Điện toán không máy chủ (Serverless Computing) là gì?

Việc vận hành một máy chủ vật lý hoặc ảo không hề đơn giản, có thể do chi phí bảo trì cao hoặc cần nhân sự lành nghề. Điện toán không máy chủ giải quyết những vấn đề này bằng cách cung cấp một cách thức tiết kiệm chi phí để các nhà phát triển xây dựng và chạy ứng dụng trên đám mây. 

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét điện toán không máy chủ, các ứng dụng và lợi ích của nó đối với nhà phát triển và doanh nghiệp. Đây là một chủ đề quan trọng vì quy mô thị trường cho điện toán không máy chủ đã vượt 9 triệu đô la vào năm 2022 và dự kiến sẽ tăng thêm 25% trong mười năm tới. Hãy bắt đầu nào.

Định nghĩa và Tổng quan

Hãy hình dung tiền điện và nước bạn dùng trong nhà được tính dựa trên mức sử dụng thay vì một mức phí cố định ước tính hàng tháng. Điện toán không máy chủ hoạt động tương tự: Đây là cách mà nhà cung cấp đám mây phân bổ hạ tầng để bạn xây dựng và chạy ứng dụng dựa trên mức sử dụng mà không phải lo việc bảo trì máy chủ.

Không giống điện toán đám mây truyền thống, nơi phải thiết lập máy chủ vật lý hoặc ảo hóa, lưu trữ và thiết bị mạng, với điện toán không máy chủ, nhà cung cấp đám mây quản lý hạ tầng và tự động phân bổ tài nguyên khi ứng dụng của bạn mở rộng. Nói cách khác, điện toán không máy chủ trừu tượng hóa máy chủ khỏi nhà phát triển, cho phép họ tập trung nhiều hơn vào ứng dụng đang xây dựng thay vì lo lắng về hạ tầng nơi ứng dụng được lưu trữ. 

Giả sử bạn quen có 100 đến 200 người dùng mỗi ngày trên ứng dụng của mình. Nếu hôm sau số người dùng bất ngờ tăng lên 1.000.000, nền tảng sẽ tự động mở rộng tài nguyên để đáp ứng nhu cầu đó. Điều này không khả thi với điện toán đám mây truyền thống vì máy chủ sẽ gặp thời gian chết do lưu lượng tăng, và nếu máy chủ có dung lượng thấp thì phải mua thêm lưu trữ lớn hơn, mất thời gian.

Trước khi xem các tính năng nổi bật phân biệt điện toán không máy chủ với các mô hình đám mây truyền thống khác, hãy điểm qua một số thuật ngữ then chốt trong điện toán không máy chủ.

• Function (Hàm): Một đoạn mã được thiết kế để thực hiện một tác vụ cụ thể, như tải tệp lên, xử lý yêu cầu HTTP, v.v. Mỗi hàm độc lập với nhau và được thiết kế để phản hồi một sự kiện.
• Invocation (Gọi hàm): Hành động gọi một hàm để thực hiện tác vụ cụ thể, cũng có thể hiểu là việc thực thi mã của hàm để phản hồi một sự kiện.
• Duration (Thời lượng): Thời gian để một hàm thực thi, tính từ lúc được gọi đến khi trả về phản hồi.
• Cold Start (Khởi động lạnh): Thời gian nền tảng không máy chủ cần để phân bổ tài nguyên khi một hàm được gọi trước khi bắt đầu thực thi.
• Concurrency Limit (Giới hạn đồng thời): Số lượng phiên bản tối đa của một hàm có thể chạy đồng thời để phản hồi các sự kiện và yêu cầu.
• Timeout (Hết thời gian): Thời lượng tối đa cho phép một hàm chạy trước khi bị nền tảng không máy chủ chấm dứt.

Thực thi dựa trên sự kiện

Thực thi dựa trên sự kiện còn gọi là Function-as-a-Service (FaaS), nơi ứng dụng không máy chủ được chia thành các hàm độc lập được kích hoạt bởi các sự kiện cụ thể từ các nguồn như yêu cầu HTTP, thay đổi trong cơ sở dữ liệu, hàng đợi thông điệp hoặc tải tệp lên.

Giả sử bạn có một ứng dụng không máy chủ tự động xử lý hình ảnh bất cứ khi nào chúng được tải lên một Amazon S3 bucket. Khi người dùng tải lên một tệp hình ảnh, một hàm được kích hoạt để xử lý ảnh và lưu vào một S3 bucket khác. Điều này đảm bảo hàm chỉ chạy khi cần, giúp hệ thống hiệu quả và tiết kiệm chi phí. 

Thực thi dựa trên sự kiện, ví dụ tải tệp lên. Hình minh họa của Tác giả

Tự động mở rộng (Auto-scaling)

Tự động mở rộng là việc phân bổ tài nguyên tính toán dựa trên nhu cầu hoặc mức tăng khối lượng công việc. Đây là một đặc điểm then chốt của điện toán không máy chủ giúp hệ thống hiệu quả và thích ứng, đảm bảo tài nguyên không bị lãng phí khi tải thấp và không xảy ra thời gian chết khi nhu cầu tăng cao.

Ví dụ, ứng dụng của bạn bỗng tăng đột biến lưu lượng. Thay vì gặp thời gian chết do quá tải, nền tảng sẽ tự động cung cấp thêm phiên bản để xử lý khối lượng công việc tăng thêm. Tương tự, khi lưu lượng thấp, nền tảng thu hẹp tài nguyên để giảm chi phí. Điều này đảm bảo hiệu quả mà không cần can thiệp thủ công, giúp ứng dụng tiết kiệm chi phí và phản hồi tốt trong nhiều tình huống. 

Thanh toán theo mức sử dụng

Các nền tảng không máy chủ tính phí dựa trên tài nguyên đã dùng thay vì tài nguyên được cấp sẵn. Không giống các mô hình đám mây truyền thống nơi bạn có thể không dùng hết tài nguyên đã cấp, ở nền tảng không máy chủ, bạn chỉ trả tiền cho thời gian tính toán đã sử dụng. Chi phí cũng được đo lường chi tiết, nghĩa là bạn trả theo số lần gọi hàm hoặc thời lượng thực thi, đảm bảo hóa đơn phản ánh chính xác tài nguyên bạn dùng. 

Chẳng hạn, ứng dụng của bạn xử lý 100 hình ảnh trong một tháng, thay vì trả tiền cho máy chủ chạy 24/7, bạn chỉ trả cho thời gian tính toán dùng để xử lý 100 hình ảnh đó. 

Trừu tượng hóa quản lý máy chủ

Đây cũng là một tính năng quan trọng của điện toán không máy chủ, nơi nhà phát triển và doanh nghiệp không phải lo chuyện cấp phát, mở rộng và bảo trì máy chủ. Nhờ vậy họ tập trung vào bài toán cốt lõi của doanh nghiệp và giao việc bảo trì máy chủ cho nhà cung cấp đám mây. 

Quản lý đồng thời

Các nền tảng không máy chủ có thể thực thi nhiều hàm cùng lúc. Điều này giúp nhanh và hiệu quả hơn so với cách tiếp cận truyền thống. Nếu người dùng muốn tải ảnh lên nền tảng và nhà cung cấp không máy chủ đặt giới hạn đồng thời mặc định là 100, thì mọi yêu cầu vượt quá giới hạn này sẽ được xếp hàng và chạy ở lần thực thi tiếp theo. 

Lợi ích của Điện toán Không máy chủ

Hiệu quả chi phí

Khác với điện toán đám mây truyền thống yêu cầu máy chủ chuyên dụng và phát sinh chi phí ngay cả khi máy chủ nhàn rỗi, các nền tảng không máy chủ tính phí theo mô hình dựa trên sự kiện. Một phép so sánh hữu ích là dùng dịch vụ taxi thay vì sở hữu ô tô. Với taxi, bạn không phải lo các chi phí như gửi xe, nhiên liệu, v.v.; bạn chỉ trả cho quãng đường di chuyển. Trong điện toán không máy chủ, cũng như taxi, bạn chỉ trả cho tài nguyên tính toán bạn sử dụng. Còn theo cách truyền thống (sở hữu ô tô), bạn phải chịu mọi chi phí tài nguyên tính toán ngay cả khi hệ thống nhàn rỗi. 

So sánh hiệu quả chi phí giữa các loại máy chủ. Nguồn: Cloudflare

Giảm độ phức tạp vận hành

Điện toán không máy chủ tiết kiệm nhiều thời gian vì nhà phát triển không cần dành công sức cài đặt và bảo trì máy chủ; họ tập trung nhiều hơn vào việc xây dựng ứng dụng. Do ứng dụng được xây dưới dạng các hàm đám mây độc lập, bạn có thể cập nhật một hàm mà không làm gián đoạn các hàm khác hay toàn bộ ứng dụng.

Khả năng mở rộng tốt hơn

Đây là một trong những lợi ích quan trọng nhất của nền tảng không máy chủ và là lý do nó phổ biến với các tổ chức nhỏ và startup. Nền tảng không máy chủ giúp nhà phát triển dễ dàng tự động mở rộng khi nhu cầu tăng. Với các hàm có lưu lượng yêu cầu biến động, nền tảng sẽ mở rộng để đáp ứng bằng cách tăng hoặc giảm phân bổ tài nguyên, từ đó tối ưu hóa tài nguyên tính toán. 

Rút ngắn thời gian ra thị trường

Với ứng dụng không máy chủ, bạn có thể phát hành nhanh và nhận phản hồi người dùng ngay. Điều này quan trọng với startup vì giúp giảm thời gian và nhân lực cần thiết để xây dựng ứng dụng.

Độ tin cậy

Không giống các ứng dụng lưu trữ trên máy chủ chuyên dụng, ứng dụng không máy chủ có thể chạy từ bất cứ đâu. Điều này cải thiện hiệu năng và giảm độ trễ so với điện toán đám mây truyền thống.

Kiến trúc Không máy chủ và Cách hoạt động

Kiến trúc không máy chủ là cách xây dựng ứng dụng mà không cần cài đặt và quản lý hạ tầng lưu trữ ứng dụng. Nhà phát triển có thể xây dựng ứng dụng không máy chủ theo hai mô hình: Backend as a Service (BaaS) hoặc Function as a Service (FaaS).

• Backend as a Service (BaaS): Mô hình không máy chủ này thường dùng khi xây dựng backend cho ứng dụng web và di động. Nhà phát triển không cần tự viết các tính năng backend như cơ sở dữ liệu, xác thực người dùng, lưu trữ, v.v. Nhờ đó phát triển nhanh hơn vì chủ yếu tập trung vào frontend. Ví dụ nhà cung cấp BaaS: Firebase, SupaBase và AWS Amplify.
• Function as a Service (FaaS): Với FaaS, nhà phát triển viết mã để nền tảng thực thi mà không phải lo quản lý tài nguyên tính toán và mở rộng. Điều này cho phép thực thi các hàm để phản hồi các sự kiện được kích hoạt. Ví dụ nhà cung cấp FaaS: AWS Lambda, Azure Cloud Functions và Google Cloud Functions.

Kiến trúc đám mây không máy chủ FaaS và BaaS. Nguồn: Journal of Cloud Computing

Mục tiêu chính của kiến trúc không máy chủ là trừu tượng hóa việc quản lý máy chủ khỏi nhà phát triển. Dưới đây là cách các nền tảng không máy chủ vận hành trong hạ tầng của họ.

• Tạo hàm: Ứng dụng xây theo kiến trúc không máy chủ có mã được chia thành các phần nhỏ, mỗi phần là một hàm độc lập nhằm thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. 
• Phát triển hàm: Các hàm này được đóng gói và triển khai lên nền tảng không máy chủ như AWS Lambda, Azure Cloud Functions hoặc Google Cloud Functions.
• Thực thi dựa trên sự kiện: Các hàm được gọi để phản hồi một sự kiện hay tác nhân kích hoạt cụ thể. Những tác nhân này có thể là thay đổi cơ sở dữ liệu, yêu cầu HTTP, v.v. 
• Tự động mở rộng: Nền tảng không máy chủ xử lý việc sử dụng tài nguyên theo sự kiện khi khối lượng công việc tăng hoặc giảm. Ví dụ, máy chủ sẽ phân bổ thêm tài nguyên khi một hàm nhận lưu lượng cao.
• Container tạm thời: Việc kích hoạt sự kiện tạo ra các container cho phép hàm được thực thi truy cập tài nguyên cần thiết. Sau khi hoàn tất tác vụ, các container này sẽ bị hủy.
• Thanh toán: Tính phí dựa trên thời gian thực thi và tài nguyên tính toán đã dùng. 
• Không trạng thái: Khi thực thi, các hàm không máy chủ không giữ lại thông tin. Mọi thông tin cần thiết trong một lần gọi được lưu trong cơ sở dữ liệu hoặc bên ngoài. 
• Ghi log và giám sát: Các nền tảng không máy chủ cung cấp công cụ ghi log và giám sát để theo dõi hiệu năng ứng dụng và sự cố trong các hàm.

Có thể thắc mắc: Kiến trúc không máy chủ chẳng phải giống kiến trúc container vì cả hai đều trừu tượng hóa máy chủ khỏi nhà phát triển? Điều này đúng, nhưng khác với hàm không máy chủ, vốn hoàn toàn trừu tượng hóa máy chủ khi xây dựng và triển khai, thì với ứng dụng trong container, khi lưu lượng tăng cao, bạn cần tự mở rộng container bằng các công cụ như Kubernetes. Điều này đi ngược mục tiêu của FaaS, nơi mọi hành động liên quan đến máy chủ đều được nền tảng không máy chủ xử lý tự động.

Trong kiến trúc container, bạn có thể có các phiên bản container chạy trong thời gian dài dẫn đến phát sinh chi phí, trong khi với hàm không máy chủ bạn được tính phí theo thời gian hàm chạy. Với các ứng dụng nhỏ hơn, dùng kiến trúc không máy chủ giúp dễ dàng tách ứng dụng thành các phần mà nền tảng có thể chạy như những hàm độc lập.

Các Nền tảng Điện toán Không máy chủ

Trước khi Google App Engine ra đời năm 2008, Zimki cung cấp nền tảng “trả theo mức dùng” đầu tiên cho việc thực thi mã, nhưng sau đó đã đóng cửa. Ở giai đoạn đầu, Google App Engine chỉ hỗ trợ Python và có tính phí theo mức sử dụng cho ứng dụng, trong đó có SnapChat. Khoảng năm 2010, một nền tảng khác tên PiCloud cũng cung cấp hỗ trợ FaaS cho ứng dụng Python.

Năm 2014, AWS phổ biến mô hình không máy chủ khi phát hành các công cụ như AWS Serverless Application Model (AWS SAM) và Amazon CloudWatch. Google sau đó phát hành dịch vụ không máy chủ thứ hai là Google Cloud Functions cùng với Azure Functions vào năm 2016. Kể từ đó, nhiều nền tảng không máy chủ đã ra mắt như Function Compute của Ali Baba Cloud và IBM Cloud Functions của IBM Cloud.

Để loại bỏ nhu cầu về cơ sở dữ liệu ảo hóa hay vật lý, các cơ sở dữ liệu không máy chủ cũng đã được phát triển. AWS cung cấp Amazon Aurora, phiên bản không máy chủ dựa trên MySQL và PostgreSQL. Azure có Azure Data Lake, và Google cung cấp Firestore.

Các nền tảng đám mây không máy chủ. Nguồn: Network Interview

Ứng dụng Thực tiễn và Trường hợp Sử dụng

Website và API

Điện toán không máy chủ được dùng để xây dựng ứng dụng website và REST API. Điều thú vị là ứng dụng được xây trên hạ tầng không máy chủ tự động mở rộng theo nhu cầu người dùng, cải thiện trải nghiệm.

Xử lý nội dung đa phương tiện

Kiến trúc không máy chủ giúp xử lý media dễ dàng hơn. Người dùng có thể tải nội dung từ nhiều thiết bị và kích thước khác nhau, và nền tảng xử lý bằng một hàm đáp ứng nhu cầu mọi người dùng mà không làm giảm hiệu năng. Ví dụ, người dùng có thể tải ảnh lên qua S3 bucket, kích hoạt một hàm AWS Lambda để thêm watermark hoặc tạo ảnh thu nhỏ.

Chatbot

Nhà phát triển có thể triển khai chatbot để phản hồi câu hỏi của khách hàng bằng kiến trúc không máy chủ và chỉ trả tiền cho tài nguyên chatbot sử dụng. Ví dụ, Slack dùng kiến trúc không máy chủ để xử lý các yêu cầu biến động của bot nhằm tránh băng thông bị sử dụng kém hiệu quả do nhu cầu khách hàng thay đổi hằng ngày.

Webhook

Bạn có thể dùng nền tảng không máy chủ để tương tác với nhà cung cấp SaaS qua một endpoint HTTP webhook, nhận thông báo và thực hiện tác vụ. Cách này giúp bảo trì tối thiểu, chi phí thấp và tự động mở rộng cho webhook xây dựng được.

IoT

Coca-Cola sử dụng kiến trúc không máy chủ trên máy bán hàng tự động Freestyle để khách hàng đặt hàng, thanh toán và nhận thông báo thanh toán cho đồ uống. Coca-Cola cho biết họ từng chi khoảng 13.000 đô la/năm để vận hành máy, giảm xuống còn 4.500 đô la/năm sau khi áp dụng kiến trúc không máy chủ cho máy bán hàng. 

Xử lý dữ liệu

Major League Baseball Advanced Media xây dựng sản phẩm Statcast với kiến trúc không máy chủ để cung cấp cho người dùng các chỉ số thể thao chính xác và theo thời gian thực. Họ dùng điện toán không máy chủ để xử lý dữ liệu và mang lại insight về các trận bóng chày. 

Ứng dụng dựa trên sự kiện

Kiến trúc không máy chủ được dùng cho các ứng dụng dựa trên sự kiện, sao cho khi một sự kiện hoặc trạng thái thay đổi, nó kích hoạt một dịch vụ. Có thể dùng nền tảng không máy chủ để theo dõi thay đổi trong cơ sở dữ liệu và so sánh các thay đổi đó với tiêu chuẩn chất lượng.

Điện toán biên không máy chủ (Serverless Edge Computing)

Do dữ liệu phải di chuyển đường dài, ứng dụng mất thời gian để xử lý yêu cầu và phân phối nội dung từ các máy chủ tập trung, gây ra độ trễ và nút thắt cổ chai.

Điện toán biên không máy chủ giải quyết vấn đề này bằng cách phân tán tài nguyên tính toán đến nhiều vị trí để giảm tải cho máy chủ trung tâm. Đây là việc đặt tài nguyên tính toán chạy các hàm không máy chủ gần người dùng cuối hơn (edge). Nhờ đó ứng dụng không máy chủ có thể hoạt động trên nhiều thiết bị hơn, giảm tắc nghẽn và hạ độ trễ.

Trong điện toán biên không máy chủ, hạ tầng được phân bổ đến từng thiết bị, cho phép thiết bị thực hiện các tác vụ phức tạp mà không cần gửi dữ liệu về trung tâm để xử lý. Dưới đây là một số trường hợp sử dụng giúp tối ưu trải nghiệm người dùng với các hàm biên không máy chủ:

• Cá nhân hóa trải nghiệm: Với các hàm biên, người dùng có thể cá nhân hóa nội dung dựa trên sở thích, vị trí và loại thiết bị. 
• Phát video và trò chơi: Xử lý yêu cầu gần người dùng giúp giảm độ trễ và hiện tượng đệm khi xem video hoặc chơi game trực tuyến.
• Bảo mật và xác thực: Bằng cách phân tán tải đến nhiều điểm biên, lưu lượng độc hại được kiểm tra và lọc trước khi chạm đến hạ tầng trung tâm.
• Thiết bị IoT: Điện toán biên không máy chủ giúp thiết bị IoT hoạt động hiệu quả nhờ đảm bảo hạ tầng chạy thiết bị ở gần người dùng. 

Thách thức và Lưu ý

Dù mang lại nhiều lợi ích, điện toán không máy chủ vẫn đối mặt với một số hạn chế sau.

• Phụ thuộc nhà cung cấp (Vendor lock-in): Hầu hết nhà cung cấp đám mây có nhiều dịch vụ tích hợp tốt với ứng dụng không máy chủ. Dù có thể dùng dịch vụ của nhà cung cấp khác trong ứng dụng, các dịch vụ do một nhà cung cấp cung cấp thường dễ tích hợp hơn. 
• Ít quyền kiểm soát: Một vấn đề khác là thiếu quyền kiểm soát máy chủ. Nếu có sự cố như ngừng hoạt động hoặc lỗi phần cứng, bạn không thể tự khắc phục mà phải chờ nhà cung cấp đám mây xử lý.
• Khởi động lạnh: Xảy ra khi một hàm không hoạt động một thời gian được gọi lại và mất vài giây để thực thi. Điều này có thể gây độ trễ, ảnh hưởng đến hiệu năng và trải nghiệm người dùng.
• Bảo mật: Khi giao dữ liệu cho bên thứ ba và chia sẻ máy chủ với người dùng khác, bạn có nguy cơ lộ ứng dụng và dữ liệu người dùng nếu máy chủ không được cấu hình đúng.
• Khó khăn khi gỡ lỗi: Do đặc thù ứng dụng không máy chủ, nhà phát triển khó tái tạo môi trường sản xuất trên máy cục bộ, khiến việc kiểm thử mã cục bộ khó khăn. Các kiểm thử tích hợp giữa frontend và backend cũng khó thực hiện trong môi trường không máy chủ. 

Kết luận

Với các công ty muốn xây dựng ứng dụng gọn nhẹ, điện toán không máy chủ là hướng đi phù hợp. Với các ứng dụng gồm nhiều dịch vụ có tương tác phức tạp, nên cân nhắc hạ tầng lai gồm máy ảo cho các xử lý lớn; trong trường hợp này, container không máy chủ chỉ dùng cho các tác vụ ngắn. Cũng có thể xem xét các hàm biên không máy chủ vì chúng giảm độ trễ bằng cách xử lý dữ liệu cục bộ mà không dồn quá nhiều tải lên máy chủ trung tâm.

Lưu ý rằng vẫn đang có nhiều tiến bộ và phát triển nhằm mở rộng năng lực của điện toán không máy chủ. Ví dụ, có thể dùng cách tiếp cận đa đám mây để xây ứng dụng không máy chủ, tức là sử dụng dịch vụ từ hơn một nhà cung cấp đám mây. Cũng có nhiều cải tiến nhằm đảm bảo khởi động lạnh bằng 0 cho các hàm không máy chủ, như được triển khai trong Cloudflare Workers. 

Cảm ơn bạn đã theo dõi. Để tìm hiểu thêm về điện toán không máy chủ và phát triển kỹ năng trong lĩnh vực này, hãy xem các tài nguyên DataCamp sau:

• AWS Cloud Technology and Services: Tìm hiểu về các công nghệ và dịch vụ đám mây của AWS, bao gồm các tùy chọn không máy chủ.
• Azure Architecture and Services: Hiểu về kiến trúc và dịch vụ của Azure, bao gồm các tính năng không máy chủ.
• Streaming Data with AWS Kinesis and Lambda: Tìm hiểu AWS Kinesis và Lambda cho xử lý và truyền dữ liệu thời gian thực.

Nếu muốn đọc nhanh hơn, hãy xem bài blog của chúng tôi về ý tưởng dự án cho mọi trình độ.

• Top 13 dự án AWS thực hành: Từ mới bắt đầu đến chuyên nghiệp: Khám phá các dự án AWS thực tiễn để nâng cao kỹ năng điện toán không máy chủ của bạn.