Năm 2023, bên cạnh những xu hướng này, container hóa được dự đoán sẽ trở thành một trong những xu hướng công nghệ đáng chú ý nhất. Bài viết thảo luận các vấn đề cơ bản của công nghệ này.

“

Tóm tắt:

- Container hóa (Containerization) là một quy trình triển khai phần mềm cho phép đóng gói mã của ứng dụng cùng với tất cả các tệp và thư viện mà nó cần để chạy trên bất kỳ cơ sở hạ tầng nào.

- Các trường hợp sử dụng container hóa: Di chuyển lên đám mây; Ứng dụng cho kiến ​​trúc vi dịch vụ; Hỗ trợ CI/CD; Ứng dụng cho các thiết bị IoT.

- Lợi ích của container hóa: Khả năng di động; Tốc độ và khả năng mở rộng; Khả năng chịu lỗi; Linh hoạt; Hiệu quả; Dễ quản lý; Bảo mật.

Container hóa là gì?

Container hóa (Containerization) là một quy trình triển khai phần mềm cho phép đóng gói mã của ứng dụng cùng với tất cả các tệp và thư viện mà nó cần để chạy trên bất kỳ cơ sở hạ tầng nào.

Thông thường, để chạy một ứng dụng trên máy tính, chúng ta cần phải cài đặt phiên bản phù hợp với hệ điều hành của máy. Ví dụ: Để một gói phần mềm hoạt động được trên máy tính Windows, bạn phải cài đặt phiên bản Windows của gói phần mềm đó. Tuy nhiên, với container hóa, bạn có thể tạo một gói phần mềm duy nhất, hay còn gọi là “bộ chứa” (container), có thể chạy trên tất cả các loại thiết bị và hệ điều hành.

Container hóa hoạt động như thế nào?

Container hóa liên quan đến việc xây dựng các gói phần mềm tự thân hoạt động nhất quán, bất kể chúng chạy trên máy nào. Các nhà phát triển phần mềm tạo và triển khai các “hình ảnh bộ chứa” (container images) - là các tệp chứa thông tin cần thiết để chạy một ứng dụng trong bộ chứa. Các nhà phát triển sẽ sử dụng các công cụ container hóa để xây dựng hình ảnh bộ chứa dựa trên thông số từ OCI (Open Container Initiative - Sáng kiến ​​bộ chứa mở). OCI là một nhóm nguồn mở cung cấp một định dạng được tiêu chuẩn hóa để tạo hình ảnh bộ chứa. Hình ảnh bộ chứa ở dạng chỉ đọc và không thể bị thay đổi bởi hệ thống máy tính.

Hình ảnh bộ chứa là lớp trên cùng trong một hệ thống bộ chứa bao gồm các lớp sau:

Cơ sở hạ tầng, là lớp phần cứng của mô hình container. Lớp này đề cập đến máy tính hoặc máy chủ vật lý chạy ứng dụng trong bộ chứa.

Hệ điều hành, là lớp thứ hai của kiến ​​trúc container hóa. Linux là một hệ điều hành phổ biến cho container hóa với các máy tính tại chỗ. Trong điện toán đám mây, các nhà phát triển sử dụng các dịch vụ đám mây để chạy các ứng dụng trong bộ chứa.

Công cụ bộ chứa (container engine), hay thời gian chạy bộ chứa (container runtime), là một chương trình phần mềm tạo ra các bộ chứa dựa trên hình ảnh bộ chứa. Nó hoạt động như một tác nhân trung gian giữa các bộ chứa và hệ điều hành, cung cấp và quản lý các tài nguyên mà ứng dụng cần. Ví dụ: các công cụ bộ chứa có thể quản lý nhiều bộ chứa trên cùng một hệ điều hành bằng cách giữ cho chúng độc lập với nhau và với cơ sở hạ tầng bên dưới.

Ứng dụng. Lớp trên cùng của kiến ​​trúc bộ chứa là mã ứng dụng và các tệp khác mà nó cần để chạy, chẳng hạn như các tệp cấu hình liên quan và các tệp thư viện. Lớp này cũng có thể chứa một hệ điều hành khách gọn nhẹ được cài đặt trên hệ điều hành máy chủ.

Điều phối bộ chứa

Điều phối bộ chứa là một công nghệ phần mềm cho phép tự động quản lý các bộ chứa. Điều này cần thiết cho việc phát triển ứng dụng đám mây hiện đại vì một ứng dụng có thể chứa hàng nghìn vi dịch vụ (microservices) trong bộ chứa tương ứng của chúng. Số lượng lớn các vi dịch vụ trong bộ chứa khiến các nhà phát triển phần mềm không thể quản lý chúng theo cách thủ công. Nhà phát triển sẽ sử dụng các công cụ điều phối bộ chứa để tự động khởi chạy, dừng và quản lý các bộ chứa. Trình điều phối bộ chứa cho phép các nhà phát triển mở rộng quy mô ứng dụng đám mây một cách chính xác và tránh lỗi của con người.

Các loại công nghệ bộ chứa

Do sự phổ biến ngày càng tăng của công nghệ này, Open Container Initiative (OCI) đã quyết định giữ các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật của công nghệ container hóa ở mức tối thiểu để đảm bảo các công ty có nhiều lựa chọn hơn trong các công cụ container hóa nguồn mở đa dạng hiện nay. Sau đây là một số công nghệ phổ biến mà các nhà phát triển sử dụng để thực hiện container hóa.

Docker, hay Docker Engine, là một công cụ thời gian chạy bộ chứa mã nguồn mở phổ biến cho phép các nhà phát triển phần mềm xây dựng, triển khai và thử nghiệm các ứng dụng được chứa trong bộ chứa trên nhiều nền tảng khác nhau. Bộ chứa Docker là các gói ứng dụng độc lập và các tệp liên quan được tạo bằng khung Docker.

Linux là một hệ điều hành mã nguồn mở với công nghệ bộ chứa được tích hợp sẵn. Bộ chứa Linux là môi trường độc lập cho phép nhiều ứng dụng dựa trên nền tảng Linux chạy trên một máy chủ duy nhất. Các nhà phát triển phần mềm sử dụng bộ chứa Linux để triển khai các ứng dụng ghi hoặc đọc một lượng lớn dữ liệu. Bộ chứa Linux không sao chép toàn bộ hệ điều hành vào môi trường ảo hóa của chúng. Thay vào đó, các bộ chứa sẽ bao gồm các chức năng cần thiết được phân bổ trong vùng tên Linux (Linux namespace).

Kubernetes là một công cụ điều phối bộ chứa mã nguồn mở phổ biến mà các nhà phát triển phần mềm sử dụng để triển khai, mở rộng và quản lý một số lượng lớn các vi dịch vụ. Nó có một mô hình khai báo giúp tự động hóa các bộ chứa dễ dàng hơn. Mô hình khai báo đảm bảo rằng Kubernetes thực hiện hành động thích hợp để đáp ứng các yêu cầu dựa trên các tệp cấu hình.

Rocket là một công cụ bộ chứa dựa trên ứng dụng được sử dụng để xây dựng các ứng dụng gốc trên đám mây hiện đại. Nó sử dụng CoreOS, hoạt động dựa trên các cải tiến bảo mật mà các phiên bản Docker trước đó sử dụng. Nó hoạt động tốt nhất với các công nghệ cần thiết hoặc dưới dạng các thành phần cụ thể của một hệ thống dựa trên Docker.

Các trường hợp sử dụng container hóa

Công nghệ container hóa gần như có thể giúp phát triển bất kỳ ứng dụng nào mà trước đó khó có thể xây dựng trên một hệ thống nguyên bản. Một số trường hợp sử dụng container hóa quan trọng được đề cập bên dưới.

Di chuyển lên đám mây, hay phương pháp tiếp cận “di chuyển giữ nguyên hiện trạng” (lift-and-shift), là một chiến lược phần mềm liên quan đến việc đóng gói các ứng dụng cũ vào các bộ chứa và triển khai chúng trong môi trường điện toán đám mây. Các tổ chức có thể hiện đại hóa các ứng dụng của họ mà không cần viết lại toàn bộ mã phần mềm. Công nghệ container hóa đóng một vai trò to lớn trong việc giúp các nhóm vận hành và phát triển tận dụng phương pháp tiếp cận lift-and-shift trong quá trình di chuyển/tái cấu trúc dữ liệu hoặc các yêu cầu ứng dụng cần thiết.

Ứng dụng cho kiến ​​trúc vi dịch vụ. Các tổ chức đang tìm cách xây dựng các ứng dụng đám mây với vi dịch vụ sẽ cần tới công nghệ container hóa. Kiến trúc vi dịch vụ là một phương pháp phát triển phần mềm sử dụng nhiều thành phần phần mềm phụ thuộc lẫn nhau để cung cấp một ứng dụng chức năng. Mỗi vi dịch vụ có một chức năng độc nhất và xác định. Một ứng dụng đám mây hiện đại bao gồm nhiều vi dịch vụ.

Ví dụ: một ứng dụng truyền phát video trực tuyến (video streaming application) có thể bao gồm các vi dịch vụ để xử lý dữ liệu, theo dõi người dùng, thanh toán và cá nhân hóa. Container hóa cung cấp công cụ phần mềm để đóng gói các vi dịch vụ dưới dạng các chương trình có thể triển khai trên các nền tảng khác nhau. Container hóa giúp đơn giản hóa quy trình phát triển và phân phối các ứng dụng vi dịch vụ vì chúng tách biệt các môi trường tải công việc. Việc tách rời một kiến ​​trúc với các môi trường làm việc độc lập có thể dễ dàng được thiết lập.

Hỗ trợ CI/CD. CI/CD là bộ đôi công việc, bao gồm CI (Continuous Integration – tích hợp liên tục) và CD (Continuous Delivery – phân phối liên tục), đề cập tới quá trình tích hợp (integration) thường xuyên, nhanh chóng hơn khi viết mã cũng như thường xuyên cập nhật phiên bản mới (delivery). Với bộ chứa, chúng ta có thể tạo quy trình phát triển hợp lý để xây dựng, thử nghiệm và triển khai các bản cập nhật hoặc tính năng mới thường xuyên một cách dễ dàng. Ngoài ra, container hóa cũng làm giảm sự lặp lại của các trường hợp thử nghiệm đang chạy và tránh việc tạo ra các cụm truyền tệp liên tục giữa các hệ thống khác nhau.

Ứng dụng cho các thiết bị IoT. Các thiết bị Internet vạn vật (IoT) chứa tài nguyên điện toán hạn chế, khiến cho việc cập nhật phần mềm thủ công trở nên phức tạp. Container hóa cho phép các nhà phát triển triển khai và cập nhật các ứng dụng trên các thiết bị IoT một cách dễ dàng.

Lợi ích của container hóa

Container hóa được các nhà phát triển sử dụng để xây dựng và triển khai các ứng dụng hiện đại vì những ưu điểm sau:

Khả năng di động. Các nhà phát triển phần mềm sử dụng container hóa để triển khai các ứng dụng trong nhiều môi trường mà không cần viết lại mã chương trình. Họ xây dựng ứng dụng một lần và triển khai nó trên nhiều hệ điều hành. Ví dụ: họ chạy cùng một bộ chứa giống nhau trên cả hệ điều hành Linux và Windows. Các nhà phát triển cũng nâng cấp mã ứng dụng cũ lên các phiên bản hiện đại bằng cách sử dụng các bộ chứa để triển khai. Bộ chứa sẽ tạo gói phần mềm thực thi được tách biệt khỏi (không bị ràng buộc hoặc phụ thuộc vào) hệ điều hành máy chủ và do đó, có thể di động và chạy nhất quán trên mọi nền tảng hoặc đám mây.

Tốc độ và khả năng mở rộng. Bộ chứa là các thành phần phần mềm nhẹ nhưng chạy hiệu quả. Điều này không chỉ tăng hiệu suất máy chủ mà còn giảm chi phí sử dụng giấy phép bản quyền trong khi tăng tốc thời gian khởi chạy. Ví dụ, một máy ảo có thể khởi chạy một ứng dụng trong bộ chứa nhanh hơn vì nó không cần khởi động hệ điều hành. Cụm bộ chứa sử dụng tài nguyên điện toán từ cùng một hệ điều hành dùng chung, nhưng một bộ chứa không can thiệp vào hoạt động của các bộ chứa khác. Do đó, các nhà phát triển phần mềm có thể dễ dàng thêm nhiều bộ chứa cho các ứng dụng khác nhau trên một máy duy nhất.

Khả năng chịu lỗi. Các nhóm phát triển phần mềm sử dụng các bộ chứa để xây dựng các ứng dụng có khả năng chịu lỗi. Họ sử dụng nhiều bộ chứa để chạy các vi dịch vụ trên đám mây. Do các vi dịch vụ được container hóa sẽ hoạt động trong không gian người dùng riêng biệt, nên một bộ chứa bị lỗi không ảnh hưởng đến các bộ chứa khác. Các nhóm phát triển có thể xác định và khắc phục mọi sự cố kỹ thuật trong một bộ chứa mà không gây ra bất kỳ thời gian chết nào ở các bộ chứa còn lại. Điều này làm tăng khả năng phục hồi và tính khả dụng của ứng dụng.

Linh hoạt. Các ứng dụng được container hóa sẽ hoạt động trong môi trường điện toán riêng biệt. Các nhà phát triển phần mềm có thể khắc phục sự cố và thay đổi mã ứng dụng mà không can thiệp vào hệ điều hành, phần cứng hoặc các dịch vụ ứng dụng khác. Họ có thể rút ngắn chu kỳ phát hành phần mềm và làm việc với các bản cập nhật một cách nhanh chóng với mô hình bộ chứa.

Hiệu quả. Phần mềm chạy trong môi trường được đóng gói sẽ chia sẻ nhân hệ điều hành của máy và các lớp ứng dụng bên trong các bộ chứa có thể được chia sẻ chéo với nhau. Do đó, việc sử dụng bộ chứa, vốn đã có dung lượng nhỏ hơn và cần ít thời gian khởi động hơn một máy ảo, sẽ cho phép chạy nhiều bộ chứa hơn trên cùng một công suất điện toán so với một máy ảo đơn lẻ. Điều này thúc đẩy hiệu suất máy chủ cao hơn, giảm chi phí máy chủ và giấy phép.

Dễ quản lý. Nền tảng điều phối bộ chứa sẽ tự động hóa việc cài đặt, thay đổi quy mô và quản lý khối lượng công việc cũng như dịch vụ trong bộ chứa. Nền tảng điều phối bộ chứa có thể giảm bớt các tác vụ quản lý như mở rộng quy mô ứng dụng được chứa trong vùng chứa, triển khai các phiên bản ứng dụng mới cũng như cung cấp chức năng giám sát, ghi nhật ký và gỡ lỗi, cùng các chức năng khác.

Kubernetes, được xem là hệ thống điều phối bộ chứa phổ biến nhất hiện có, là một công nghệ nguồn mở (ban đầu là mã nguồn mở của Google, dựa trên dự án nội bộ của họ có tên là Borg) cho phép tự động hóa các chức năng bộ chứa Linux ban đầu. Kubernetes hoạt động với nhiều công cụ bộ chứa, chẳng hạn như Docker, nhưng nó cũng hoạt động với bất kỳ hệ thống bộ chứa nào tuân thủ các tiêu chuẩn Sáng kiến ​​vùng chứa mở (OCI) cho các định dạng và thời gian chạy hình ảnh bộ chứa.

Bảo mật. Việc cách ly các ứng dụng dưới dạng bộ chứa vốn ngăn chặn sự xâm nhập của mã độc ảnh hưởng đến các bộ chứa khác hoặc hệ thống máy chủ. Ngoài ra, các quyền bảo mật có thể được xác định để tự động chặn các thành phần không mong muốn xâm nhập vào bộ chứa hoặc hạn chế liên lạc với các tài nguyên không cần thiết.

Container hóa so với máy ảo

Máy ảo (Virtual Machine - VM) là một bản sao kỹ thuật số của phần cứng vật lý và hệ điều hành của máy chủ. Mỗi VM bao gồm một bản sao đầy đủ của hệ điều hành, ứng dụng, các tệp nhị phân và thư viện cần thiết – chiếm hàng chục GB. Một máy chủ có thể có một số máy ảo dùng chung CPU, bộ lưu trữ và bộ nhớ của nó. Một trình ảo hóa (một phần mềm giám sát máy ảo) sẽ phân bổ tài nguyên máy tính cho tất cả các máy ảo bất kể ứng dụng có sử dụng chúng hay không.

Container hóa là một khái niệm tương tự nhưng được cải tiến từ VM. Thay vì sao chép lớp phần cứng, container hóa sẽ loại bỏ lớp hệ điều hành khỏi môi trường độc lập. Điều này cho phép ứng dụng chạy độc lập với hệ điều hành máy chủ. Bộ chứa chiếm ít không gian hơn so với máy ảo (hình ảnh bộ chứa thường có kích thước vài chục MB), có thể xử lý nhiều ứng dụng hơn và yêu cầu ít tài nguyên hơn. Container hóa giúp ngăn ngừa lãng phí tài nguyên vì các ứng dụng được cung cấp chính xác các tài nguyên mà chúng cần.

Công nghệ ảo hóa cho phép nhiều hệ điều hành và ứng dụng phần mềm chạy đồng thời và chia sẻ tài nguyên của một máy tính vật lý. Ví dụ: có thể chạy cả Windows và Linux hoặc nhiều phiên bản của một hệ điều hành, cùng với nhiều ứng dụng trên cùng một máy chủ. Mỗi ứng dụng và các tệp, thư viện và phần phụ thuộc có liên quan của nó, bao gồm bản sao của hệ điều hành (OS), được đóng gói cùng nhau dưới dạng một máy ảo. Với nhiều máy ảo chạy trên một máy vật lý duy nhất, có thể đạt được mức tiết kiệm đáng kể về vốn, chi phí vận hành và năng lượng.

Tuy vậy, quá trình container hóa sử dụng tài nguyên tính toán thậm chí còn hiệu quả hơn. Một bộ chứa tạo ra một gói phần mềm có thể thực thi duy nhất gói mã ứng dụng cùng với tất cả các tệp cấu hình, thư viện và phần phụ thuộc có liên quan cần thiết để nó chạy. Không giống như máy ảo, các bộ chứa không gói gọn trong một bản sao của hệ điều hành. Thay vào đó, công cụ thời gian chạy bộ chứa được cài đặt trên hệ điều hành của hệ thống máy chủ, trở thành đường dẫn mà qua đó tất cả các bộ chứa trên hệ thống máy tính sẽ chia sẻ cùng một hệ điều hành. Bên cạnh đó, nhiều bộ chứa có thể chạy trên cùng công suất điện toán như một máy ảo duy nhất, mang lại hiệu suất máy chủ cao hơn nữa, giảm hơn nữa chi phí cấp phép và chi phí máy chủ.

Container hóa thường được so sánh với máy ảo vì cả hai công nghệ đều mang lại hiệu quả điện toán đáng kể bằng cách cho phép chạy nhiều loại phần mềm trong một môi trường duy nhất. Tuy nhiên, container hóa đã chứng tỏ rằng nó mang lại nhiều lợi ích hơn so với ảo hóa và nhanh chóng trở thành công nghệ được ưa chuộng.

Kết luận

Container hóa là một xu hướng viễn thông lớn cho năm 2023. Công nghệ này đóng gói mã của ứng dụng và các phần phụ thuộc của nó một cách tách biệt, tạo điều kiện tối ưu hiệu suất trên mọi cơ sở hạ tầng, triển khai nhanh và thời gian đưa ra thị trường ngắn hơn. Container hóa đang trở nên phổ biến do tính di động, linh hoạt, khả năng mở rộng, bảo mật, mô đun hóa và kích thước gọn nhẹ. Những tính năng quan trọng này cho phép các công ty xử lý các tác vụ liên quan đến triển khai một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Với sự phức tạp ngày càng tăng của các mạng và những thách thức phát triển phần mềm đi cùng với nó, các hệ thống được container hóa giúp cho công việc của các nhà phát triển trở nên dễ dàng hơn đồng thời giúp họ vượt qua những khó khăn về vận hành và kỹ thuật. Quá trình container hóa làm tăng tính linh hoạt và khả năng truy cập của ứng dụng nhờ thiết kế hướng dịch vụ, ảo hóa và tinh gọn hơn, không phụ thuộc vào phần cứng hoặc hệ thống khác.

Khi được áp dụng một cách thích hợp, quá trình container hóa sẽ cải thiện hiệu quả DevOps, hợp lý hóa các quy trình làm việc và giảm thiểu xung đột cơ sở hạ tầng. Công nghệ container hóa đóng một vai trò quan trọng trong việc triển khai các ứng dụng hoặc mạng thế hệ tiếp theo. Ví dụ: nó đóng một vai trò nổi bật trong việc tạo các lát cắt mạng, cho phép các nhà cung cấp dịch vụ công nghệ tạo các bản sao ảo của mạng với các yêu cầu kinh doanh đa dạng./.

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 3 tháng 3/2023)

ThS. Nguyễn Diệu Linh - Khoa Điện – Điện tử, Đại học Giao thông Vận tải