Как стать автором
Обновить
437.75
Рейтинг
Маклауд
Облачные серверы на базе AMD EPYC

Руководство по пограничным вычислениям для архитектора. Самое важное

Блог компании МаклаудОблачные вычисленияОблачные сервисы
Перевод
Автор оригинала: Bob Reselman (Lead Contributor)
Для современного энтерпрайз-архитектора критически важно разбираться в пограничных вычислениях (edge computing). В этой статье будут рассмотрены основы пограничных вычислений и приведены примеры использования этой технологии на практике.



Пограничные вычисления – определенно существенная часть современного технологического ландшафта. Объем рынка для продукции и услуг, связанных с пограничными вычислениями, более чем удвоился с 2017 года. Причем, согласно статистическому сайту Statista, к 2025 году ожидается взрывной рост этого рынка (см. рисунок 1 ниже). 


Рисунок 1: Объем мирового рынка пограничных вычислений: текущая ситуация и прогноз на 2025 год (в миллиардах долларов США) (Statista)

По мере того, как мейнстрим компьютерных технологий продолжает перетекать с десктопа в сторону мобильных устройств и Интернета Вещей, пограничные вычисления играют все более значительную роль в архитектуре больших предприятий.

Учитывая эволюцию этой технологии и ее рост, ожидаемый в ближайшие годы, современному энтерпрайз-архитектору принципиально иметь базовое понимание пограничных вычислений. Цель этой статьи – дать такое понимание.

В этой статье рассмотрены четыре темы, фундаментально важные в контексте данной технологии. Сначала я сделаю введение в базовые концепции пограничных вычислений. Далее мы обсудим, в чем суть ценностного предложения пограничных вычислений. Далее я опишу закономерности, формирующиеся в этой области, в частности, как туманные вычисления соотносятся с пограничными. Наконец, я рассмотрю, как внедрение искусственного интеллекта с прицелом на его эксплуатацию вывело пограничные вычисления на передний край проектирования современных архитектур.

Для начала опишу, на чем основан паттерн пограничных вычислений.

Понятие о паттерне пограничных вычислений


Пограничные вычисления – это распределенный паттерн. Вычислительные ресурсы в очень обширной сети организованы таким образом, что определенные вычислительные устройства и мощности для хранения данных располагаются поблизости от той точки, где физически выполняется задача. Вычислительные ресурсы, существенные, но не принципиально важные для данной задачи, размещаются в удаленных локациях.

В сценариях с использованием пограничных вычислений пограничные устройства, например, видеокамера или детектор движения, располагают только таким объемом вычислительной логики и мощностями для хранения данных, что требуются для решения актуальной задачи. Как правило, эти устройства работают на очень компактных системах, например, на Raspberry Pi или на оборудовании с сетевой привязкой, где логика, специфичная для конкретных задач, встроена в выделенные бортовые компьютеры. (См. рисунок 2, ниже)


Рисунок 2: Сеть муниципальных светофоров как образец паттерна пограничных вычислений 

Удаленные компьютеры, к которым подключены пограничные устройства, обычно гораздо мощнее, и при этом заранее заготавливаются для выполнения дополнительной сложной работы. Физически такие удаленные компьютеры обычно находятся в датацентре в облаке.

В то время как многие технологии, связанные с пограничными вычислениями, до сих пор формируются, их базовая концепция используется на практике уже давно. Она оформилась в виде сетей доставки контента (CDN). CDN – это сетевая архитектура, в которой контент подается на серверы, расположенные как можно ближе к точкам потребления. Таким образом, задержки сокращаются, а пользователь получает качественное обслуживание (см. рисунок 3 ниже).


Рисунок 3: Сети доставки контента – одна из ранних реализаций пограничных вычислений в распределенных системах 

Такая компания как Netflix, чьи зрители живут по всему миру, подает контент на серверы, расположенные в различных точках по всему миру. Когда зритель заходит в Netflix и выбирает фильм для просмотра, внутренняя начинка цифровой инфраструктуры Netflix находит ближайшую к пользователю точку, из которой возможна потоковая передача фильма, и, таким образом, доставляет этот контент. Данный процесс скрыт от зрителя. Внутренний механизм, реализующий сеть доставки контента – это система Open Connect, разработанная Netflix.

Базовое ценностное предложение


Фундаментальное ценностное предложение пограничных вычислений заключается в том, что с их помощью компании могут оказывать цифровые услуги быстро и при этом экономично.

Физической аналогией, позволяющей понять ценность пограничных вычислений, могла бы стать модель доставки, принятая в вымышленной государственной онлайновой розничной сети, которую я назову Acme Online. Acme Online – это центральная система, на которой основан интернет-магазин. С ее помощью любой желающий может купить товар на сайте, после чего служба доставки привезет этот товар покупателю в любую точку страны (см. рисунок 4, ниже)


Рисунок 4: Онлайновая розница – пример пограничных вычислений в физическом мире.

В сценарии, показанном выше, Бобби из Лос-Анджелеса покупает подарок для своего друга Билли, живущего в Нью-Йорке. Между Бобби и Билли – почти четыре тысячи километров. У Acme Online есть несколько физических складов, рассредоточенных по всей стране. Один из складов находится в Лос-Анджелесе. Другой – в Нью-Йорке. После того, как Бобби совершит покупку, информационная система, занятая обработкой покупок в центральном датацентре Acme Online, принимает заказ и анализирует его, чтобы определить самый быстрый и дешевый способ доставки подарка.  Acme Online соотносит адрес Билли — получателя подарка — с ближайшим складом, на котором есть нужный товар. Затем Acme Online назначает доставку с нью-йоркского склада.

Эффективность очевидна. Выполнение задачи по доставке пакета удобнее всего организуется с распределительного пункта, ближайшего к получателю. Чем ближе точка доставки в получателю, тем меньше времени и ресурсов требуется на выполнение задачи.

Пусть это и всего лишь иллюстративный пример, он может показаться немного тривиальным. Но на самом деле, в рамках описанного процесса происходит гораздо больше, чем заметно на первый взгляд. Дальнейший анализ показывает, что при такой эксплуатации с использованием складов на самом деле есть вычислительные сущности двух типов. Первый тип в терминологии пограничных вычислений называется «туман». Второй тип называется «край». Склад можно сравнить с «туманом», а грузовик, доставляющий подарки – с краем. Давайте рассмотрим, чем они отличаются.  

Туман и край: разница


На заре развития пограничных вычислений такие устройства как камеры и детекторы движения подключались напрямую к центральному вычислительному узлу; как правило, это был датацентр, расположенный в закрытом помещении. Но, по мере наращивания использования, возникла проблема. Вычислительные ресурсы оказались размазаны чрезмерно тонким слоем. Слишком много данных, сложных в обработке, должны были передаваться на слишком большие расстояния (видеокамера, записывающая тридцать кадров в секунду, отсылает каждый кадр обратно на центральный сервер для хранения, выжмет до максимума ввод/вывод и за кратчайшее время непозволительно замедлит работу сети).

Кроме того, существует проблема, связанная с конфигурацией. Когда тысячи видеокамер отправляют данные на центральную локацию, имеющую конкретный IP-адрес – что типично для муниципальной системы передачи трафика – простое реконфигурирование IP-адреса на другом адресе превращается в каторжную задачу. Разумеется, нужна какая-то штука попроще. Эта штука и есть туман.

Туман – это уровень вычислений, расположенный между центральным облаком и пограничными устройствами. Возвращаясь к вышеописанной аналогии с Acme Online, отметим, что в архитектуре Acme Online региональные склады являются промежуточным звеном между центральным облаком и грузовиками, развозящими товары. Как упоминалось выше, склады – это туман, а грузовики – это край. Точно так же сегментируется и логика. Грузовик располагает только теми данными, которые нужны для взаимодействия со складом и для фактической доставки пакета.

Склад, в свою очередь, «знает», как получать и хранить запасы, выполнять заказы и присваивать заказы конкретным грузовикам. Кроме того, склад «умеет» взаимодействовать с центральным датацентром в Acme Online, а также со всеми грузовиками, прикоепленными к данному складу. Иными словами, склад – это проимежуточный слой, «туман», опосредующий взаимодействие между центральным датацентром и краем системы.

Данная физическая аналогия вполне переносится и на цифровую архитектуру. Поскольку объемы пограничной архитектуры велики, в рассматриваемой системе между пограничными устройствами и облаком прокладывается дополнительный вычислительный слой, улучшающий производительность системы в целом. При реализации туманного слоя между пограничными устройствами и центральным облаком также улучшается безопасность системы. В качестве примера можно привести архитектуру, в которой банкоматы конкретного банка подключаются к частной сети этого банка. В данном примере банкоматы являются пограничными устройствами, а частная сеть банка – туманом.  

В настоящее время формируется стиль, при котором принято размещать туманный слой распределенного приложения, предназначенный для потребления и обработки конфиденциальной информации, в соответствии с регламентирующими правилами конкретной локали, действующей в частном облаке. Пример – архитектура, в которой банкоматы подключаются к частной сети банка. В этом случае банкоматы являются пограничными устройствами, а частная сеть банка – туманом. Туман обрабатывает аутентификацию и верификацию, важные на уровне конкретных транзакций. Однако, при выполнении более сложных аналитических вычислений, требующих колоссальных ресурсов, работа в защищенном режиме передается в публичное облако. Как правило, интенсивные вычисления такого типа связаны с машинным обучением, на котором основан искусственный интеллект. На самом деле, структура открытое облако/закрытое облако и разделение (туман)/край, характерное для пограничной архитектуры, хорошо подходит для случаев, в которых требуется надежная поддержка искусственного интеллекта. 

Рассмотрим специфику.

Паттерны реализации искусственного интеллекта при применении пограничных вычислений 


В настоящее время у всех есть смартфоны, и эти устройства приучили нас к использованию ИИ в современной жизни, пусть он и работает «за кулисами». Благодаря таким технологиям как Google Lens, распознавание образов встроено прямо в телефоны с Android. Можете навести камеру телефона на изображение с бутылкой вашего любимого кетчупа – и приложение выйдет в Интернет, найдет вам ближайший магазин, где вы сможете найти этот кетчуп. Это поразительно, особенно, если учесть эволюцию сотового телефона – теперь на нем достаточно вычислительных мощностей даже для первичного распознавания образов. Так было не всегда. В прошлом вычисления такого рода могли выполняться только на очень мощных компьютерах.

Не так давно в смартфонах появилась возможность сделать снимок и переслать его по электронной почте. В результате Интернет наводнился миллиардами фотографий собак. Раньше сотовый телефон мог сфотографировать собаку, но понятия не имел, что на этом фото изображена собака. Эту работу должны были выполнять более мощные машины, понимающие, как выглядит собака. Такой процесс идентификации изображения назвали «моделированием».

Моделирование в компьютерной программе работает так: находим огромное множество изображений, описывающих интересующий нас феномен, в данном случае – собаку. В программу заложена логика, позволяющая выявить обобщенные закономерности, описывающие интересующий нас объект. Иными словами, скормив программе множество изображений разных собак, мы в конце концов обучим ее общим характеристикам всех этих образов и натаскаем на обнаружение собаки на случайной картинке. Это и есть моделирование.

На создание модели требуется очень много вычислительной мощности, а на ее использование – уже меньше. Исходно в мире ИИ как построение, так и использование моделей осуществлялось в датацентре. Когда требовалось определить, собака ли изображена на данном фото, сотовый телефон служил не более чем глупым терминалом, как показано на рисунке 5 ниже.


Рисунок 5: В стандартных облачных вычислениях ИИ находится в облаке 

Однако, по мере того, как мощности сотовых телефонов росли, на них развились возможности использовать модели, созданные в облаке. Сегодня сотовые телефоны, будучи классическими пограничными устройствами, скачивают модель собаки, которую потом используют их интеллектуальные механизмы, определяющие, что на цифровом изображении – действительно собака. Польза в том, что все более значительный объем вычислений переносится на пограничное устройство. Кроме того, пограничному устройству не требуется непрерывного соединения с датацентром в облаке. Если по какой-то причине сотовый телефон окажется в подземном тоннеле, где связь отсутствует, он все равно сможет идентифицировать собаку на фото (см. рисунок 6, ниже)


Рисунок 6: В пограничных вычислениях работа искусственного интеллекта, например, распознавание моделей, выдавливается на пограничные устройства 

Умные пограничные вычисления относительно просто реализуются на таких устройствах, как смартфоны, мощности которых это позволяют. Все становится сложнее, когда устройство уже не настолько «умное», например, если это камера, распознающая красный свет в муниципальной дорожной сети.

Сегодня дорожные камеры – уже обыденность. Они отслеживают движение на оживленных перекрестках и могут зафиксировать водителя, который поехал на красный свет. Однако, чтобы такая система камер действовала эффективно, мало просто взять и установить на перекрестке видеокамеру. Ей нужна не только координация со светофором, но и искусственный интеллект, который позволил бы ей отличать автомобиль от других объектов на перекрестке.

Для эффективной работы такого рода в игру вступает маломасштабная туманная архитектура. Системе требуется ровно столько информации, чтобы определить, произошло ли нарушение ПДД, но не столько, чтобы установить личность водителя, либо чтобы предпринимать дальнейшие действия в ответ на нарушение.

В данной ситуации будет уместен паттерн край/туман/облако, как показано на рисунке 7 ниже.


Рисунок 7: Добавив к облаку туманный периметр, мы позволяем устройствам IoT отправлять данные на сервер локальной сети, где они, в свою очередь, обрабатываются, а затем вновь отправляются в облако. 

В сценарии с дорожной камерой, изложенном выше, вся интеллектуальная начинка, позволяющая определить факт нарушения ПДД, хранится на туманном сервере. Серверу известно, когда на светофоре зажегся красный свет, видны изображения машин, следующих через ограниченную зону, и, следовательно, камера может определить факт нарушения. Когда водитель едет на красный, камера отправляет в облако на обработку лишь ту информацию, которая релевантна в контексте данного нарушения.

Теперь мы принимаем как данность такой тип пограничной архитектуры (один из многих), применяемый для решения конкретной практической задачи. Можно расширить этот сценарий так, чтобы каждый сигнал светофора и камера подключались к устройству с Raspberry Pi, чей искусственный интеллект позволяет определять нарушения ПДД. Затем Raspberry Pi перенаправляет эту информацию на туманный уровень, где данные о нарушениях агрегируются и пакетом отправляются в облако.

То, какая именно пограничная архитектура нам нужна, определяется в зависимости от требований к задаче и от имеющегося бюджета. В данном случае важно понимать, что сегментация (как в контексте вычислений вообще, так и в контексте реализации искусственного интеллекта) – это важный аспект пограничной архитектуры. Здесь нет «подхода для всех». Следовательно, современный энтерпрайз-архитектор должен понимать достоинства и компромиссы, присущие различным методам пограничных вычислений. 

Итоги


Пограничные вычисления будут и далее расти в IT-ландшафте, особенно с введением сетей 5G. Узлы в сетях 5G расположены гораздо ближе к друг другу, чем в более старых сетях, что позволяет сократить задержки. Такая структура позволяет значительно повысить темп передачи данных. В настоящее время большая часть активности, связанной с 5G, будет происходить на сотовых телефонах. Как мы убедились, технологии, ориентированные на устройства общего назначения, например, на сотовые телефоны, находят применение и в более специализированных контекстах, например, при разработке беспилотных автомобилей или мобильных промышленных роботов. 

Мир пограничных вычислений открывает обширные возможности. Есть мнение, что это новая великая парадигма. По мере того, как пограничные вычисления используются все активнее, они продолжают усложняться. Надеемся, что концепции и идеи, представленные в этой статье, станут для вас хорошей базой, чтобы овладеть этой парадигмой.



VPS серверы от Маклауд быстрые и безопасные.

Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!

Теги:архитектуравычисления для архитекторовПограничные вычисленияcdn
Хабы: Блог компании Маклауд Облачные вычисления Облачные сервисы
Всего голосов 23: ↑20 и ↓3+17
Просмотры4.2K
Комментарии Комментарии 2

Похожие публикации

Лучшие публикации за сутки