Що таке граничні обчислення та чому вони важливі?
Обчислення на межі мережі (edge computing) стрімко набирають популярності у світі цифрових технологій. Це пов’язано з їхньою здатністю оптимізувати роботу веб-застосунків та різноманітних інтернет-пристроїв, мінімізуючи при цьому використання пропускної здатності мережі та затримки при передачі даних.
Сучасний світ генерує величезні обсяги даних щодня. Ці дані надходять від різноманітних джерел, як-от компанії, підприємства, виробничі заводи, медичні установи, банки та інші організації.
Ефективне керування, зберігання та обробка цих даних стає дедалі важливішою. Це особливо критично для тих галузей, де час має вирішальне значення. Швидка та ефективна обробка даних дозволяє мінімізувати ризики безпеки та прискорити бізнес-процеси.
Саме тут на допомогу приходять граничні обчислення.
Але що ж таке граничні обчислення? Чи достатньо хмарних технологій?
Давайте розглянемо граничні обчислення детальніше, щоб розвіяти усі сумніви.
Граничні обчислення: визначення
Граничні обчислення – це сучасна, розподілена архітектура обробки даних, яка наближає обчислення та зберігання даних безпосередньо до їхнього джерела. Це дозволяє значно економити пропускну здатність мережі та покращує час відгуку.
Простіше кажучи, граничні обчислення передбачають зменшення кількості процесів, що виконуються у хмарі. Замість цього обчислювальні процеси переміщуються на “крайні” пристрої, такі як пристрої Інтернету речей (IoT), периферійні сервери чи комп’ютери користувачів. Такий підхід зменшує відстань передачі даних між сервером та клієнтом, що, у свою чергу, знижує використання пропускної здатності та затримку.
По суті, граничні обчислення – це архітектурний підхід, а не окрема технологія. Це обчислення, орієнтовані на локалізацію, які не повністю залежать від хмари для виконання завдань. Однак це не означає, що хмарні технології зникнуть – вони просто стають ближчими до користувача.
З історії виникнення
Концепція граничних обчислень бере свій початок із мереж доставки контенту (CDN), розроблених у 1990-х роках для доставки відео та веб-контенту через периферійні сервери, розміщені ближче до користувачів. У 2000-х роках ці мережі почали розміщувати програми та компоненти програм безпосередньо на периферійних серверах.
Так з’явилося перше комерційне використання граничних обчислень. Згодом були розроблені спеціалізовані рішення та сервіси для розміщення різноманітних додатків, таких як кошики для покупок, агрегація даних в режимі реального часу, вставка реклами тощо.
Архітектура граничних обчислень
Для кожного виду обчислювальних завдань необхідна відповідна архітектура. Не існує універсального рішення, оскільки різні типи завдань вимагають різного підходу.
З роками граничні обчислення перетворилися на важливу архітектуру для підтримки розподілених обчислень та розгортання сховищ та обчислювальних ресурсів у безпосередній близькості до джерела даних.
Незважаючи на те, що граничні обчислення використовують децентралізовану архітектуру, яка може бути складною та вимагати постійного контролю та моніторингу, вони ефективно вирішують складні мережеві проблеми, такі як швидка передача великих обсягів даних, у порівнянні з іншими методами обробки.
Унікальна архітектура граничних обчислень спрямована на вирішення трьох основних проблем мережі: затримки, пропускної здатності та перевантаження.
Затримка
Затримка – це час, необхідний для передачі пакета даних з однієї точки мережі до іншої. Зменшення затримки покращує взаємодію з користувачем. Проблемою є відстань між користувачем, який відправляє запит, і сервером, який на нього відповідає. Затримка зростає зі збільшенням відстані та перевантаженням мережі, що затримує час відповіді сервера.
Розміщення обчислень ближче до джерела даних дозволяє зменшити фізичну відстань між сервером і клієнтом, забезпечуючи швидшу відповідь.
Пропускна здатність
Пропускна здатність – це обсяг даних, який мережа може передати за певний час, вимірюється у бітах за секунду. Вона обмежена для всіх мереж, особливо для бездротових. Тому обмежена кількість пристроїв може обмінюватися даними в мережі. Збільшення пропускної здатності часто вимагає додаткових витрат. Крім того, контроль за використанням пропускної здатності стає складним, коли до мережі підключено багато пристроїв.
Граничні обчислення вирішують цю проблему. Оскільки обробка даних відбувається безпосередньо біля їхнього джерела, пропускна здатність використовується більш ефективно, що дозволяє зменшити витрати.
Затори
Інтернет – це мільярди пристроїв, що постійно обмінюються даними. Це може призвести до перевантаження мережі та затримки. Крім того, збої в мережі можуть посилити ці проблеми, порушуючи зв’язок між користувачами.
Розгортання серверів та сховищ даних в місцях, де генеруються дані, дозволяє багатьом пристроям працювати в більш ефективній локальній мережі. Це значно зменшує затори та затримку.
Як працюють граничні обчислення?
Концепція граничних обчислень не нова, вона має коріння в дистанційних обчисленнях. Наприклад, філії та віддалені офіси розміщують обчислювальні ресурси там, де це найбільш вигідно, не покладаючись на центральне розташування.
У традиційній моделі обчислень дані, що створювалися на стороні клієнта, передавалися через Інтернет до корпоративної мережі для зберігання та обробки. Потім вихідні дані відправлялися назад через Інтернет до пристрою клієнта.
Сучасні IT-архітектори відходять від централізованих центрів обробки даних і віддають перевагу периферійній інфраструктурі. Тут обчислювальні ресурси та ресурси зберігання переміщуються з центру обробки даних до місця, де користувач створює дані.
Тобто, центр обробки даних наближається до джерела даних, а не навпаки. Для цього потрібна децентралізована мережа, що працює в локальній мережі та збирає дані для обробки. Іноді обладнання розміщують в захищених кожухах для захисту від високих температур, вологості та інших кліматичних умов.
Процес граничних обчислень включає нормалізацію та аналіз даних для пошуку бізнес-аналітики, надсилаючи лише релевантні дані після аналізу до головного центру обробки даних. Бізнес-аналітика може включати:
- Відеоспостереження в роздрібних магазинах.
- Дані про продажі.
- Прогнозну аналітику для ремонту та обслуговування обладнання.
- Вироблення енергії.
- Збереження якості продукції.
- Забезпечення належного функціонування пристроїв.
Переваги та недоліки граничних обчислень
Переваги
Переваги граничних обчислень:
1. Швидший час відгуку
Розміщення обчислювальних процесів на периферійних пристроях або поруч з ними допомагає зменшити затримку.
Наприклад, для передачі термінового повідомлення між працівниками в одній компанії, використання маршрутизатора для локальної передачі даних дозволяє значно зменшити затримки та економить пропускну здатність мережі.
2. Ефективність витрат
Граничні обчислення допомагають заощадити ресурси сервера та пропускну здатність, що зменшує витрати. Якщо для підтримки великої кількості смарт-пристроїв в офісах чи вдома використовуються хмарні ресурси, їхня вартість буде вищою. Граничні обчислення можуть знизити ці витрати, перемістивши обчислювальні процеси на край мережі.
3. Безпека та конфіденційність даних
Передача даних між міжнародними серверами пов’язана з ризиками конфіденційності, безпеки та юридичними проблемами. Викрадення даних може мати серйозні наслідки.
Граничні обчислення зберігають дані ближче до їхнього джерела, в межах законів про захист даних, таких як HIPAA та GDPR. Це дозволяє обробляти дані локально та уникнути переміщення конфіденційних даних у хмару або центр обробки даних.
Крім того, дані, що передаються у хмару або на віддалені сервери, можна шифрувати за допомогою граничних обчислень, забезпечуючи додатковий захист від кібератак.
4. Легке обслуговування
Граничні обчислення вимагають мінімальних зусиль та витрат на обслуговування периферійних пристроїв та систем. Вони споживають менше електроенергії, а вимоги до охолодження для підтримки оптимальної продуктивності також знижуються.
Недоліки
Недоліки граничних обчислень:
1. Обмежена сфера застосування
Граничні обчислення ефективні, але їхні можливості та обсяг застосування обмежені. Це одна з причин популярності хмарних технологій.
2. Підключення
Для ефективної обробки даних граничні обчислення потребують надійного підключення до мережі. У випадку втрати з’єднання потрібно ретельно планувати резервні заходи.
3. Лазівки в безпеці
Зі збільшенням кількості інтелектуальних пристроїв зростає ризик їхнього зламу зловмисниками.
Застосування граничних обчислень
Граничні обчислення використовуються в різних галузях для збору, обробки, фільтрації та аналізу даних на краю мережі. Ось деякі з сфер застосування:
Пристрої IoT
Поширена помилкова думка, що граничні обчислення та IoT – це одне і те ж. Насправді граничні обчислення – це архітектура, а IoT – це технологія, яка її використовує.
Інтелектуальні пристрої, як-от смартфони, розумні термостати, розумні автомобілі, розумні замки та годинники, підключаються до інтернету та ефективно використовують код, що виконується на самих пристроях, а не в хмарі.
Оптимізація мережі
Граничні обчислення допомагають оптимізувати мережу, вимірюючи та покращуючи її продуктивність. Вони знаходять найкоротший шлях із найменшою затримкою та найбільшою надійністю для трафіку користувачів. Також, граничні обчислення можуть зменшити затори для забезпечення оптимальної продуктивності.
Охорона здоров’я
Галузь охорони здоров’я генерує величезну кількість даних, включаючи дані пацієнтів з медичного обладнання, датчиків і пристроїв.
Існує велика потреба в управлінні, обробці та зберіганні цих даних. Граничні обчислення допомагають тут, використовуючи машинне навчання та автоматизацію для швидкого доступу до даних. Це дозволяє виявляти проблемні дані, що потребують негайної уваги, для забезпечення кращого догляду за пацієнтами.
Крім того, граничні обчислення використовуються в системах моніторингу стану здоров’я для швидкого реагування в режимі реального часу, замість очікування дій хмарного сервера.
Роздрібна торгівля
Роздрібні підприємства також генерують великі обсяги даних від відстеження запасів, продажів, спостереження та іншої бізнес-інформації. Граничні обчислення дозволяють збирати та аналізувати ці дані для виявлення можливостей, таких як прогнозування продажів, оптимізація замовлень постачальників тощо.
Виробництво
У виробничому секторі граничні обчислення використовуються для моніторингу виробничих процесів та застосування машинного навчання та аналітики в реальному часі для покращення якості продукції та виявлення виробничих помилок. Граничні обчислення також підтримують роботу датчиків навколишнього середовища, встановлених на виробничих підприємствах.
Крім того, граничні обчислення надають інформацію про наявні компоненти та прогнозують термін їхньої експлуатації, що допомагає виробникам приймати обґрунтовані та швидкі рішення щодо операцій та заводу.
Будівництво
Будівельна галузь використовує граничні обчислення для збору та аналізу даних з пристроїв безпеки, камер, датчиків для забезпечення безпеки на робочих місцях. Це допомагає підприємствам контролювати умови безпеки на робочому місці та стежити за дотриманням працівниками протоколів безпеки.
Транспорт
Транспортний сектор, особливо автономні транспортні засоби, генерують великі обсяги даних. Автономні транспортні засоби потребують обробки даних в режимі реального часу, що вимагає потужних обчислювальних ресурсів. Також необхідні дані про стан транспортного засобу, швидкість, місцезнаходження, стан доріг та дорожній рух, а також про транспортні засоби поблизу.
Тому самі транспортні засоби стають межею, де відбуваються обчислення. Дані обробляються швидко, щоб забезпечити необхідний збір та аналіз інформації.
Сільське господарство
У сільському господарстві граничні обчислення використовуються в датчиках для відстеження щільності поживних речовин, використання води та оптимізації врожаю. Датчики збирають дані про навколишнє середовище, температуру та стан ґрунту. Аналізується їхній вплив, щоб підвищити врожайність та забезпечити їхній збір у найсприятливіших умовах.
Енергетика
Граничні обчислення корисні в енергетичному секторі для моніторингу безпеки на газових та нафтових підприємствах. Датчики постійно контролюють вологість та тиск. Важливим є безперервний зв’язок, щоб уникнути катастроф. Оскільки більшість таких об’єктів розташовано у віддалених районах зі слабким зв’язком.
Розгортання граничних обчислень в цих системах або поруч з ними забезпечує більші можливості для підключення та безперервного моніторингу. Також, граничні обчислення дозволяють виявляти несправності обладнання в режимі реального часу. Датчики можуть контролювати енергію, вироблену усіма машинами, такими як електромобілі, системи вітрових електростанцій, для зменшення витрат та ефективного виробництва енергії.
Інші застосування граничних обчислень включають відеоконференції, які споживають велику пропускну здатність, ефективне кешування з кодом, що працює в периферійних мережах CDN, фінансові послуги, як-от банки для безпеки тощо.
Дальній та ближній край
У сфері граничних обчислень часто використовують терміни “дальній край” та “ближній край”, що іноді може заплутати. Давайте розглянемо їхню різницю.
Дальній край (Far Edge)
Це інфраструктура, розміщена найдалі від хмарного центру обробки даних та найближче до користувачів.
Наприклад, інфраструктура Far Edge для оператора мобільного зв’язку може розташовуватись біля базових станцій стільникового зв’язку.
Обчислення Far Edge використовуються на підприємствах, заводах, торгових центрах. Програми, що працюють на цій інфраструктурі, потребують високої пропускної здатності, масштабованості та низької затримки, що ідеально підходить для потокового відео, AR/VR, відеоігор. Залежно від розміщених програм, Far Edge поділяється на:
- Enterprise Edge – для корпоративних програм.
- IoT Edge – для програм IoT.
Ближній край (Near Edge)
Це обчислювальна інфраструктура, розміщена між хмарними центрами обробки даних та Far Edge. На відміну від Far Edge, що розміщує окремі програми, вона забезпечує роботу загальних програм та сервісів.
Інфраструктуру Near Edge можна використовувати для кешування CDN, Fog-обчислень. Fog-обчислення розміщують сховище та обчислювальні ресурси всередині даних або поблизу них, але можуть не належати до них. Це є компромісом між віддаленим хмарним дата-центром і краєм, розташованим біля джерела з обмеженими ресурсами.
Граничні обчислення vs Хмарні обчислення (подібність та відмінності)
І граничні, і хмарні обчислення використовують розподілені обчислення та розгортання сховищ і обчислювальних ресурсів на основі даних. Однак, це не одне і те ж.
Ось їхні відмінності:
- Розгортання: хмарні обчислення розгортають ресурси в глобальних місцях з високою масштабованістю для виконання процесів. Це може включати централізовані обчислення ближче до джерела даних, але не на краю мережі. Граничні обчислення, навпаки, розгортають ресурси там, де генеруються дані.
- Централізація/децентралізація: хмарні обчислення пропонують ефективні та масштабовані ресурси з централізованим управлінням та безпекою. Граничні обчислення є децентралізованими та використовуються для вирішення проблем та випадків, не передбачених підходом централізації хмарних обчислень.
- Архітектура: архітектура хмарних обчислень складається з кількох слабко пов’язаних компонентів. Вони надають програми та послуги за моделлю “оплата за використання”. Граничні обчислення виходять за рамки хмарних обчислень, забезпечуючи більш стабільну архітектуру.
- Програмування: розробка додатків у хмарі зазвичай використовує одну або декілька мов програмування. Граничні обчислення можуть потребувати різних мов програмування для розробки додатків.
- Час відгуку: середній час відгуку зазвичай більший у хмарних обчисленнях, порівняно з граничними. Граничні обчислення пропонують швидший обчислювальний процес.
- Пропускна здатність: хмарні обчислення споживають більше пропускної здатності та енергії через більшу відстань між клієнтом і сервером, тоді як граничні обчислення потребують меншої пропускної здатності та енергії.
Які переваги граничних обчислень перед хмарними?
Процес граничних обчислень є більш ефективним, ніж хмарні обчислення, оскільки хмарним потрібно більше часу для отримання даних, запитаних користувачем. Хмарні обчислення можуть затримувати передачу інформації до центру обробки даних, що сповільнює процес прийняття рішень.
В результаті, організації можуть зазнати втрат щодо вартості, пропускної здатності, безпеки даних, та навіть професійних ризиків, особливо у виробництві та будівництві. Ось деякі переваги граничних обчислень над хмарними:
- Потреба у швидшій, безпечнішій та надійнішій архітектурі популяризувала розвиток граничних обчислень, змушуючи організації віддавати перевагу граничним обчисленням замість хмарних. У сферах, де час має вирішальне значення, граничні обчислення показують вражаючі результати.
- Коли обчислювальний процес виконується у віддалених місцях, граничні обчислення працюють ефективніше через малий або відсутній зв’язок, забезпечуючи централізований підхід. Це допомагає з локальним зберіганням, працюючи як мікроцентр даних.
- Граничні обчислення є кращим рішенням для підтримки розумних і спеціалізованих пристроїв, які виконують спеціальні функції та відрізняються від звичайних пристроїв.
- Граничні обчислення ефективно вирішують проблеми використання пропускної здатності, високої вартості, безпеки та енергоспоживання в більшості галузей, порівняно з хмарними обчисленнями.
Постачальники граничних обчислень
Для швидкого та легкого розгортання граничних обчислень у вашому бізнесі або організації потрібен постачальник відповідних послуг. Вони допомагають ефективно обробляти та передавати дані, пропонують надійну IT-інфраструктуру та управляють масивними даними, що надходять з периферійних пристроїв.
Ось деякі з відомих постачальників граничних обчислень:
1. Amazon Web Services (AWS)
AWS пропонує узгоджену роботу з хмарною моделлю та надає рішення та послуги для IoT, ML, AI, аналітики, робототехніки, зберігання та обчислень.
2. Dell
Dell забезпечує оркестрування та управління граничними обчисленнями через OpenManage Mobile. Dell чудово підходить для цифрових міст, роздрібних торговців, виробників тощо.
3. ClearBlade
ClearBlade випустили програму Edge Native Intelligent Asset Application, що дозволяє супроводжувачам периферії створювати пристрої сповіщень та підключатися до пристроїв IoT без програмування.
Іншими відомими постачальниками граничних обчислень є Cloudflare, StackPath, Intel, EdgeConnex тощо.
Заключні слова
Граничні обчислення можуть бути ефективним, надійним та економічно вигідним рішенням для сучасних компаній, які активно використовують цифрові послуги та технології. Це також чудова концепція для підтримки віддаленої роботи, сприяючи швидшій обробці даних та спілкуванню.