CLOUDSTACK
1. Ảo hóa máy chủ Hypervisor
Ảo hóa máy chủ:
Ảo hóa máy chủ (Server Virtualization) là một công nghệ cho phép nhiều hệ điều hành chạy đồng thời trên một máy chủ vật lý duy nhất. Thực hiện bằng cách tạo ra các phiên bản ảo của máy chủ, được gọi là máy ảo (VM), trên phần cứng vật lý.Các máy ảo VM sẽ có tài nguyên riêng (CPU, RAM,...) như một máy chủ vật lý
Có 3 loại ảo hóa:
- Ảo hóa hệ điều hành
- Giả lập phần cứng
- Ảo hóa bán phần
Giả lập phần cứng: phần mềm ảo hóa (hypervisor) cung cấp môi trường phần cứng mô phỏng VMM (Virtual Machine Managment), tức là các ứng dụng chạy trong một hệ điều hành khách cô lập và được giám sát quản lý bởi VMM
Ảo hóa bán phần: thay vì mô phỏng một môi trường phần cứng hoàn chỉnh, phần mềm ảo hóa là một lớp mỏng đa truy cập bởi các hệ điều hành khách đến các tài nguyên máy vật lý cơ bản.
Kiến trúc ảo hóa máy chủ
Ảo hóa máy chủ hoạt động bằng cách tạo ra nhiều máy chủ ảo, hoặc máy ảo (VM), trên một máy chủ vật lý duy nhất. Điều này được thực hiện thông qua việc sử dụng phần mềm ảo hóa, còn được gọi là hypervisor
- Physical hardware (phần cứng vật lý): thiết bị thật cung cấp tài nguyên vật lý
- Hypervisor: là một lớp phần mềm nằm giữa phần cứng máy chủ vật lý và các máy ảo. Nó quản lý việc phân bổ tài nguyên như CPU, bộ nhớ, lưu trữ và mạng giữa các máy ảo.
- Máy ảo (Virtual Machines): Mỗi máy ảo là một môi trường tự chứa có thể chạy hệ điều hành và ứng dụng riêng của nó. Nó xuất hiện đối với hệ điều hành khách như một máy chủ vật lý với tài nguyên chuyên dụng riêng của nó.
Hoạt động:
- Phân bổ tài nguyên: Hypervisor phân bổ tài nguyên cho các máy ảo dựa trên nhu cầu và ưu tiên của chúng. Nó có thể điều chỉnh động việc phân bổ tài nguyên để đảm bảo hiệu suất và sử dụng tối ưu.
- Cách ly: Mỗi máy ảo được cách ly với các máy ảo khác, ngăn chặn sự nhiễu và đảm bảo bảo mật. Điều này cho phép các tổ chức chạy nhiều khối lượng công việc trên một máy chủ vật lý duy nhất mà không làm giảm tính toàn vẹn của chúng.
- Quản lý: Hypervisor cung cấp các công cụ để quản lý các máy ảo, bao gồm tạo, sửa đổi và xóa chúng. Nó cũng cho phép giám sát việc sử dụng tài nguyên và hiệu suất. Cách hoạt động:
Khi một máy ảo yêu cầu tài nguyên, ví dụ như chu kỳ CPU hoặc bộ nhớ RAM, hypervisor sẽ lên lịch và phân bổ tài nguyên phần cứng thực một cách hợp lý cho các máy ảo đang hoạt động, dựa trên các chính sách đã được cấu hình.
Để các máy ảo có thể giao tiếp với mạng bên ngoài hoặc với nhau, hypervisor cũng cung cấp các thiết bị mạng ảo. Những thiết bị này mô phỏng chức năng của card mạng vật lý, cho phép máy ảo gửi và nhận dữ liệu qua hệ thống mạng một cách minh bạch.
Cơ chế này đảm bảo rằng mỗi máy ảo tin rằng chúng đang chạy trên phần cứng riêng biệt, mặc dù thực tế là chúng đang chia sẻ tài nguyên từ một máy chủ vật lý chung. Sự thông minh trong quản lý và điều phối của hypervisor giúp duy trì hiệu suất ổn định cho từng máy ảo.
Phân loại hypervisor
Chia thành hai loại chính dựa trên kiến trúc và cách thức chúng tương tác với phần cứng máy chủ: Hypervisor Type 1 và Hypervisor Type 2Hypervisor Type 1
Hypervisor Type 1, còn được gọi là “bare-metal” hypervisor, chạy trực tiếp trên phần cứng vật lý của máy chủ. Chúng không yêu cầu một hệ điều hành chủ (host operating system) nào được cài đặt trước. Thay vào đó, chính hypervisor đảm nhận vai trò như một hệ điều hành tối giản, chuyên biệt cho việc ảo hóa. Quản lý trực tiếp việc hoạt động và tài nguyên của VM, từ đó cung cấp hiệu suất, bảo mật tốt hơn và hiệu quả hơn
Bao gồm:
- VMware ESXi
- Xen Project
- Microsoft Hyper-V
- KVM
- Hiệu suất vượt trội, khả năng mở rộng tốt
- Mức độ bảo mật cao
- Xử lý khối lượng công việc lớn và yêu cầu tính sẵn sàng cao
- Có thể yêu cầu phần cứng tương thích
- Quản lý phức tạp hơn Type 2
- Cần các công cụ quản lý chuyên dụng để cấu hình và giám sát
- Cloud Infrastructure Providers (AWS, Azure, GCP): xương sống cho các dịch vụ đám mây hiện đại
- Môi trường IT doanh nghiệp cho Server Consolidation (hợp nhất máy chủ): hợp nhất khối lượng công việc trên máy chủ vật lý -> giảm chi phí, cải thiện khả năng mở rộng và tối ưu hóa sử dụng phần cứng
- High-Performance Computing (HPC) workloads: research, financial modeling, AI/ML -> chạy mô phỏng phức tạp, xử lý các tập dữ liệu khổng lồ và tối đa hóa xử lý thông qua lập lịch sử dụng tài nguyên và cân bằng tải (load balancing)
Hypervisor Type 2
Hypervisor Type 2, hay “hosted” hypervisor, hoạt động như một ứng dụng phần mềm được cài đặt trên một hệ điều hành chủ (host OS) đã có sẵn (Windows, macOS, Linux). Dựa vào hệ điều hành chủ để quản lý tài nguyên phần cứng, như một ứng dụng quản lý VMs
Quá trình cài đặt Hypervisor Type 2 thường đơn giản và thân thiện với người dùng hơn. Người dùng chỉ cần tải về và cài đặt ứng dụng hypervisor như bất kỳ phần mềm nào khác trên máy tính cá nhân hoặc máy trạm của họ. Điều này làm cho chúng trở nên lý tưởng cho người dùng cá nhân thuận tiện ảo hóa máy tính và kiểm thử môi trường.
Bao gồm:
- Oracle VirtualBox
- VMware WorkStation
- Parallels Desktop
- VMware Fusion
- Dễ dàng setup và sử dụng
- Tương thích rộng rãi với nhiều loại phần cứng phổ thông
- Không cần kiến thức chuyên sâu về quản trị hệ thống
- Phù hợp với môi trường kiểm thử, cá nhân
- Hiệu quả thấp hơn Type1
- Phụ thuộc vào Host OS
- Có độ trễ và tiêu tốn một phần tài nguyên hệ thống cho Host OS
Nếu cần một giải pháp ảo hóa cho môi trường sản xuất với yêu cầu cao về hiệu suất, tính sẵn sàng và bảo mật, Hypervisor Type 1 là lựa chọn tối ưu. Các doanh nghiệp lớn và nhà cung cấp dịch vụ đám mây thường ưu tiên loại này.
Ngược lại, nếu là một nhà phát triển phần mềm, sinh viên, hoặc người dùng cá nhân muốn chạy nhiều hệ điều hành trên máy tính của mình để thử nghiệm hoặc học tập, Hypervisor Type 2 sẽ là lựa chọn tiện lợi và dễ tiếp cận hơn.
Các loại Hyper trên thị trường
Thị trường hypervisor hiện nay khá đa dạng với nhiều giải pháp từ các nhà cung cấp lớn cũng như các dự án mã nguồn mở mạnh mẽ. Mỗi giải pháp có những ưu điểm và đặc thù riêng, phục vụ cho các nhu cầu khác nhau của người dùng và doanh nghiệp.Hypervisor | Loại | Ưu điểm | Nhược điểm | Phù hợp cho |
| VMware ESXi / vSphere | Type 1 | Ổn định, nhiều tính năng Enterprise (HA, DRS, vMotion), hệ sinh thái mạnh | Chi phí license cao, lock-in vendor | Doanh nghiệp lớn, Datacenter cần enterprise support |
| Microsoft Hyper-V | Type 1 | Tích hợp Windows Server, dễ quản trị qua System Center, giá rẻ hơn VMware | Ít tính năng nâng cao hơn VMware, support Linux kém hơn KVM | Doanh nghiệp đã dùng hệ sinh thái Microsoft |
| KVM (Linux) | Type 1 | Mã nguồn mở, miễn phí, tích hợp tốt với Linux, hỗ trợ CloudStack/OpenStack | Cần kỹ năng Linux cao, GUI quản lý không đẹp | Cloud, ISP, doanh nghiệp muốn tiết kiệm chi phí |
| Xen / XCP-ng | Type 1 | Mã nguồn mở, nhẹ, dùng trong nhiều cloud lớn (AWS thời đầu), có Citrix XenServer | Ít phổ biến hơn KVM, cộng đồng nhỏ hơn | SMB, lab, Cloud provider nhỏ |
| Oracle VM | Type 1 | Tích hợp với hệ sinh thái Oracle, hỗ trợ workload Oracle tốt | Giới hạn về cộng đồng, ít dùng rộng rãi | Doanh nghiệp chạy nhiều hệ thống Oracle |
| QEMU | Type2 | Open-source, mạnh trong emulation (giả lập phần cứng), hỗ trợ nhiều kiến trúc CPU (ARM, RISC-V, x86, PowerPC) | Hiệu năng kém hơn (nếu không kết hợp KVM), phức tạp để dùng cho người mới | Nghiên cứu, phát triển hệ điều hành, lab ảo hóa phần cứng |
| VirtualBox | Type 2 | Miễn phí, đa nền tảng, dễ cài, hỗ trợ nhiều OS | Hiệu năng kém, không phù hợp production | Lab, dev/test, cá nhân |
| VMware Workstation / Fusion | Type 2 | Ổn định, hỗ trợ nhiều tính năng dev/test, snapshot mạnh | Mất phí, không dành cho production | Dev/test, cá nhân, đào tạo |
| Parallels Desktop | Type 2 | Tối ưu cho macOS, hỗ trợ Windows mượt | Chỉ chạy trên macOS, mất phí | Người dùng macOS cần chạy Windows/Linux |
2. CloudStack
Khái niệm
CloudStack là một công cụ mã nguồn mở dùng để vận hành hệ thống cloud theo IaaS cho phép zây dựng Private cloud, Public cloud hay cả Hybrid cloud
Là nền tảng cho cơ sở hạ tầng đám mây và các hệ thống Datacenter có thể nhanh chóng và dễ dáng xây dựng dịch vụ đám mây trên cơ sở hạ tầng hiện có bằng việc phối hợp ảo hóa server, network, network storage để cung cấp IaaS với phần cứng của riêng người dùng.
Đầy đủ các tính năng:
- Điều phối tính toán (compute orchestration)
- Mạng lưới mạng dịch vụ (Network as a Service)
- Quản lý người dùng và tài khoản
- Native API, tài nguyên tính toán và UI
Điểm mạnh
- Hỗ trợ nhiều hypervisor
Một cloud có thể triển khai trên nhiều hypervisor -> có thể tận dụng tài nguyên hiện có
- Quản lý cơ sở hạ tầng có khả năng mở rộng lớn
- Quản lý cấu hình cloud tự động
- Giao diện người dùng
- API
Ngoài ra CloudStack cũng cung cấp EC2 API translation cho phép sử dụng những công cụ thông dụng của EC2 trên cloud
- Tính sẵn sàng cao
- Hỗ trợ nhiều giao thức lưu trữ: NFS, SCSI, FC, FcoE
- Giới hạn tài nguyên theo nhu cầu: RAM, CPU, Network, HDD
Kiến trúc
Kiến trúc cơ bản nhất:
- 1 máy chạy CloudStack Management server
- 1 máy chạy phần mềm Hypervisor – hoạt động như hạ tầng cloud
Thành phần:
Managment Server: chạy trên 1 máy chuyên dụng hoặc VM, cung cấp giao diện web cho người quản trị cũng như người dùng cuối, cung cấp API cho CloudStack, quản lý guest VMs, IP private và public đến từng account, quản lý cung cấp storage đến các VM (vistual disk, template, ISO images)
Host: Là máy tính cung cấp tài nguyên chạy instance và đều có hypervisor đề quản lý. Cung cấp CPU, memory, storage và tài nguyên network. Kết nối với nhau bằng TCP/IP network và internet. Có thể nằm trong nhiều datacenter ở nhiều vị trí địa lý khác nhau và có dung lượng khác nhau (tốc độ CPU, RAM, ...)
Cluster: tập hợp các host có cấu hình giống nhau, các host trong cluster chia sẻ primary storage. Kích thước của cluster bị giới hạn bởi hyoervisor cơ bản dù CloudStack khuyên dùng những con cluster có kích thước nhỏ hơn trong hầu hết trường hợp
Pod: một hay nhiều cluster nhóm thành 1 pod, pod thường tương đương với 1 rack và sử dụng switch L2 chia sẻ bởi các cluster trong pod. Các host trong pod sẽ cùng subnet
Zone: các pod nhóm với nhau thành Zone và cùng chia sẻ secondary storage. Một zone tương ứng với một datacenter, dù là datacenter cũng có thể bao gồm nhiều zone. Zone có thể public (ai cũng có thể dùng) hoặc private (domain cụ thể và chỉ có người dùng trong domain hoặc subdomain có thể sử dụng) và host cùng zone có thể truy cập qua lại không cần qua firewall còn khác zone có thể truy cập qua VPN tunnel
Region: nhóm của một hoặc nhiều những zone gần nhau được quản lý bởi một hoặc nhiều Management Server. Các zone trong cùng region chia sẻ thông tin đăng nhập (single sign-on) nhưng không chia sẻ network hay storage vật lý. Cung cấp tính sẵn sàng cao và khả năng mở rộng cũng như chịu lỗi và phục hồi sau thảm họa.
Primary storage: Gắn với cluster và lưu trữ virtual disk cho tất cả instnce chạy trên host trong cluster. Có thể thêm nhiều primary storage cho cluster hoặc zone (ít nhất 1). Thường sẽ ở gần host để tăng hiệu suất và CloudStack sẽ quản lý việc phân bổ virtual disk cho primary storage cụ thể. Hữu ích cho việc thiết lập primary storage cho toàn vùng để tránh hoạt động sao chép dữ liệu và data trong primary storage chỉ có sẵn cho các instance trong cluster.
Secondary storage: chứa Template (OS images dùng để boot instance có thể bao gồm những thông tin thêm về cấu hình), ISO images (disc images bao gồm data hoặc media có thể boot cho hệ điều hành), Disk Volume Snapshot (lưu bản sao data của instance có thể dùng để khôi phục hoặc tạo template). Có sẵn cho tất cả các host trong phạm vi có thể xác định bằng zone hoặc region sử dụng NFS.
So sánh với các platform khác:
Tiêu chí | OpenStack | OpenNebula | CloudStack |
| Độ phức tạp triển khai | Khá phức tạp (nhiều thành phần: Nova, Neutron, Cinder, Keystone...) | Dễ triển khai, kiến trúc đơn giản | Dễ hơn OpenStack, nhưng phức tạp hơn OpenNebula |
| Độ phổ biến / cộng đồng | Rộng, cộng đồng lớn nhất trong 3 giải pháp | Nhỏ, tập trung nhiều ở EU | Trung bình, ổn định (Apache Foundation) |
| Hypervisor hỗ trợ | Chủ yếu KVM, có thể VMware, Xen | KVM, VMware, LXD, Firecracker | VMware, KVM, Xen/XCP-ng, Hyper-V |
| Networking | Mạnh (Neutron, SDN, NFV, OVS, Tungsten Fabric...) | Đơn giản, dễ dùng, ít tính năng nâng cao | Networking khá mạnh (Virtual Router, VLAN, VXLAN, GRE, tích hợp Cisco/Juniper) |
| Storage | Cinder (block), Swift (object), Manila (file) | Tích hợp tốt với Ceph, NFS, iSCSI | SAN, iSCSI, NFS, Ceph, Swift |
| Quản lý đa Datacenter | Có, nhưng cấu hình phức tạp | Có, nhưng đơn giản hơn | Rất mạnh (Zone → Pod → Cluster → Host) |
| UI/UX | Horizon Dashboard (khá basic) | Sunstone (thân thiện) | GUI khá trực quan, dễ dùng hơn Horizon |
| Mức độ phù hợp | Enterprise lớn, Telco, Cloud Provider (IaaS/PaaS) | SMB, Research, HPC, Virtual Lab | ISP, Hosting provider, Enterprise cần quản lý multi-DC |
| License / Chi phí | Open source, nhiều vendor thương mại (Red Hat OpenStack, Mirantis, Canonical...) | Open source, có bản Enterprise | Apache License, free, có support từ cộng đồng & vendor (Exoscale, ShapeBlue) |
Điểm mạnh của CloudStack so với các platform còn lại:
- Đa Hypervisor – không bị lock-in vendor
- Điểm khác biệt lớn so với OpenStack (chủ yếu KVM) và OpenNebula (KVM + một số).
- Có thể tận dụng tài nguyên hiện có
- Quản lý đa Datacenter mạnh mẽ, mô hình Zone–Pod–Cluster–Host
- CloudStack được thiết kế từ đầu cho multi-datacenter và multi-tenant. Quản lý tài nguyên tập trung nhưng vẫn chia vùng logic rõ ràng (Zone, Pod, Cluster, Host).
- Một dashboard duy nhất để quản lý toàn bộ hạ tầng
- Networking tích hợp sẵn, không cần hệ thống phụ
- CloudStack có sẵn Virtual Router: NAT, DHCP, VPN, Load Balancer, Firewall. Đơn giản hơn OpenStack.
- Triển khai & vận hành đơn giản
- OpenStack ngược lại: quá nhiều module (Nova, Neutron, Cinder, Keystone...) → vận hành khó.
- OpenNebula thì nhẹ nhưng lại ít tính năng enterprise.
- Self-service Portal & API đầy đủ
- Có giao diện người dùng rõ ràng cho cả Admin và User.
- Cung cấp REST API → dễ tích hợp với CI/CD, billing system, automation tool
- Ổn định, Production-ready, Apache Foundation bảo trợ
- Bảo trợ bởi Apache Software Foundation → cộng đồng open-source uy tín, minh bạch.
- Không lo bị “vendor lock” hoặc phụ thuộc license đắt đỏ như VMware.
3. Các giải pháp Private Cloud
Mục đích của private cloud:
- Quản lý tập trung hạ tầng, triển khai IaaS nội bộ
- Kiểm soát và tăng tính bảo mật
- Dữ liệu quan trọng nằm trong hạ tầng nội bộ của doanh nghiệp.
- Kiểm soát được ai truy cập, truy cập từ đâu, mức độ phân quyền.
- Phù hợp cho ngành ngân hàng, tài chính, y tế, chính phủ – nơi dữ liệu nhạy cảm không thể đưa hết lên public cloud.
- Tùy biến cao, dễ tích hợp
- Toàn quyền thiết kế hạ tầng theo nhu cầu
- Tích hợp với hệ thống legacy (ERP, Core Banking, DWH...).
- Tùy biến network, security, storage theo chuẩn doanh nghiệp.
- Không bị phụ thuộc vào giới hạn dịch vụ của vendor public cloud
- Đảm bảo hiệu năng và độ trễ
- Tài nguyên đặt tại datacenter riêng → truy cập nhanh, độ trễ thấp so với public cloud ở xa.
- Phù hợp cho ứng dụng real-time
- Tối ưu chi phí
- Public Cloud (AWS, Azure, GCP) chi phí ban đầu thấp nhưng dài hạn có thể rất đắt (pay-as-you-go).
- Private Cloud yêu cầu đầu tư ban đầu (CAPEX), nhưng sau đó chi phí vận hành (OPEX) ổn định, ít biến động.
- Tận dụng hạ tầng sẵn có (server, storage, network).
Các giải pháp
Nhóm OpenSource CMP (Cloud Management Platform)
Các nền tảng mã nguồn mở, cho phép xây dựng IaaS private cloud:- OpenStack – phổ biến nhất, nhiều vendor support (RedHat, Canonical).
- Apache CloudStack – multi-hypervisor, multi-datacenter, dễ triển khai hơn OpenStack.
- OpenNebula – nhẹ, dễ dùng, phù hợp SMB/HPC/Edge.
- Proxmox VE – open-source, all-in-one (Compute, Storage Ceph, Networking SDN), GUI mạnh, cộng đồng lớn
Nhóm thương mại
- VMware vSphere + vCloud/vRealize Suite - Enterprise leader, GUI mạnh, HA/DRS/vMotion
- Microsoft Azure Stack HCI - Đưa dịch vụ Azure về on-premises, tích hợp Windows Server/Hyper-V, hướng tới hybrid cloud.
- Nutanix AHV + Prism - Hyper-Converged Infrastructure (HCI), quản lý đơn giản, compute+storage+network trong một stack, chi phí đầu tư ban đầu cao.
- Red Hat OpenShift (Kubernetes platform) - Không thuần IaaS mà là PaaS container cloud, dùng cho doanh nghiệp muốn cloud-native.
- HPE GreenLake - Private cloud theo dạng “as-a-service” (pay-as-you-go), hạ tầng + dịch vụ + quản trị HPE cung cấp.
- Dell APEX Cloud Services - Mô hình tương tự GreenLake, hướng tới doanh nghiệp muốn OPEX thay vì CAPEX.
Nhóm Hybrid/Multi-Cloud Extension
Một số giải pháp private cloud có khả năng mở rộng lên public cloud:- VMware Cloud Foundation (kết hợp với AWS, Azure, GCP).
- Google Anthos (multi-cloud Kubernetes management).
- Azure Arc (quản lý multi-cloud + on-premises).
- AWS Outposts (AWS đem hạ tầng public cloud xuống datacenter khách hàng).
4. Tổng kết
Hypervisor- Ảo hóa máy chủ cho phép tạo nhiều VM trên máy chủ vật lý
- Hypervisor là lớp trung gian quản lý
- Có 2 loại hypervisor
- Type 1: trực tiếp trên phần cứng
- Type 2: trên OS host
- Cloud Operating mã nguồn mở cung cấp Iaas
- Hỗ trợ đa hypervisor, quản lý DataCenter
- Triển khai vận hành đơn giản
- Open-source
- Thương mại
- Hybrid/Multi-cloud