Периферийные вычисления: не облаком единым

По данным аналитического прогноза IHS, к 2020 году в мире будет около 35 миллиардов интернет устройств, называемых устройствами интернета вещей (IoT), а к 2025 количество соединенных "вещей" превысит 70 миллиардов. Все эти устройства будут генерировать огромные объёмы данных, которые должны быть быстро и корректно обработаны. Для обеспечения такого спроса необходимо наличие трех уровней: облака (Cloud), уровня "туманных" (периферийных) вычислений (Fog) и уровня устройств.

Есть плюсы и минусы прямого взаимодействия IoT-устройств с облаком. К плюсам можно отнести неограниченные вычислительные ресурсы, объём хранилища, высокую производительность и уменьшенную стоимость владения. К минусам — безопасность, задержки при передаче данных от IoT-устройства в облако и обратно, связанные с его удаленностью, а также возможный простой из-за потери связи и т.д.

Не всё умное оборудование работает через облако. Данные можно хранить, считать, анализировать и направлять к центру управления с помощью периферийных устройств. Вычислительная инфраструктура непрерывно изменяется вместе с развитием технологий. Сегодня основные изменения связаны с развёртыванием интеллектуальных производственных систем на многих передовых предприятиях. 

Периферия в "тумане"

Прослойка в виде fog-уровня, как понятие, была внедрена компанией Cisco. В реальной жизни "туман" ближе к поверхности, то есть этот уровень находится на границе устройств и пользователей, но также связан с облаком, предоставляя сервисы облака объектам на земле. Небольшие вычислительные мощности, представленные fog-уровнем, постоянно связаны с устройствами, имеют возможности "туманных" вычислений, ведут обработку данных самостоятельно, лишь передавая их, по мере необходимости, облаку. Тем самым, объём информации оптимизирован и ограничен различными уровнями структуры земля-туман-облако. Основное отличие облачных структур от туманных вычислений в том, что облако представляет централизованную структуру, а "туманный" уровень — децентрализованную, при этом выступая неким интеллектуальным фильтром и узлом, минимизирующим нагрузку на cloud.

Такая структура дает толчок развитию искусственного интеллекта, интернета вещей, которые требуют частичной децентрализации. И если для работы устройств напрямую с облаком вам требуется в основном интернет-соединение, то для fog-уровня могут быть использованы различные протоколы.

Периферийные вычисления являются подкатегорией туманных вычислений, которая фокусируется на обработке и анализе на уровне сетевых узлов. Новые возможности "туманных" или периферийных вычислений, реализованных на основе традиционных промышленных управляющих архитектур, обеспечивают высокий уровень гибкости. Кроме того, синхронизированные во времени приложения и аналитические платформы усиливают, а в некоторых случаях, наоборот, сводят к минимуму, потребность в обработке больших данных с помощью облачных технологий, независимо от места размещения облака.

Недавние исследования показали, что технологии промышленного интернета вещей (IIoT) обеспечивают производственному интеллекту высокую степень распределения. В частности, можно разделить функции хранения и вычисления для того, чтобы система управления и обработки данных стала поистине распределённой. Результат — работа в режиме реального времени и отсутствие потерь, а следовательно, повышение производительности и смягчение рисков благодаря распределению производственных данных и аналитики по наиболее подходящим для них участкам.

Гибкая производственная архитектура с возможностью использования распределённых вычислений и виртуализированных серверов позволяет создать такую масштабируемую производственную среду, в которой люди, процессы и технологии будут функционировать оптимальным образом. Эта среда не будет зависеть от того или иного поставщика или технологического решения. Однако, поскольку многие операции будут и дальше выполняться на устаревшем оборудовании в рамках существующей архитектуры, для того чтобы поддерживать производственную среду в актуальном состоянии, потребуются виртуализированные хосты, системы управления данными и API-инструменты с открытым доступом.

Периферийные вычисления выполняются на уровне управления или выше, предоставляя ответ в режиме реального времени и повышая экономическую эффективность. Согласно нашему видению производственной архитектуры на базе IIoT, аналитика находится в общем контексте с остальными системами. Кроме того, мы рассматриваем облачные и периферийные вычисления как единое целое, не проводя принципиальных различий между ними. Периферия в большей степени определяется с точки зрения "аппаратного" взгляда на предприятие: любая система, располагающаяся в иерархии ниже дата-центра всего предприятия, является элементом периферии. Это не жёсткое правило, но оно служит хорошей отправной точкой для дальнейшего обсуждения производственной архитектуры с распределённым функционалом.

Исходя из политики предприятия, периферийная инфраструктура может выступать в качестве дополнения к 1-му или 2-му уровням системы управления и обработки производственных данных или же включать эти уровни в себя. На предприятии принимают решение, будет ли промышленная периферия служить расширением облачных процессов или процессов управления — в зависимости от требований к структуре данных, их объёму, а также скорости их передачи и обработки. Перед запуском пилотных проектов и масштабированных применений чрезвычайно важно определиться с местоположением функционалом, вариантами использования и необходимыми результатами.

Спускаться в "туман" или уходить в облако?

Облачные вычисления доказали свою гибкость и эффективность благодаря консолидированному и централизованному характеру, но с развитием промышленного интернета вещей и мобильных вычислений диапазон частот для сетевой обработки сигналов становится ограниченным. Более того, не всё интеллектуальное оборудование нуждается в облаке для выполнения расчётов. В некоторых случаях проектировщикам сетей можно — и даже нужно — отказаться от избыточной передачи данных. Периферийные вычисления могут быть более эффективными, чем облачные.

Чем дальше мы двигаемся в направлении сетей 5G, тем важнее поддержка периферийных вычислений, ибо пересылка в облако займет слишком много времени и излишне нагрузит сеть.

Периферийные вычисления позволяют обрабатывать данные в непосредственной близости от их источника (двигателя, насоса, генератора или датчика), сокращая потребность в обмене этими данными с облаком. По сути, периферийные вычисления на производстве — это сеть миниатюрных дата-центров, оснащённых функциями локального хранения, расчёта и аналитики данных с последующей отправкой полученной информации для углублённого анализа в центр управления предприятием, в облако (частное или общедоступное, локальное или удалённое) или в систему искусственного интеллекта.

Не существует единого аппаратного решения для промышленных периферийных вычислений. Всё очень субъективно и зависит от того, какая вычислительная мощность и объем данных необходимы для конкретного применения в производственном процессе. Выделенные серверы с функцией виртуализации могут поддерживать работу крупномасштабных систем, хранить релевантные производственные данные, обмениваться информацией с облаком и выполнять анализ на месте эксплуатации оборудования, сервера или компьютера на стойке ПЛК (программируемый логический контроллер). 

Помимо всего прочего, промышленным предприятиям необходимо согласовать общие стандарты по функциональности для разных процессов, а также по соответствующему аппаратному обеспечению и требованиям к поставщикам. Периферийные вычисления должны выполняться локально и как можно ближе к источнику данных для того, чтобы избежать укрупнения ИТ-инфраструктуры на уровне всего предприятия.

Промышленные периферийные вычисления до сих пор находятся на ранней стадии реализации, но одно мы знаем точно: периферийные устройства требуют значительных инвестиций от поставщиков облачных решений. Необходимо разгрузить пропускную способность и обеспечить доступ к данным без задержек, однако в условиях ажиотажа вокруг технологий интернета вещей в промышленных и торговых сферах это не так уж просто.

Судя по всему, периферийные вычисления вскоре обретут большую популярность, особенно там, где пользователи сомневаются в актуальности облачных технологий для решения конкретных задач. Облачные интерфейсы и приложения спустятся с небес на периферию. Хранение и аналитика производственных данных скоро будет выполняться на периферии с использованием виртуальных серверов и упрощённого аппаратного и программного обеспечения для управления производством. В свою очередь, упрощение ИТ-инфраструктуры будет сопровождаться такими преимуществами, как упрощение структуры сетей, повышение уровня безопасности и увеличения пропускной способности.

Парадигма облачных вычислений и аналитики расширяется и приближается к "земле", к нашим устройствам и сетевой инфраструктуре предприятия. Такая технология позволит организациям минимизировать зависимость и затраты, связанные с использованием облака.