Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cách mạng công nghiệp 4.0, sự phát triển nhanh chóng của điện toán đám mây, Internet of Things (IoT) và dữ liệu lớn đã tạo ra bước đột phá trong việc thiết kế các ứng dụng công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực y tế. Theo ước tính, việc ứng dụng nền tảng điện toán đám mây tự nhiên (Cloud Native Platform) dựa trên hệ sinh thái mã nguồn mở (Open Source Software - OSS) giúp nâng cao tính linh hoạt và khả năng giản nở của hệ thống. Tuy nhiên, các tổ chức y tế như Bệnh viện Mắt Thành phố Hồ Chí Minh đang đối mặt với nhiều thách thức trong việc xây dựng hệ thống có tính sẵn sàng cao, bảo mật dữ liệu bệnh nhân, khả năng xử lý hình ảnh thời gian thực và hỗ trợ các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) với độ chính xác cao.

Mục tiêu của luận văn là xây dựng mô hình hạ tầng hệ thống áp dụng nền tảng điện toán đám mây riêng (Private Cloud) hỗ trợ phát triển ứng dụng theo kiến trúc Microservices sử dụng container, nhằm tối ưu hóa tài nguyên, đảm bảo tính sẵn sàng và khả năng mở rộng theo chiều ngang (Scale Out). Nghiên cứu tập trung vào việc triển khai thực nghiệm cụm máy chủ trên môi trường lab, áp dụng nền tảng OpenShift và Kubernetes để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và nghiệp vụ của hệ thống y tế tại Bệnh viện Mắt Thành phố Hồ Chí Minh. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các công nghệ điện toán đám mây mã nguồn mở, kiến trúc Microservices, và các mô hình triển khai hạ tầng từ năm 2021 đến 2022.

Việc xây dựng mô hình này không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống y tế mà còn tạo nền tảng cho việc phát triển các ứng dụng AI trong chẩn đoán bệnh lý mắt, đồng thời đảm bảo bảo mật và tính riêng tư dữ liệu bệnh nhân, góp phần thúc đẩy chuyển đổi số trong ngành y tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: kiến trúc Microservices và nền tảng điện toán đám mây tự nhiên (Cloud Native Computing).

  • Kiến trúc Microservices: Đây là mô hình thiết kế ứng dụng phân tách thành các dịch vụ nhỏ, độc lập, có thể phát triển, triển khai và mở rộng riêng biệt. Các dịch vụ này giao tiếp với nhau qua API nhẹ, giúp tăng tính linh hoạt, khả năng mở rộng và giảm thiểu rủi ro khi xảy ra sự cố. So với kiến trúc Monolithic truyền thống, Microservices cho phép cập nhật nhanh chóng, giảm thiểu thời gian downtime và dễ dàng tích hợp nhiều công nghệ khác nhau.

  • Nền tảng điện toán đám mây tự nhiên (Cloud Native Platform): Sử dụng các công nghệ container (Docker), hệ thống điều phối container (Kubernetes), và các tiêu chuẩn mở như Open Container Initiative (OCI), Container Storage Interface (CSI), Container Network Interface (CNI) để xây dựng hạ tầng linh hoạt, có khả năng tự động hóa, quản lý tài nguyên hiệu quả và đảm bảo tính sẵn sàng cao. Kubernetes cung cấp các thành phần như Pod, ReplicaSet, StatefulSet, DaemonSet, Service để quản lý vòng đời ứng dụng và tài nguyên trong cụm máy chủ.

Các khái niệm chính bao gồm: Container, Pod, Persistent Volume (PV), Persistent Volume Claim (PVC), Storage Class, thuật toán đồng thuận RAFT cho tính sẵn sàng cao của Control Plane, và các mô hình triển khai hạ tầng như Private Cloud, Public Cloud, Hybrid Cloud.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích tài liệu khoa học và công nghệ hiện đại.

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu khoa học, báo cáo ngành, mã nguồn mở của cộng đồng Cloud Native Computing Foundation (CNCF), và các tài liệu kỹ thuật về Kubernetes, OpenShift, container, cũng như các nghiên cứu liên quan về ứng dụng Microservices trong y tế.

  • Phương pháp phân tích: So sánh các mô hình triển khai hạ tầng điện toán đám mây công cộng và riêng, đánh giá các tiêu chí về bảo mật, tính riêng tư, khả năng mở rộng, tính sẵn sàng và chi phí. Thực hiện triển khai thực nghiệm cụm máy chủ OpenShift trên nền tảng ESXi 6.7 với cấu hình 2 CPU Intel Xeon E5-2620, 24 vCore, 128GB RAM, 1TB SSD và 2TB HDD. Cài đặt và cấu hình các dịch vụ DNS, DHCP, HAProxy, NFS để hỗ trợ cluster.

  • Timeline nghiên cứu: Từ đầu năm 2021 đến giữa năm 2022, bao gồm giai đoạn khảo sát, thiết kế mô hình, triển khai thực nghiệm, đánh giá và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của kiến trúc Microservices trên nền tảng Private Cloud: Việc triển khai ứng dụng theo kiến trúc Microservices trên nền tảng OpenShift và Kubernetes giúp tăng khả năng mở rộng linh hoạt, giảm thiểu rủi ro khi một dịch vụ gặp sự cố. Thực nghiệm cho thấy hệ thống có thể mở rộng theo chiều ngang bằng cách tăng số lượng Pod, với thời gian khởi động lại dịch vụ nhanh hơn 30% so với kiến trúc Monolithic.

  2. Tính sẵn sàng cao của hệ thống: Sử dụng mô hình Stacked ETCD với 3 node master theo thuật toán đồng thuận RAFT đảm bảo tính sẵn sàng và ổn định cho Control Plane. Trong quá trình thử nghiệm, hệ thống duy trì hoạt động liên tục với tỷ lệ uptime đạt trên 99,9%, giảm thiểu thời gian gián đoạn do lỗi phần cứng hoặc phần mềm.

  3. Bảo mật và tính riêng tư dữ liệu: So sánh với các nền tảng điện toán đám mây công cộng, mô hình Private Cloud cung cấp mức độ bảo mật và riêng tư cao hơn do dữ liệu được lưu trữ và quản lý tại trung tâm dữ liệu riêng của tổ chức. Điều này đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt về bảo vệ thông tin bệnh nhân trong lĩnh vực y tế.

  4. Chi phí vận hành và triển khai: Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống Private Cloud ở mức trung bình, khoảng dưới 1000 USD cho phần cứng máy chủ trong mô hình thực nghiệm. Chi phí vận hành thấp hơn đáng kể so với các dịch vụ đám mây công cộng do kiểm soát được các chi phí cố định như điện, internet và nhân công vận hành.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng kiến trúc Microservices trên nền tảng Private Cloud là giải pháp phù hợp cho các tổ chức y tế có yêu cầu cao về bảo mật và tính sẵn sàng. So với các nghiên cứu trước đây về triển khai Microservices trên Public Cloud, mô hình này giảm thiểu rủi ro mất dữ liệu và tăng cường kiểm soát tài nguyên. Việc sử dụng Kubernetes và OpenShift giúp tự động hóa quản lý vòng đời ứng dụng, giảm thiểu công sức vận hành.

Biểu đồ so sánh chi phí vận hành và tính sẵn sàng giữa các mô hình Public Cloud, Private Cloud và Hybrid Cloud minh họa rõ ưu thế của mô hình Private Cloud trong bối cảnh y tế. Bảng số liệu về thời gian khởi động lại dịch vụ và tỷ lệ uptime cũng cho thấy hiệu quả vượt trội của kiến trúc Microservices kết hợp với nền tảng Cloud Native.

Tuy nhiên, việc triển khai Microservices cũng đặt ra thách thức về quản trị hệ thống phức tạp, đòi hỏi đội ngũ kỹ thuật có trình độ cao và công cụ giám sát hiệu quả. Ngoài ra, thời gian mở rộng phần cứng trong mô hình Private Cloud lâu hơn so với Public Cloud do phải thực hiện các thủ tục đầu tư và lắp đặt vật lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống giám sát và quản lý tập trung: Áp dụng các công cụ giám sát như Prometheus, Grafana để theo dõi trạng thái các dịch vụ Microservices và tài nguyên hệ thống, giúp phát hiện sớm sự cố và tối ưu hiệu suất. Chủ thể thực hiện: đội ngũ kỹ thuật CNTT bệnh viện, trong vòng 6 tháng.

  2. Đào tạo nâng cao năng lực quản trị Kubernetes và Microservices: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho đội ngũ vận hành nhằm giảm thiểu rủi ro do sai sót quản trị và tăng hiệu quả vận hành. Chủ thể thực hiện: phòng đào tạo CNTT, trong vòng 3 tháng.

  3. Xây dựng chính sách bảo mật và quản lý dữ liệu nghiêm ngặt: Thiết lập các quy trình kiểm soát truy cập, mã hóa dữ liệu và sao lưu định kỳ để đảm bảo an toàn thông tin bệnh nhân. Chủ thể thực hiện: ban quản lý bệnh viện, phối hợp với phòng CNTT, trong vòng 4 tháng.

  4. Mở rộng hạ tầng theo mô hình Hybrid Cloud: Kết hợp Private Cloud với các dịch vụ Public Cloud để tận dụng khả năng mở rộng nhanh và chi phí hiệu quả cho các ứng dụng không nhạy cảm, đồng thời giữ dữ liệu quan trọng trong hệ thống riêng. Chủ thể thực hiện: ban lãnh đạo bệnh viện và phòng CNTT, trong vòng 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý CNTT trong ngành y tế: Giúp hiểu rõ về lợi ích và thách thức khi triển khai nền tảng điện toán đám mây riêng, từ đó đưa ra quyết định đầu tư phù hợp.

  2. Kỹ sư và chuyên gia phát triển phần mềm: Cung cấp kiến thức về kiến trúc Microservices, container và Kubernetes để phát triển các ứng dụng y tế hiện đại, linh hoạt và dễ bảo trì.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thông tin: Là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng công nghệ điện toán đám mây trong lĩnh vực y tế, đồng thời cung cấp phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.

  4. Các tổ chức y tế và bệnh viện: Hỗ trợ xây dựng hệ thống CNTT đáp ứng yêu cầu bảo mật, tính sẵn sàng và khả năng mở rộng, phục vụ công tác khám chữa bệnh và nghiên cứu y học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao nên chọn nền tảng Private Cloud thay vì Public Cloud cho hệ thống y tế?
    Private Cloud đảm bảo bảo mật và tính riêng tư cao hơn do dữ liệu được lưu trữ trong trung tâm dữ liệu riêng, phù hợp với yêu cầu nghiêm ngặt của ngành y tế về bảo vệ thông tin bệnh nhân.

  2. Kiến trúc Microservices có ưu điểm gì so với kiến trúc Monolithic?
    Microservices cho phép phát triển, triển khai và mở rộng từng dịch vụ độc lập, giảm thiểu rủi ro khi sự cố xảy ra, tăng tốc độ cập nhật và dễ dàng tích hợp công nghệ mới.

  3. Làm thế nào để đảm bảo tính sẵn sàng cao cho hệ thống Kubernetes?
    Sử dụng mô hình triển khai nhiều node master với thuật toán đồng thuận RAFT, kết hợp các cơ chế tự phục hồi (self-healing) và cân bằng tải giúp hệ thống duy trì hoạt động liên tục.

  4. Chi phí vận hành hệ thống Private Cloud có cao không?
    Chi phí vận hành Private Cloud thấp hơn so với Public Cloud do kiểm soát được các chi phí cố định như điện, internet và nhân công, đồng thời không phát sinh chi phí thuê dịch vụ theo mức sử dụng.

  5. Có thể mở rộng hệ thống nhanh chóng khi nhu cầu tăng cao không?
    Private Cloud có thể mở rộng theo chiều ngang bằng cách thêm node và tăng số lượng Pod, tuy nhiên thời gian mở rộng phần cứng vật lý lâu hơn so với Public Cloud do các thủ tục đầu tư và lắp đặt.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình hạ tầng điện toán đám mây riêng ứng dụng kiến trúc Microservices, đáp ứng yêu cầu bảo mật, tính sẵn sàng và khả năng mở rộng cho hệ thống y tế.
  • Triển khai thực nghiệm trên nền tảng OpenShift và Kubernetes với cấu hình cụm máy chủ phù hợp, đảm bảo hiệu suất xử lý và quản lý tài nguyên hiệu quả.
  • So sánh với các mô hình Public Cloud và Hybrid Cloud cho thấy ưu thế về bảo mật và chi phí vận hành của Private Cloud trong lĩnh vực y tế.
  • Đề xuất các giải pháp quản trị, đào tạo và mở rộng hạ tầng nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và đáp ứng nhu cầu phát triển trong tương lai.
  • Khuyến khích các tổ chức y tế và nhà nghiên cứu ứng dụng mô hình này để thúc đẩy chuyển đổi số và phát triển các ứng dụng AI trong chẩn đoán y khoa.

Tiếp theo, cần triển khai các giải pháp giám sát và đào tạo nhân lực để đảm bảo vận hành ổn định, đồng thời nghiên cứu mở rộng mô hình sang Hybrid Cloud nhằm tận dụng tối đa lợi ích của các nền tảng điện toán đám mây. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp thực hiện để phát huy hiệu quả nghiên cứu.