàng nâng cấp cũng như tiện lợi khi sử dụng.

Việc dựa vào những lợi ích mà công nghệ ảo hóa mang lại, việc thực hành của sinh viên được thực hiện dễ dàng, thuận lợi nhưng vẫn tiết kiệm chi phí. Công nghệ ảo hóa được chia làm nhiều loại, trong đó nổi bật là hai công nghệ Virtualization và Containerization. Virtualization là công nghệ ảo hóa phổ biến nhất hiện nay, là công nghệ chia các máy chủ vật lý thành nhiều máy chủ đơn lẻ, có đầy đủ thành phần, cấu trúc như một máy chủ thật. Virtualization giúp cho một máy chủ có thể đảm bảo được nhiều chức năng cũng như nhiệm vụ khác nhau khi thực hiện công việc.

Containerization là công nghệ ảo hóa mới, thường được sử dụng nhiều tại các doanh nghiệp CNTT để triển khai dịch vụ trên nền tảng ảo hóa. Với công nghệ containerization các ứng dụng sẽ được đóng gói thành các container. Các container này sử dụng chung nhân hệ điều hành với máy chủ chính nên giúp tối ưu thời gian khởi động ứng dụng so với công nghệ Virtualization. Ngoài ra công nghệ containerization còn có nhiều ưu điểm trong quá trình làm việc nhóm, giúp cho các cấu hình phần mềm được triển khai thống nhất và đồng bộ.

Docker là một công cụ giám sát, quản lý ảo hóa trên nền tảng Containerization. Với Docker, người sử dụng có thể triển khai các container một cách đơn giản và nhanh chóng. Docker cũng cung cấp những tính năng để thực thi, giám sát và quản lý các container một cách thuận tiện so với việc triển khai container một cách thủ công. Việc áp dụng công nghệ Docker trong việc xây dựng môi trường thực hành cho sinh viên CNTT là hướng tiếp cập khá mới mẻ và có lẫn nhiều ưu, nhược điểm so với các giải pháp công nghệ khác.

Luận văn này tập trung nghiên cứu công nghệ Containerization nói chung và công cụ ảo hóa Docker nói riêng, đồng thời so sánh 9 Docker và các công nghệ ảo hóa Containerization khác. Từ đó, xây dựng mô hình thiết kế và triển khai cho hệ thống thực hành công nghệ thông tin dựa trên nền tảng Docker cho sinh viên ngành CNTT tại các trường đại học, cao đẳng. Định hướng giải pháp Luận văn này trước tiên tìm hiểu các công nghệ và mô hình ảo hóa để phân tích và so sánh ưu nhược điểm của các công nghệ này. Sự phù hợp của công nghệ Docker với bài toán đặt ra sẽ được làm rõ, qua đó giải thích cho việc lựa chọn đối tượng và phạm vi nghiên cứu trong đề tài này.

Luận văn đề xuất mô hình và kiến trúc cho hệ thống thực hành CNTT trên nền tảng Docker, cùng với sự hỗ trợ của một số công cụ hỗ trợ quản lý ảo hóa như Kubernetes, Rancher, … đảm bảo tạo lập được các môi trường thực hành CNTT một cách đơn giản và thuận tiện, góp phần giảm chi phí đầu tư phòng thực hành cho sinh viên và nâng cao chất lượng học tập. Mô hình kiến trúc sẽ được thực nghiệm để đánh giá chức năng và hiệu suất hoạt động. Những vấn đề mô hình đề xuất đã giải quyết được và chưa giải quyết được so với các giải pháp đang có hiện nay sẽ được làm rõ. Các chức năng và yêu cầu cơ bản cần đáp ứng được bao gồm cung cấp môi trường thực hành cho sinh viên, lưu trữ, chia sẻ việc lập trình, và tối ưu được tài nguyên hệ thống.

Cuối cùng, luận văn sẽ nghiên cứu và đề xuất một hệ thống tiêu chuẩn hỗ trợ đơn giản hóa việc thiết lập và sử dụng môi trường thực hành cho sinh viên nhắm giải quyết các vấn đề đã nêu. Bố cục luận văn Phần còn lại của báo cáo luận văn tốt nghiệp này được trình bày như sau: Chương 2 trình bày việc khảo sát và phân tích yêu cầu về thực tế triển khai môi trường thực hành cho sinh viên CNTT.