Serverless – クラウドコンピューティングの必然的な方向性

Serverless ngày càng trở thành một khái niệm quen thuộc với các tín đồ công nghệ và doanh nghiệp trong hành trình chuyển đổi số. Cùng HiTechCloud khám phá chi tiết về Serverless và cách áp dụng nền tảng này trong bài viết dưới đây!

1. Lịch sử các phương pháp triển khai Serverless

Từ thời đại của hạ tầng vật lý, ứng dụng được triển khai trực tiếp lên hệ điều hành của một 仮想サーバー, mô hình này sẽ đòi hỏi nhiều tài nguyên để vận hành cũng như việc đầu tư thiết bị đắt tiền cùng hàng loạt những vấn đề mà người quản trị phải giải quyết như バックアップ/phục hồi, lãng phí tài nguyên, đảm bảo tính sẵn sàng, mở rộng và bảo mật cho ứng dụng.

Hệ thống ảo hoá ra đời đã giải quyết hầu như triệt để những vấn đề của mô hình vật lý. Hàng loạt những công nghệ ảo hoá ra đời và hiện nay vẫn đang được dùng rất nhiều như VMware, KVM, Xen, HyperV… Bằng việc phân tách một máy vật lý ra thành nhiều máy ảo chạy hệ điều hành độc lập sẽ tận dụng được nhiều tài nguyên hơn. Ngoài ra, các nền tảng ảo hoá còn có nhiều tính năng như mở rộng linh hoạt, sao lưu/khôi phục, snapshot, live-migrate, khả năng HA các máy ảo trong cụm vật lý… giúp ứng dụng được triển khai một cách đáng tin cậy hơn so với mô hình vật lý.

Ảo hoá ngày nay vẫn là một công nghệ đang hot, các hãng tận dụng công nghệ này và phát triển thêm hàng loạt những dịch vụ đi kèm, tổ hợp thành các Public/Private Cloud mà ta đang sử dụng ngày nay. Tuy vậy, việc triển khai ứng dụng trên VM khá cồng kềnh gồm cả OS, middle layer (thư viện, runtime,…), app gây khó khăn cho các team phát triển về việc quản lý version, môi trường triển khai, đóng gói, time-to-market. Vì vậy mà container ra đời giúp các nhà phát triển đóng gói nhanh chóng ứng dụng trong một container image, triển khai container lại vô cùng nhanh chóng đi kèm khả năng tương thích với hầu hết hệ điều hành. Với kiến trúc phức tạp và xu thế ngày nay như microservice, CI/CD, GitOps container hầu như trở thành yếu tố bắt buộc phải có.

Qua phân tích trên ta thấy rằng công nghệ triển khai ứng dụng thay đổi theo từng thời kỳ đều tuân theo quy luật tiện dụng, nhanh chóng, khả năng mở rộng, chịu lỗi tốt. Chính vì thế mà container đã bùng nổ như một cơn sốt công nghệ, đạt CAGR 30.8% năm 2017-2022 và sẽ còn tiếp tục tăng trưởng những năm sắp tới, nhiều doanh nghiệp đang chuyển đổi số hoặc trong giai đoạn phát triển ứng dụng mới đều sẽ tận dụng những tiện nghi của công nghệ microservice, container để giúp sản phẩm của họ nhanh chóng được đưa đến người dùng (tối ưu time-to-market), tiết kiệm đáng kể chi phí hạ tầng và nhân sự vận hành quản trị.

Tuy rằng có nhiều tiện ích trong việc phát triển ứng dụng nhưng chúng ta cần phải nhìn nhận rằng container nói chung hay Kubernetes nói riêng (công cụ quản trị, phân bố, tự động hoá trong triển khai container) vẫn còn nhiều điểm khó tiếp cận đến người dùng như:

• Vận hành quản trị: Đòi hỏi nhiều kỹ năng như network, system, develop, logging, monitoring,…
• Yêu cầu bảo mật cao cho ứng dụng container.
• Rất phức tạp cho người mới.
• Cần lựa chọn vendor cung cấp dịch vụ uy tín hoặc tự triển khai.
• Vấn đề về giải pháp lưu trữ dài hạn cho container.

2. Serverless – Xu thế tất yếu của điện toán đám mây

Nhận định trên đưa ta đến một kết luận về sự ra đời tất yếu của nền tảng mới mà ở đó nhà phát triển ứng dụng sẽ chỉ cần tập trung vào việc coding, hoạch định bài toán kinh doanh còn lại toàn bộ hạ tầng đều được nhà cung cấp dịch vụ quản lý. Đó chính là công nghệ “Serverless”, serverless không có nghĩa là không cần máy chủ server để hoạt động, mà nó mang ý nghĩa trừu tượng về cách thức sử dụng, thực ra những máy chủ này đã được quản lý bởi nhà cung cấp dịch vụ (cloud provider) bao gồm hạ tầng, DC, network, storage, security, platform, auto-scale để người phát triển ứng dụng chỉ cần đẩy code lên để chạy, đồng thời chỉ chi trả cho những tài nguyên được tiêu thụ trong thời gian xử lý request. Việc này giúp tiết kiệm hơn rất nhiều so với mô hình cloud VM hoặc sử dụng dịch vụ Kubernetes đều phải trả chi phí hàng tháng dù tài nguyên có được sử dụng hoặc idle.

Trong mô hình cung cấp dịch vụ của điện đoán đám mây, serverless được xếp vào lớp Function as a service (FaaS) – trong một số tài liệu vẫn xếp serverless vào lớp Platform as a service (PaaS) về bản chất FaaS hay PaaS đều cung cấp công cụ cho người dùng ở lớp nền tảng phát triển Application. Dịch vụ điển hình của PaaS như fully-managed kubernetes hoặc database engine cho phép người dùng sử dụng để triển khai (deploy) ứng dụng với một vài lượt nhấp hoặc kéo thả, tuy nhiên sẽ vẫn phải cần có kiến thức về DB hoặc K8S để thực hiện các task của DBA hoặc Devops khi cần triển khai ứng dụng. Còn đối với FaaS người dùng chỉ cần phát triển code để xử lý nghiệp vụ ứng dụng và hầu như không cần sự can thiệp về mặt hệ thống khi triển khai và vận hành. Bảng dưới đây so sánh sự khác nhau đặt trưng của IaaS, PaaS và FaaS:

Mục	IaaS	PaaS	FaaS
Unit of development	Operating System	Application	Functions
Provides	VM package with OS	Dev platform	Execute code on-demand
Abstracts	Physical server	OS & middleware	Programing runtime

Hiện nay trên thị trường serverless có lẽ chúng ta đã quá quen với những cái tên lớn như AWS Lamda, Azure Functions, Google Cloud Functions, các nền tảng này được áp dụng rộng rãi với nhiều câu chuyện thành công được chia sẻ. Ở phân khúc mã nguồn mở của serverless, những nền tảng có cộng đồng lớn có thể kể đến như KNative, OpenFaaS, Apache OpenWhisk, Kubeless, fission. Để hiểu rõ hơn ưu thế của serverless chúng ta cùng điểm qua một số tiện tích cốt lõi của serverless mang lại:

• Được quản trị hoàn toàn (fully managed): Các nhà phát triển sẽ không phải bận tâm về hạ tầng nữa. Dịch vụ serverless được cloud provider quản trị toàn bộ phần hạ tầng, hệ điều hành, middleware, runtime của ngôn ngữ lập trình và các module liên quan.
• Kiến trúc event-driven: Một trong những yếu tố then chốt trong microservice để giải quyết bài toán decoupling và phân tán. Các nền tảng serverless đều có cơ chế để được gọi thực thi khi xảy ra sự kiện từ hệ thống (e.g AWS Lamda được trigger khi có sự kiện trên dịch vụ notification SNS).
• Mở rộng không giới hạn (scale-out): Tận dụng lợi thế hạ tầng sẵn có của cloud provider, giúp người dùng dễ dàng mở rộng ứng dụng ứng dụng theo lượng tải đột biết hoặc giảm về 0 khi không được sử dụng.
• Tính sẵn sàng cao (high availability): Bản chất của serverless được cung cấp trên nền tảng hạ tầng kế thừa của cả mức IaaS và PaaS do đó khả năng HA đã được tích hợp sẵn bên trong.
• Less-Ops: Một số thao tác vận hành vẫn có ở serverless như database, debugging, testing,… trong môi trường container shell. Ngoài ra, kiến trúc serverless sẽ sử dụng một số dịch vụ đi kèm của cloud như Database Engine, Message Queue Engine, Monitor/Alert, Vault Engine,… giúp hạn chế tối đa thao tác vận hành.
• Tối ưu hoá chi phí: Chỉ chi trả cho lượng tài nguyên xử lý khi có request hoặc event và sẽ không mất phí khi ứng dụng rảnh rỗi (idle). Việc này tối ưu hơn rất nhiều so với chúng ta chạy VM và phải trả một chi phí cố định hàng giờ.
• No vendor lock-in: Với cùng một mã nguồn của nhà phát triển có thể triển khai được trên nhiều dịch vụ serverless của các nhà cung cấp khác nhau. Ngoài ra, khả năng tương thích này còn giúp quá trình dịch chuyển dịch vụ một cách nhanh chóng.

3. Một số dịch vụ điển hình ứng dụng công nghệ Serverless

• Ứng dụng web: Static website, webapps, micro frontend, common framework flask/django/spring/fastapi,…
• Ứng dụng backend: Backend app/service, backend mobile, IoT edge,…
• Xử lý dữ liệu: Real-time data processing, Map reduce, batch processing, stream processing, ML inference,…
• Tác vụ tự động hoá IT: policy engine, infrastructure management,…

Bên cạnh những tiện ích vượt trội, không phải ứng dụng IT nào cùng có thể triển khai trên nền tảng serverless. Để xác định ứng dụng doanh nghiệp của bạn có phù hợp để triển khai serverless hay không chúng ta có thể xét qua 07 tiêu chí dưới đây:

1. Ứng dụng stateless: Những tài nguyên phát sinh trong quá trình thực hiện một request sẽ mất sau khi kết thúc request đó. Việc này cần lưu ý đối với những ứng dụng cần giữ session trong phiên giao dịch, cần có thiết kế lưu trữ ở DB hoặc cache trong dịch vụ trước khi kết thúc chu trình.

2. Tính chất ephemeral: Bản chất của serverless hoạt động trên nền container, do đó tất cả dữ liệu file được ghi trên container này sẽ bị xoá đi khi container không còn tồn tại do quá trình auto-scale.

3. Hỗ trợ ngôn ngữ: Không phải nền tảng serverless nào cũng hỗ trợ đầy đủ ngôn ngữ lập trình, nên việc lựa chọn nền tảng thống nhất để đáp ứng toàn bộ ngôn ngữ lập trình cho dự án của bạn cũng rất quan trọng.

4. Chỉ duy trì khi hoạt động: Một số nền tảng sẽ giảm số lượng container về 0 khi dịch vụ không hoạt động (idle) quá lâu. Điều này sẽ ảnh hưởng đến việc khi cần sử dụng ứng dụng sẽ mất thời gian để khởi động lại gây ảnh hưởng đến trải nghiệm. Nên thiết kế để dịch vụ luôn có ít nhất một thành phần sẵn sàng nhận request hoặc chạy keep-alive dịch vụ.

5. Cơ sở dữ liệu: Sử dụng serverless với cơ sở dữ liệu quan hệ (relational database) sẽ có nhiều hạn chế do cơ chế giới hạn concurrent connection của DB, nên việc lựa chọn NoSQL trong serverless sẽ có nhiều lợi thế hơn.

6. Không cho phép truy tập file system: Như tính chất stateless và ephemeral của serverless kể trên, việc ứng dụng sử dụng config từ file system hoặc ghi dữ liệu ra tệp tin sẽ không được hỗ trợ như sử dụng Cloud VM.

7. Logging & Monitoring: Mỗi nền tảng serverless sẽ có cơ chế lấy log cũng như khả năng giám sát giới hạn các thông tin có thể cung cấp đồng nghĩa với việc không thể tận dụng cũng như tích hợp được với các phần mềm có sẵn của người dùng.

Hiện tại các nhà phát triển, doanh nghiệp đã có thể dễ dàng đăng ký cũng như sử dụng, trải nghiệm công nghệ Serverless của các nhà cung cấp cloud nước ngoài như AWS, Azure, Google Cloud. Đối với các nhà cung cấp cloud trong trước hiện tại vẫn chưa có đơn vị cung cấp dịch vụ serverless nên việc trải nghiệm sẽ còn hạn chế, thay vào đó bạn vẫn hoàn toàn có thể tự triển khai riêng cho mình một hệ thống serverless local dựa trên các dịch vụ có sẵn của nhà cung cấp trong nước.

Dưới đây là một ví dụ tham khảo việc triển khai nền tảng serverless sử dụng mã nguồn OpenFaaS – mã nguồn mở cho phép triển khai hệ thống serverless với các tính năng cơ bản đáp ứng mức production ready (https://www.openfaas.com).

• Chuẩn bị hạ tầng:

o Sử dụng Cloud Virtual Machine để tự triển khai Docker, Kubernetes bằng các công cụ như Rancher, Kuberspray, kubeadm, openshift,… tuy nhiên sẽ tương đối phức tạp cần có nhiều kiến thức để triển khai và vận hành hiệu quả.

o Phương án sử dụng dịch vụ cloud có cung cấp sẵn nền tảng Managed Kubernetes – HiTechCloud Kubernetes Engine (VKOS) của HiTechCloud là một dịch vụ điển hình, bạn có thể tham khảo thêm こちら.

• Triển khai dịch vụ Serverless: o Tham khảo hướng dẫn triển khai trên nền K8s こちら.

o Đối với phương án tự triển khai trên virtual machine bước này sẽ cần bạn phải triển khai thêm dịch vụ LB trên K8s như MetalLB, Cilium,… và ingress controller như nginx, traefik, haproxy,…

o Với cách sử dụng dịch vụ managed Kubernetes thì loadbalancer và ingress đã được tích hợp sẵn ở mức hạ tầng, bạn chỉ cần expose service ở tầng dịch vụ K8s, nhà cung cấp dịch vụ Cloud sẽ tự động hoá hoàn toàn các bước. Sau đó bạn chỉ cần truy cập từ domain đã khai báo ở phần cài đặt trên và trải nghiệm.

Ngày nay, với sự bùng nổ trong nền công nghiệp 4.0, hàng loạt những công nghệ mới ra đời nhằm đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người. Xuyên suốt bài viết chúng ta đã sơ lược qua quá trình phát triển của lĩnh vực điện toán và sự xuất hiện tất yếu của nền tảng Serverless. Chúng ta cũng đã định hình được vị trí của FaaS trong mô hình cung cấp dịch vụ của điện toán đám mây cũng như đã liệt kê ra được những lợi ích và hạn thế mà nền tảng này mang lại, đồng thời đưa ra những ứng dụng cụ thể của serverless trong việc phát triển phần mềm.

Vẫn còn quá sớm để có thể kết luận được serverless có thể hoàn toàn thay thế được toàn bộ workload IT trong tương lai hay không, do về cơ bản, bản thân cơ chế hoạt động, lưu trữ của serverless chưa phù hợp cho các ứng dụng đặc thù, ứng dụng cơ sở dữ liệu, ứng dụng cần tính toán lớn,… Tuy nhiên với vị trí của một công nghệ mới nổi (emerging technology) cùng với những tính chất vượt trội như tối ưu hoá chi phí hạ tầng/vận hành, tối ưu time-to-market, nhanh chóng và đảm bảo; serverless hoàn toàn có thể là một công nghệ được sử dụng nhiều nhất trong thời gian sắp tới ở thời đại của microservice, edge computing.