Что такое граничные вычисления? {Определение, архитектура и варианты использования}

ИТ-периферия — это место, где конечные устройства подключаются к сети для доставки данных и получения инструкций от центрального сервера, центра обработки данных или облака. Хотя эта модель работала в прошлом, современные устройства генерируют так много данных, что компаниям требуется дорогостоящее оборудование для поддержания оптимальной производительности.

Граничные вычисления решают эту проблему, приближая обработку к устройству, которое генерирует данные. Данные не нужно отправлять на центральный сервер для обработки, поэтому нет проблем с задержкой или пропускной способностью.

Эта статья представляет собой введение в граничные вычисления. . Мы объясняем, что такое периферийные вычисления, обсуждаем возможные варианты использования и показываем, как эта технология приводит к более дешевой и надежной обработке данных.

Что такое граничные вычисления?

Пограничные вычисления — это тип вычислений, которые выполняются на границе сети или рядом с ней. Обработка происходит либо внутри устройства, либо рядом с ним, поэтому на центральный сервер передается меньше данных. Большинство операций происходят в режиме реального времени рядом с источником данных, что приводит к:

• Уменьшено время отклика.
• Более доступная полоса пропускания.
• Более надежные сведения о системе.
• Более полный и быстрый анализ данных.
• Высокая доступность.

Пограничные вычисления также помогают поддерживать актуальность рабочих нагрузок, обеспечивать конфиденциальность данных и соблюдать законы о защите данных, такие как HIPAA, GDPR и PCI. Эта модель обработки также обеспечивает дальнейшие инновации с помощью искусственного интеллекта и машинного обучения.

Пограничные устройства собирают и сохраняют данные перед отправкой информации на локальный пограничный сервер. Этот сервер выполняет следующие действия:

• Обработка данных в режиме реального времени.
• Визуализация данных и аналитика.
• Кэширование и буферизация.
• Фильтрация данных.

Пограничный центр отправляет самые сложные запросы на обработку (операции с большими данными и бизнес-логику) в центр обработки данных или в облако. Хотя потребность в центральном выделенном сервере по-прежнему существует, компания может настроить более медленные и менее дорогие соединения, не рискуя задержками из-за локальных операций и предварительно отсортированных данных.

Первичные вычисления и облачные вычисления

Основное различие между периферийными и облачными вычислениями заключается в том, где происходит обработка:

• В облачных вычислениях все операции с данными происходят централизованно.
• В периферийных вычислениях большинство процессов, связанных с данными, происходят локально (на границе среды).

Граничные вычисления идеально подходят для случаев использования, которые зависят от обработки срочных данных для принятия решений. Еще один вариант использования, в котором граничные вычисления лучше, чем облачное решение, — это операции в удаленных местах, практически без подключения к Интернету.

Однако граничные вычисления не заменяют облако. Эти технологии не взаимозаменяемы; периферийные вычисления дополняют облако, и эти две технологии обеспечивают более высокую производительность в конкретных случаях использования.

Объяснение архитектуры граничных вычислений

Вот ключевые компоненты, формирующие периферийную экосистему:

• Пограничные устройства: Оборудование специального назначения с ограниченной вычислительной мощностью.
• Пограничный узел: Любое устройство, сервер или шлюз, выполняющие граничные вычисления.
• Пограничный сервер: Компьютер, расположенный в учреждении рядом с пограничным устройством. На этих компьютерах выполняются рабочие нагрузки приложений и общие службы, поэтому им требуется больше вычислительной мощности, чем периферийным устройствам.
• Пограничный шлюз: Пограничный сервер, выполняющий сетевые функции, такие как туннелирование, управление брандмауэром, преобразование протоколов и беспроводные соединения. Шлюз также может размещать рабочие нагрузки приложений.
• Облако: Общедоступное или частное облако, которое действует как репозиторий для контейнерных рабочих нагрузок, таких как приложения и модели машинного обучения. В облаке также размещаются и выполняются приложения, управляющие пограничными узлами.

Пограничные вычисления состоят из трех основных узлов: периферия устройства, локальная граница и облако. .

Периферийное устройство — это физическое место, где локально работают граничные устройства (камеры, датчики, промышленные машины и т. д.). Эти устройства обладают вычислительной мощностью для сбора и передачи данных.

Локальный край — это система, которая поддерживает приложения и сетевые рабочие нагрузки. Локальный край имеет два слоя:

• Прикладной уровень, на котором работают периферийные устройства приложений, не может работать из-за большой площади (например, сложная видеоаналитика или обработка IoT).
• Сетевой уровень, на котором работают физические или виртуализированные сетевые компоненты, такие как маршрутизаторы и коммутаторы.

Облако (или нексус ) запускает приложения и сетевые рабочие нагрузки, которые управляют обработкой, которую другие пограничные узлы не могут обработать. Несмотря на название, этот пограничный уровень может работать как в собственном центре обработки данных, так и в облаке.

На приведенном ниже рисунке представлена ​​более подробная архитектура и показаны компоненты, относящиеся к каждому пограничному узлу.

Отраслевые решения и приложения могут существовать на нескольких узлах, поскольку конкретные рабочие нагрузки больше подходят для устройства или локальной периферии. Некоторые другие рабочие нагрузки также могут динамически перемещаться между узлами при определенных обстоятельствах (вручную или автоматически).

Виртуализация является жизненно важным элементом крупномасштабной установки граничных вычислений. Эта технология упрощает развертывание и запуск многочисленных приложений на пограничных серверах.

Преимущества граничных вычислений

Ниже приведены наиболее важные бизнес-преимущества использования периферийных вычислений.

Уменьшение задержки

Пограничные вычисления повышают производительность сети за счет уменьшения задержки. Поскольку устройства обрабатывают данные самостоятельно или в локальном пограничном центре, информация не распространяется так далеко, как в стандартной облачной архитектуре.

Например, два сотрудника в одном здании, обменивающиеся электронными письмами, могут легко столкнуться с задержкой через стандартные сети. Каждое сообщение отправляется из здания, связывается с удаленным сервером и возвращается в папку «Входящие» получателя. Если этот процесс происходит на периферии, а маршрутизатор компании обрабатывает офисную электронную почту, такой задержки не возникает.

Пограничные вычисления также решают проблему узкого места «последней мили». Все данные о путешествии должны проходить через локальные сетевые подключения, прежде чем они достигнут пункта назначения. Этот процесс может вызвать задержку от 10 до 65 миллисекунд в зависимости от качества инфраструктуры. В конфигурации с пограничными центрами трафик намного ниже, чем в централизованной системе, поэтому проблем с узкими местами нет.

Безопасная обработка данных

Традиционные облачные установки уязвимы для распределенных атак типа «отказ в обслуживании» (DDoS) и перебоев в подаче электроэнергии. Поскольку граничные вычисления распределяют обработку и хранение, системы менее подвержены сбоям и простоям. Установка не имеет единых точек отказа.

Кроме того, поскольку большинство процессов происходит локально, хакеры не могут перехватывать данные в пути. Даже если на одном компьютере происходит утечка данных, злоумышленник может скомпрометировать только локальные данные.

Экономичная масштабируемость

Пограничные вычисления позволяют компании расширить свои возможности за счет комбинации устройств IoT и пограничных серверов. Добавление дополнительных ресурсов не требует инвестиций в частный центр обработки данных, строительство, обслуживание и расширение которого обходится дорого. Вместо этого компания может настроить региональные пограничные серверы для быстрого и экономичного расширения сети.

Использование периферийных вычислений также снижает затраты на рост, поскольку каждое новое устройство не увеличивает требования к пропускной способности всей сети.

Простой выход на новые рынки

Компания может сотрудничать с местным периферийным центром обработки данных, чтобы быстро расширяться и тестировать новые рынки. Расширение не требует новой дорогостоящей инфраструктуры. Вместо этого компания только устанавливает периферийные устройства и начинает обслуживать клиентов без задержек. Если рынок окажется нежелательным, процесс удаления будет таким же быстрым и недорогим.

Это преимущество жизненно важно для отраслей, которым требуется быстрое расширение в регионах с ограниченным подключением.

Постоянный пользовательский интерфейс

Поскольку пограничные серверы работают рядом с конечными пользователями, проблема с сетью в удаленном месте с меньшей вероятностью повлияет на клиентов. Даже если в локальном центре произошел сбой, периферийные устройства могут продолжать работать благодаря своей способности изначально выполнять жизненно важные функции. Система также может перенаправлять данные по другим каналам, чтобы пользователи сохраняли доступ к службам.

Недостатки периферийных вычислений

Пограничные вычисления увеличивают общую поверхность атаки для сети. Пограничные устройства могут служить точкой входа для кибератак , через которые злоумышленник может внедрить вредоносное программное обеспечение и заразить сеть.

К сожалению, в распределенной среде сложно настроить адекватную защиту. Большая часть обработки данных происходит за пределами центрального сервера и прямой видимости службы безопасности. Поверхность атаки также увеличивается всякий раз, когда компания добавляет новое оборудование.

Еще одна распространенная проблема граничных вычислений – цена. . Если компания не сотрудничает с местным граничным партнером, настройка инфраструктуры является дорогостоящей и сложной. Затраты на техническое обслуживание также обычно высоки, так как команда должна содержать множество устройств в разных местах в хорошем состоянии.

Наконец, поскольку текущие стандарты быстро развиваются, компании могут трудно поддерживать актуальность настроек. . Регулярно выходят новые устройства и программное обеспечение, поэтому оборудование может быстро устареть.

Примеры и варианты использования граничных вычислений

Ниже приведены наиболее перспективные варианты использования и приложения граничных вычислений в различных отраслях.

5G и периферийные вычисления

Появление 5G обещает скорость передачи данных более 20 Гбит/с и подключение без задержек более миллиона устройств на квадратную милю. Эта новая технология выводит периферийные вычисления на новый уровень, обеспечивая еще более низкую задержку, более высокую скорость и повышенную эффективность.

Вскоре компании смогут использовать 5G для расширения границ сети. Перекрывающиеся сети позволят компаниям хранить еще больше данных на периферийных устройствах. Приложения также смогут полагаться на обмен данными с сетью в режиме реального времени — функция, которая окажется жизненно важной для расширения Интернета вещей.

Видеонаблюдение

Передача видеоданных на центральный сервер медленная и дорогая. Пограничные вычисления ускоряют этот процесс, позволяя камерам выполнять начальную видеоаналитику и распознавать интересующие события. Затем устройство передает отфильтрованные кадры на локальную границу для дальнейшего анализа.

Например, если в здании с боковыми камерами вспыхивает пожар, устройства могут различать людей в пламени. Как только камера замечает человека в опасности, кадры без задержки переходят на локальный край. Затем локальный периферийный компьютер может связаться с властями вместо того, чтобы отправлять отснятый материал в центр обработки данных и терять драгоценное время.

Возможности здравоохранения

Настройка периферийных устройств для мониторинга пациентов может помочь больницам обеспечить конфиденциальность данных и улучшить уход за пациентами. Персонал может оказывать более быструю и качественную помощь пациентам, в то время как больница сокращает объем данных, передаваемых по сети, и избегает перегрузок центрального сервера.

Развертывание периферийных решений может улучшить работу жизненно важных медицинских устройств, включая портативные устройства ЭКГ, датчики для контроля температуры и мониторы уровня глюкозы. Быстрая обработка данных также может сэкономить драгоценные секунды для удаленного мониторинга состояния пациента.

Подключенные автомобили

Автомобиль, оснащенный периферийными устройствами, может собирать данные с различных датчиков и реагировать в режиме реального времени на дорожные ситуации. Эта функция будет иметь жизненно важное значение при разработке автономных транспортных средств.

Пограничные вычисления также могут обеспечить автоматическое сопровождение транспортных средств. Группа легковых или грузовых автомобилей может двигаться в колонне близко друг к другу, экономя топливо и уменьшая заторы. Только первому транспортному средству потребуется водитель, так как остальные автомобили могут следовать за первым и обмениваться данными без задержки.

Мониторинг в нефтегазовой отрасли

Пограничные вычисления могут помочь предотвратить сбои в нефтегазовой отрасли. Эти предприятия обычно работают в удаленных местах, поэтому периферийный центр — гораздо лучший вариант, чем удаленный сервер или облако. Устройства могут использовать аналитику в реальном времени для мониторинга системы и отключения машин до того, как произойдет сбой.

Онлайн-игры

Многопользовательские онлайн-игры могут извлечь выгоду из периферийных вычислений, поскольку эта технология уменьшает задержку. Игроки могут организовывать массовые матчи без ущерба для производительности.

Облачные игры также могут выиграть от граничных вычислений. Этот тип онлайн-игр транслирует прямую трансляцию видеоигры непосредственно на пользовательские устройства. Поскольку центры обработки данных обрабатывают и размещают эти игры, у пользователей часто возникают проблемы с задержкой.

Если компания, занимающаяся облачными играми, устанавливает пограничный сервер рядом с местом нахождения игроков, поток не имеет задержек, а игровой процесс становится полностью отзывчивым.

Умные фабрики

Реагирование на производственные процессы в режиме реального времени имеет жизненно важное значение для сокращения количества дефектов продукции и повышения производительности на заводе. Аналитические алгоритмы могут отслеживать работу каждой единицы оборудования и корректировать рабочие параметры для повышения эффективности.

Пограничные устройства также могут обнаруживать и прогнозировать вероятность возникновения сбоя, сокращая дорогостоящее время простоя предприятия. Компании могут управлять процессами как в облаке, сохраняя при этом надежность локальной установки.

Интернет-покупки

Сокращение времени ожидания позволяет розничным магазинам создавать для своих клиентов богатый интерактивный онлайн-опыт. Владельцы магазинов могут создавать дополненную реальность для онлайн-покупок с безупречной производительностью и позволять покупателям покупать товары из дома.

Обычные розничные продавцы также могут использовать периферийные вычисления для настройки помощников по покупкам в виртуальной реальности в магазинах.

Технология на подъеме

По прогнозам экспертов, к 2025 году 75 % обработки данных будет осуществляться за пределами традиционных центров обработки данных или облака. Заблаговременно начните работу с периферийными вычислениями, чтобы открыть для себя новые возможности для бизнеса, повысить эффективность работы и обеспечить надежную работу своих клиентов.