Luận văn: Nghiên cứu, phát triển môi trường thực hành CNTT trên Docker

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu, phát triển môi trường thực hành CNTT trên nền tảng Docker, trình bày giải pháp, kiến trúc và đánh giá hiệu suất hệ thống.

• Tác giả: Bùi Quang Lâm
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Tuân Đạt
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin
• Đề tài: Xây Dựng 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

Tóm tắt

I. Giới thiệu về môi trường thực hành CNTT trên Docker

Docker đã trở thành một công nghệ cách mạng trong lĩnh vực công nghệ thông tin, mang lại giải pháp hiệu quả cho việc xây dựng môi trường thực hành. Thay vì sử dụng các phương pháp truyền thống như máy ảo hoặc phòng lab vật lý, containerization cho phép các cơ sở giáo dục triển khai các môi trường lập trình một cách nhanh chóng và linh hoạt. Công nghệ này giúp sinh viên có thể thực hành trên các container độc lập, tiết kiệm tài nguyên máy tính và đảm bảo sự nhất quán của môi trường học tập. Bài viết này sẽ khám phá cách xây dựng một hệ thống Docker toàn diện cho giáo dục công nghệ thông tin.

1.1. Khái niệm về Docker và ảo hóa

Docker là một nền tảng cho phép đóng gói ứng dụng thành các container nhẹ và di động. Khác với ảo hóa truyền thống, Docker không yêu cầu hệ điều hành riêng cho mỗi ứng dụng, giúp tiết kiệm tài nguyên hệ thống. Containerization cung cấp sự cô lập giữa các ứng dụng mà vẫn chia sẻ kernel của hệ điều hành chủ.

1.2. Ưu điểm của Docker trong giáo dục

Sử dụng Docker cho môi trường thực hành mang lại nhiều lợi ích: giảm chi phí phần cứng, dễ dàng triển khai, khôi phục và cập nhật image. Sinh viên có thể làm việc độc lập mà không ảnh hưởng đến các container khác, tạo điều kiện tối ưu cho học tập và thực hành.

II. Kiến trúc hệ thống Docker cho thực hành CNTT

Kiến trúc hệ thống Docker dành cho môi trường thực hành cần được thiết kế để hỗ trợ nhiều sinh viên đồng thời. Mô hình này bao gồm Master Server điều khiển và Worker Servers chứa các container thực hành. Sử dụng Kubernetes và Rancher giúp quản lý orchestration, tự động mở rộng và giám sát hiệu suất. Docker Compose được sử dụng để định nghĩa và chạy các ứng dụng đa container với cấu hình YAML. Kiến trúc này đảm bảo tính ổn định, khả năng mở rộng và quản lý tập trung cho toàn bộ hệ thống thực hành của nhà trường.

2.1. Vai trò của Master Server và Worker Servers

Master Server đóng vai trò quản lý toàn bộ hệ thống, điều phối các container trên các Worker Servers. Mỗi Worker Server chứa một số container chứa môi trường thực hành cho sinh viên. Cơ chế này cho phép phân tải công việc và đảm bảo tính sẵn sàng cao của hệ thống.

2.2. Tác dụng của Kubernetes và Rancher

Kubernetes cung cấp orchestration tự động, quản lý vòng đời container và tự động khôi phục khi xảy ra lỗi. Rancher là giao diện quản lý giúp dễ dàng giám sát, triển khai và cập nhật các container trên toàn bộ hệ thống thông qua UI thân thiện.

III. Quy trình triển khai môi trường thực hành Docker

Quy trình triển khai một hệ thống Docker cho thực hành CNTT bắt đầu từ việc chuẩn bị Dockerfile chứa tất cả các phần mềm, thư viện cần thiết cho môi trường thực hành. Tiếp theo, tạo image từ Dockerfile và đẩy lên registry. Sử dụng Docker Compose để định nghĩa các dịch vụ liên quan và triển khai chúng trên các Worker Servers thông qua Kubernetes. Cuối cùng, cấu hình Rancher để quản lý toàn bộ hệ thống. Quy trình này đảm bảo tính nhất quán, dễ dàng cập nhật và hỗ trợ mở rộng khi cần thiết cho hệ thống giáo dục.

3.1. Chuẩn bị Dockerfile và Image

Dockerfile là tập hợp các lệnh xác định cách xây dựng một image. Nó chứa hệ điều hành Ubuntu, các công cụ lập trình (IDE, compiler, runtime) và thư viện cần thiết. Image được xây dựng từ Dockerfile này có thể tái sử dụng cho nhiều container khác nhau.

3.2. Triển khai container trên Kubernetes

Kubernetes giúp tự động triển khai container trên các Worker Servers và quản lý tài nguyên hiệu quả. Sử dụng Rancher cung cấp giao diện đơn giản để giám sát, mở rộng số lượng container theo nhu cầu.

IV. Đánh giá hiệu suất và chức năng hệ thống

Đánh giá hiệu suất của hệ thống Docker là bước quan trọng để đảm bảo chất lượng môi trường thực hành. Thông qua Rancher UI, có thể giám sát CPU, RAM và các chỉ số hiệu suất khác của Master Server và các Worker Servers. Khi chạy 30 container thực hành đồng thời, hệ thống vẫn duy trì hiệu suất ổn định. Chức năng của hệ thống bao gồm khả năng tạo/xóa container, cung cấp giao diện lập trình (Cloud9 IDE), và hỗ trợ nhiều sinh viên thực hành độc lập. Đánh giá này chứng minh Docker là giải pháp hiệu quả cho môi trường thực hành CNTT hiện đại.

4.1. Giám sát hiệu suất hệ thống

Rancher cung cấp bảng điều khiển thời gian thực để giám sát CPU, RAM, và network bandwidth của tất cả servers. Dữ liệu này giúp quản trị viên tối ưu hóa tài nguyên hệ thống và đảm bảo chất lượng dịch vụ cho sinh viên.

4.2. Tính khả thị và độ tin cậy

Hệ thống Docker hỗ trợ tính sẵn sàng cao thông qua replicas của container và tự động khôi phục khi xảy ra sự cố. Sinh viên có thể thực hành mà không lo ngại về mất dữ liệu hoặc ngắt kết nối đột ngột, nâng cao trải nghiệm học tập.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1) © Làm rõ bài toán và quy trình thục thi hé théng Docker, tại sao Không áp dụng và Tý đo đưa ra đề xuất mới (Phân 3.3 Kiển trúc và quy trình thực thí một hệ thông Docker - Trang 26). © Trinh bay trường hợp hai hoặc nhiều sinh viễn củng thực hành trên một container (Phan 4 2.4 Practice computer - ‘Tang 42). * Phin tich 16 dng gop Inn vin so véi cde giái pháp hiện nay (Phần 4. giá chức năng hệ thông - Trang 48) © _'Trỉnh bày cách thức và mục đích việc tỉnh toán hiệu suất hệ thông (Phân 4.2 Dank gia higu sual hd thang - Trang 48) ® _ Vẽ lại biển đồ se case thể hiền kết nỗi giữa các tác nhân tham gia hệ thông (Phin 2.2 Quy trình nghiệp vụ - Trang 11).

Việtchỉ t phần kết hiện (Phần 5.1 KẾI luận và hướng phát tiển - Trang 54) THUAT NGU VATU VIET TAT CNTT Cong nghé théng tin PC Personal Computer Mãy tỉnh cá nhân UL User Interface Giao điện người dùng, LVTN Tuân văn tốt nghiệp Browser Trinh duyét CSDL Cơ sở dữ liệu CPU Central Provessing Unit Hộ xú lý trung tâm. Enviroment Mỗi trường thực bành Server Mãy chủ Tmage Ban sao của một môi trường phát triển Ghost Tép (file) ghost là tệp nén tất cả thông tín của một é đĩa trên máy tính lại thành một file duy nhất. Tệp ghoạt xảy thường, dược dùng trong sao lưu và phục hỏi é dia dữ liệu và 6 dia cai đặt hệ điều hành. RAM Random Access Memory Tiệ nhớ truy cập ngẫu nhiên Lab Laboratory uw 4,1,3 Tính khả thị giải phap 4.4 Mô hình ảo hóa tổng quát.2 Mô hình triển khai.1 Mô hình trên khai.5 Cơ chế lưu Irữ code và projsrL của hệ thông 47 4.3 Cài đặt thử nghiêm 48 4.1 Cai dit Docker 48 4.2 Cai dit Kubemetes Rancher.3 Tạo mỗi trưởng, container .4 Kết quả đạt được.o cccseieeeirruee 44,1 Giao điện quản lý môi trường thực hành - econ SO 4.2 Giao điện môi trường thực hành - % 4.1 Dánh giá chức năng hệ thông.2 Danh gia higu suat hé théng 53 Chương § Kết luận và hướng phát triển.2 Hướng phát triển.

'TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC. DANH MUC HINA VE Tình 2.1 Sinh viên thục hinh phong lab Đại học Bách Khoa Hình 2.2 Phòng thực hành tại Trang tâm R&D Samsung.3 Giao điện một trang web lập trình online.4 Giá địch vụ Clond9 của AWS: Tinh 3.1 Áo hóa là công nghệ giữa phân cứng và phân mễm máy tính Tình 3.2 Containerization — công nghệ áo hóa thời đại 4.3 Ứng dựng công nghệ ảo hóa. Hình 3,4 Công nghệ ảo hóa và Conladin€rs.5 Container phân tách các img dimg trơng cùng hệ điển hành Tình 3.6 Các khái niệm liên quan dến Docker.7 Quy trình thực thứ hê thống sứ dung Docker.8 Quy tinh tao Container tit Dockertile .9 Vi du Dockerfile co bản.10 Docker composz tao file edu hinh YAML dinh nghia vi chay container .14 Kubemetes nh mot orchestraion eta Comtainer.12 M6 hinh hoat động Kubernetas.14 Cac thanh phat Rancher Tỉnh 4.1 Mỏ hình ào quả tổng quát.2 Mö hinh triển khai.3 Kiến trúc đề xuất áp dụng công nghệ Kubermetes tran Master Server.4 Kiên trúc đề xuất trén Worker Server Hình 4.5 Dookcrile chứa môi trường thực bành Clouđ9 IDE.6 Sứ dụng HDH Ubuntu sẽ giứp tối tư hoạt động các máy chủ.7 Comruand chạy trên Worker Server để đăng ký với Master Server Hinh 4.8 Triển khai container tran Worker Server ti Rancher UI.9 Giao điện Ranchar san khi cải dat thanh cong trén Master Server 50 Hinh 4.10 Master Server cung cap command dé ding ky Worker Server .11 Giao diện quản lý các container trên 1 Woiker 8ervar.12 Giao diện lập trình từ container chứa mã nguồn mé Cloud9 IDE.13 Liệu suất của Master Server trên Rancher UL 54 Hinh 4.14 Hiệu suất của Worker Server 3 chạy 30 conlaimer chứa môi trường thực hành Docker vii NGINX - $5 Hinh 4.15 Biểu đô thay đổi hiện suất Master va Worker Server3. Chỉnh sửa cách trình bảy luận văn.

"Thêm trích đẫn hình ảnh sử dụng và than chiến. Sắp xếp lai bổ cục luận văn theo chuẩn templatz Mau] QTBaove của phòng dào lạo. »_ Táchlời căm ơn và tóm tất luận văn thành các trang khác nhau *_ Bổ sung thêm tải liệu tham khảo và trích dẫn TLTE trong nội dung luận văn dễ đảm bảo hình thức một luận văn thạc sĩ Ngày 30 tháng 06 năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giã luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG Loi cam on Đổ có thể hoàn thành để tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh va tron vọn, ngoài sự phân đầu nỗ lực cia bản thôn, là sự giảng đạy, hướng đẫn nhiột tỉnh cửa cáo Thấy Cô, công với ủng hộ của gia đỉnh và bạn bè trong suối thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn. Xin chân thanh bày tỏ lòng cảm ơn đến Thầy T'S.

Trịnh Tudn Dạt, nguời đã hết lòng giún đồ, hướng dần tôi mết cách chỉ tiết và cẩn thận nhất để có thể hoàn thành luận văn này. Xin chân thánh căm ơn toàn thể quý thầy cô trong Viện Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trong suốt gần 2 năm học ‘vita qua đã truyền đạt những kiến thức quý báu, kinh nghiệm thực tế cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi và các họp viễn có thể hoàn thành tốt chương trình học của minh. Léi sau cùng, tôi xin chân thánh cảm: ơn gia đình, anh chị vả các bạn đồng nghiệp, đặc b Kỹ sư Nguyễn Mạnh Hùng - Trung lâm Ngi n cứu và Phải Triển ĐTĐP Samsung Việt Nam đã hỗ trợ tôi rat nhiều trơn 181 quả trình học lập, nghiên cứu và thực hiện để tài luận văn thạc sĩ một oảch hoàn chẳnh. ‘Tom tat nội dung luận Môi trường Thực hành là một vẫn đề luôn tồn tại suốt thời gian học và làm việc cúa những, sinh viên chuyên ngành công nghệ thông tin.

Hiện nay việc cải đặt các môi trưởng trên PC hay laptop cho sink vién dang sặp nhiều vân đề đặc biệt là việc đáp ứng hiệu năng của thiêt bị với các môi trường thực hành, việc dài đặt nhiều chương trình số làm cho thiết tị chay chậm chụm và nặng nẻ, quả trình cải đặt có thể xây ra sei sót hay phúc tap. BA các môi rường đồng bộ, tất cả các máy lính só thể sử đụng chung một bản ghoạt nhưng lại gây nhiều trở ngại trong việc nâng cấp. Vì vậy áo hóa các mỗi trường thực hành sẽ giúp cho người tao môi trường cũng nhu những sinh viên - người sử dụng môi trướng sẽ dé dang thục hành các bài tập trong quá trình học. Với việc công nghệ ảo hóa ngày càng, phat trién manh mé va nd 16 trong giai đoạn hiện nay, việc cài đặt, sứ dụng, khai táo các tài nguyên sẽ không cón khó khăn mà vẫn đảm báo được tính bảo mật cũng như trất kiệm được từi nguyễn mội cách lôi ta nhất Với việc chọn để tài luận văn tốt nghiệp “Nghiên cửa và phát triển môi trường thực hành.

công nghệ thông tin trên nền tảng Docker” tôi mong muốn sẽ giúp cho sinh viên chuyên. ngành công nghệ thông tin có một môi trường thực hành lập trình đơn giản, nhanh chóng ñ phí đầu tự tiết bị tín học nhưng vẫn đáp ứng được tôi cả các rữtú. cầu đặt ra đổi với một môi rường thực hành lập trình HỌC VIÊN Ky và ghỉ rõ họ tên THUAT NGU VATU VIET TAT CNTT Cong nghé théng tin PC Personal Computer Mãy tỉnh cá nhân UL User Interface Giao điện người dùng, LVTN Tuân văn tốt nghiệp Browser Trinh duyét CSDL Cơ sở dữ liệu CPU Central Provessing Unit Hộ xú lý trung tâm. Enviroment Mỗi trường thực bành Server Mãy chủ Tmage Ban sao của một môi trường phát triển Ghost Tép (file) ghost là tệp nén tất cả thông tín của một é đĩa trên máy tính lại thành một file duy nhất.

Tệp ghoạt xảy thường, dược dùng trong sao lưu và phục hỏi é dia dữ liệu và 6 dia cai đặt hệ điều hành. RAM Random Access Memory Tiệ nhớ truy cập ngẫu nhiên Lab Laboratory uw Hinh 4.8 Triển khai container tran Worker Server ti Rancher UI.9 Giao điện Ranchar san khi cải dat thanh cong trén Master Server 50 Hinh 4.10 Master Server cung cap command dé ding ky Worker Server .11 Giao diện quản lý các container trên 1 Woiker 8ervar.12 Giao diện lập trình từ container chứa mã nguồn mé Cloud9 IDE.13 Liệu suất của Master Server trên Rancher UL 54 Hinh 4.14 Hiệu suất của Worker Server 3 chạy 30 conlaimer chứa môi trường thực hành Docker vii NGINX - $5 Hinh 4.15 Biểu đô thay đổi hiện suất Master va Worker Server3. %6 DANH MUC HINA VE Tình 2.1 Sinh viên thục hinh phong lab Đại học Bách Khoa Hình 2.2 Phòng thực hành tại Trang tâm R&D Samsung.3 Giao điện một trang web lập trình online.4 Giá địch vụ Clond9 của AWS: Tinh 3.1 Áo hóa là công nghệ giữa phân cứng và phân mễm máy tính Tình 3.2 Containerization — công nghệ áo hóa thời đại 4.3 Ứng dựng công nghệ ảo hóa. Hình 3,4 Công nghệ ảo hóa và Conladin€rs.5 Container phân tách các img dimg trơng cùng hệ điển hành Tình 3.6 Các khái niệm liên quan dến Docker.7 Quy trình thực thứ hê thống sứ dung Docker.8 Quy tinh tao Container tit Dockertile .9 Vi du Dockerfile co bản.10 Docker composz tao file edu hinh YAML dinh nghia vi chay container .14 Kubemetes nh mot orchestraion eta Comtainer.12 M6 hinh hoat động Kubernetas.14 Cac thanh phat Rancher Tỉnh 4.1 Mỏ hình ào quả tổng quát.2 Mö hinh triển khai.3 Kiến trúc đề xuất áp dụng công nghệ Kubermetes tran Master Server.4 Kiên trúc đề xuất trén Worker Server Hình 4.5 Dookcrile chứa môi trường thực bành Clouđ9 IDE.6 Sứ dụng HDH Ubuntu sẽ giứp tối tư hoạt động các máy chủ.7 Comruand chạy trên Worker Server để đăng ký với Master Server THUAT NGU VATU VIET TAT CNTT Cong nghé théng tin PC Personal Computer Mãy tỉnh cá nhân UL User Interface Giao điện người dùng, LVTN Tuân văn tốt nghiệp Browser Trinh duyét CSDL Cơ sở dữ liệu CPU Central Provessing Unit Hộ xú lý trung tâm.

Enviroment Mỗi trường thực bành Server Mãy chủ Tmage Ban sao của một môi trường phát triển Ghost Tép (file) ghost là tệp nén tất cả thông tín của một é đĩa trên máy tính lại thành một file duy nhất. Tệp ghoạt xảy thường, dược dùng trong sao lưu và phục hỏi é dia dữ liệu và 6 dia cai đặt hệ điều hành. RAM Random Access Memory Tiệ nhớ truy cập ngẫu nhiên Lab Laboratory uw Hinh 4.8 Triển khai container tran Worker Server ti Rancher UI.9 Giao điện Ranchar san khi cải dat thanh cong trén Master Server 50 Hinh 4.10 Master Server cung cap command dé ding ky Worker Server .11 Giao diện quản lý các container trên 1 Woiker 8ervar.12 Giao diện lập trình từ container chứa mã nguồn mé Cloud9 IDE.13 Liệu suất của Master Server trên Rancher UL 54 Hinh 4.