Tác nhân và lợi ích của điện toán biên

Internet ngày nay đang thiên về các nội dung tốn nhiều băng thông và ngày càng nhiều các thiết bị kết nối. Đồng thời, các mạng viễn thông di động và mạng dữ liệu đang hội tụ vào kiến trúc điện toán đám mây. Để hỗ trợ các nhu cầu hiện tại và tương lai, năng lực tính toán và lưu trữ đang được đưa ra ngoài biên mạng để giảm thời gian vận chuyển dữ liệu và tăng tính khả dụng. Điện toán biên mang các nội dung tiêu tốn băng thông và các ứng dụng yêu cầu độ trễ thấp đến gần hơn với người dùng hoặc nguồn dữ liệu.

Dưới dây là một số thông tin bổ ích về Điện toán biên và các ứng dụng.

1. Định nghĩa điện toán biên

Điện toán biên đưa các chức năng thu thập và kiểm soát dữ liệu, lưu trữ nội dung băng thông cao và các ứng dụng đến gần hơn với người dùng cuối. Nó được chèn vào điểm cuối logic của mạng (Internet hoặc mạng riêng), như một phần của mô hình điện toán đám mây lớn hơn.

Có ba ứng dụng chính của điện toán biên mà chúng ta sẽ thảo luận trong sách trắng này.

Một công cụ để thu thập khối lượng thông tin khổng lồ từ các thiết bị cục bộ, như một điểm để tổng hợp và kiểm soát.
Nơi cung cấp lưu trữ và phân phối cục bộ nội dung sử dụng nhiều băng thông như một phần của mạng phân phối nội dung.
Một ứng dụng tại chỗ và công cụ xử lý để mô phỏng các dịch vụ đám mây và cách ly trung tâm dữ liệu khỏi hạ tầng đám mây công cộng.

Sơ đồ cơ bản của điện toán đám mây với các thiết bị biên mạng

2. Cách Internet hoạt động

Truyền dữ liệu “Đông-Tây”

Dữ liệu nguồn được chuyển đổi thành các gói tin truyền qua mạng, thông qua giao thức mạng được gọi là IP (Giao thức Internet). Định tuyến Internet được xử lý bởi một giao thức khác gọi là BGP (Border Gateway Protocol). Internet được thiết kế để tồn tại khi mất điện trên diện rộng và có khả năng định tuyến đường truyền khi xảy ra sự cố. BGP không tính đến yếu tố thời gian để định tuyến dữ liệu. Giao thức này chỉ nhìn vào số bước nhảy (hops) giữa hai mạng đang cố gắng giao tiếp với nhau. Những bước nhảy đó có thể bị tắc nghẽn hoặc đường truyền có thể đi một tuyến đường dài với ít bước nhảy hơn thay vì một tuyến đường rất ngắn với nhiều bước nhảy. Trong khi BGP có độ tin cậy cao và là một công nghệ nền cơ bản của mạng Internet, nó chưa thực sự tối ưu về khía cạnh độ trễ.

Truyền dữ liệu “Bắc-Nam”

Như được minh họa trong Hình 3, từ bên trong một mạng trung tâm dữ liệu đám mây điển hình ra đến bên ngoài, luồng dữ liệu sẽ đi từ máy chủ vật lý thông qua các switch mạng đầu tủ rack (top of rack switch) hoặc cuối dãy (end of row switches). Từ mỗi switch mạng đầu rack, dữ liệu đi qua một switch mạng tổng hợp và các thiết bị này tiếp tục truyền dữ liệu thông qua một core switch là đầu vào và đầu ra chính của trung tâm dữ liệu. Mỗi một trong số các switch này sẽ truyền dữ liệu và được coi là một bước nhảy mạng có liên quan đến việc đường truyền chậm và khả năng tắc nghẽn mạng. Nếu bị quá tải trong bất kỳ lớp mạng nào (nghĩa là, băng thông không được thiết kế cho đầu ra cực đại), thì có thể làm chậm thêm tốc độ truyền dữ liệu trong các giai đoạn mật độ sử dụng cao.

Mạng lưới trung tâm dữ liệu

3. ỨNG DỤNG

Ứng dụng # 1: phân phối nội dung băng rộng

Độ trễ là khoảng thời gian được tính từ lúc gói dữ liệu được gửi đi cho đến điểm cuối (một chiều) và trở về (hai chiều). Mặc dù hầu hết dữ liệu chỉ di chuyển một chiều, nhưng gần như không thể đo được. Đó là lý do tại sao thời gian 2 chiều từ một điểm là phép đo độ trễ phổ biến nhất. Độ trễ di chuyển 2 chiều phổ biến nhất là dưới 100 mili giây (ms) còn dưới 25 ms là lý tưởng.

Băng thông liên quan đến tốc độ truyền dữ liệu trên mạng. Tốc độ tối đa của thiết bị mạng được công bố bởi các nhà sản xuất. Tuy nhiên, tốc độ thực tế đạt được trong một mạng nhất định hầu như luôn thấp hơn chỉ số cao nhất được công bố. Độ trễ quá mức sẽ gây tắc nghẽn đường truyền, khiến dữ liệu không đến được điểm cuối. Tác động của độ trễ đối với băng thông mạng có thể là tạm thời (kéo dài một vài giây) như đèn giao thông hoặc không đổi như cây cầu 1 làn. Xác suất tắc nghẽn mạng lớn nhất là từ nội dung video có băng tần cao. Như chúng ta thấy trong Hình 4, VoD, TV 4K và video streaming là các ứng dụng băng thông rộng có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất.

Sự tăng trưởng của các ứng dụng băng thông rộng

Để giảm bớt tắc nghẽn mạng nhằm cải thiện việc truyền phát nội dung băng thông rộng trong hiện tại và tương lai, các nhà cung cấp dịch vụ đang kết nối một hệ thống máy tính trên Internet để lưu trữ nội dung gần hơn với người dùng. Điều này cho phép nội dung được triển khai nhanh chóng đến nhiều người dùng bằng cách sao chép nội dung trên nhiều máy chủ và đưa nội dung đến người dùng dựa trên vị trí gần nhất. Các máy tính lưu trữ nội dung này là một ví dụ của điện toán biên.

Ứng dụng # 2: Điện toán biên – Điểm tổng hợp và điều khiển IoT

Các công nghệ áp dụng cho các thành phố, nông nghiệp, ô tô, y tế, v.v. “thông minh” trong tương lai đòi hỏi phải triển khai rất nhiều cảm biến IoT. Một cảm biến IoT được định nghĩa là một node hoặc thiết bị phi máy tính có địa chỉ IP kết nối với Internet.

Khi giá của các cảm biến tiếp tục giảm, số lượng các thiết bị IoT được kết nối sẽ tăng vọt. Cisco ước tính sẽ có 50 tỷ thiết bị IoT được kết nối với Internet vào năm 2020.

IoT có thể tự động hóa hoạt động bằng cách:

Thu thập thông tin tự động về các thiết bị (máy móc, dụng cụ, phương tiện) để theo dõi tình trạng hoặc hành vi.
Sử dụng thông tin đó để cung cấp khả năng hiển thị và điều khiển để tối ưu hóa các quy trình và nguồn lực.

Truyền thông từ máy đến máy (M2M) đề cập đến các công nghệ cho phép cả hệ thống không dây và có dây giao tiếp với các thiết bị khác cùng loại. M2M được coi là một phần không thể thiếu của IoT và mang lại một số lợi ích cho ngành công nghiệp và kinh doanh nói chung vì nó có một loạt các ứng dụng trong Thành phố thông minh.

Internet Vạn Vật Công Nghiệp (IIoT) bao gồm khai thác dữ liệu cảm biến, công nghệ điều khiển giao tiếp giữa máy với máy và tự động hóa tạo ra một lượng lớn dữ liệu và lưu lượng mạng. Các hệ thống CNTT công nghiệp độc quyền và công nghệ mạng đang chuyển sang các hệ thống CNTT thương mại chính thống truyền thông qua mạng IP (Giao thức Internet).

Khai thác dầu khí là một ví dụ về ứng dụng IIoT này. Nhiều thiết bị bay không người lái (được gọi là các máy thu thập dữ liệu trên không) giúp giám sát các dàn khoan trong suốt quá trình khai thác dầu đang tạo ra một lượng lớn dữ liệu dưới dạng video HD. Những điểm làm việc này rất khó để phối hợp với các đội xe tải lớn, cần cẩu và máy xúc. Các phương pháp quản lý giao thông truyền thống sử dụng máy bay trực thăng có người lái cho việc giám sát bằng video. Thiết bị bay không người lái có thể chụp ảnh các điểm làm việc 24 giờ một ngày để cung cấp cho các nhân viên quản lý những cập nhật theo từng phút về tiến trình triển khai công việc. Với sự trợ giúp của điện toán biên, các thiết bị bay không người lái có thể truyền dữ liệu theo thời gian thực và nhận được hướng dẫn kịp thời.

Ứng dụng số #3: Các ứng dụng tại cơ sở

Nhu cầu duy trì hoặc tăng tính khả dụng của IT và mạng hầu như luôn là mối quan tâm hàng đầu. Điện toán đám mây là một kiến trúc tập trung. Điện toán biên biến đổi điện toán đám mây thành một kiến trúc phân tán hơn. Ưu điểm chính là bất kỳ gián đoạn nào được giới hạn chỉ ở một điểm thay vì toàn bộ hệ thống. Ví dụ, một cuộc tấn công DDoS (Distributed Denial of Service) hoặc mất điện kéo dài sẽ bị giới hạn ở thiết bị biên mạng và các ứng dụng cục bộ trên thiết bị đó, thay vì ảnh hưởng đến tất cả các ứng dụng chạy trên trung tâm dữ liệu đám mây tập trung.

Các công ty đã chuyển sang điện toán đám mây ngoài cơ sở có thể tận dụng lợi thế của điện toán biên từ đó tăng tính dự phòng và khả dụng cho hệ thống. Các ứng dụng quan trọng trong kinh doanh hoặc các ứng dụng cần thiết để vận hành các chức năng cốt lõi của doanh nghiệp có thể được nhân đôi tại chỗ. Một cách để minh họa cho trường hợp này là một thị trấn nhỏ sử dụng nguồn cung cấp nước chung rất lớn, làm nguồn chính như Hình 7. Nếu nguồn cung cấp nước này bị gián đoạn do mạng lưới cung cấp hoặc phân phối chính gặp vấn đề, có một bể nước khẩn cấp được dự phòng trong thị trấn.

4. Các loại hình điện toán biên

Thiết bị cục bộ (Local Devices):

Các thiết bị có kích thước phù hợp với mục đích xác định và chỉ định. Các thiết bị này có thể triển khai ngay lập tức và phù hợp với các ứng dụng văn phòng hoặc nhà ở. Chạy hệ thống bảo mật cho tòa nhà (thiết bị Intel SOC) hoặc lưu trữ nội dung video cục bộ trên DVR là một trong những ví dụ. Một ví dụ khác là cổng lưu trữ đám mây, một thiết bị cục bộ và thường là thiết bị mạng hoặc máy chủ dịch các API lưu trữ đám mây như SOAP hoặc REST. Cổng lưu trữ đám mây cho phép người dùng tích hợp lưu trữ đám mây vào các ứng dụng mà không cần di chuyển các ứng dụng vào chính đám mây.

Các trung tâm dữ liệu cục bộ (1-10 tủ rack) (Localized Data Centers):

Các trung tâm dữ liệu này cung cấp khả năng xử lý và lưu trữ đáng kể và nhanh chóng triển khai trong các môi trường hiện có.

Các trung tâm dữ liệu này thường có sẵn dưới dạng các hệ thống cấu hình theo nhu cầu, được thiết kế trước và sau đó
được lắp đặt tại chỗ, như trong (bên trái). Một dạng khác của một trung tâm dữ liệu cục bộ là các tiểu trung tâm dữ liệu được tiền chế trong nhà máy và vận chuyển đến địa điểm lắp đặt, như trong (bên phải). Các hệ thống khép kín này có thể được trang bị trong các loại thiết kế chắc chắn – chống mưa, chống ăn mòn, chống cháy, vv hoặc thiết kế IT thông thường cho môi trường văn phòng.

Các phiên bản tủ rack đơn có thể tận dụng hệ thống làm mát và nguồn hiện có của tòa nhà, nhờ đó tiết kiệm được CAPEX so với việc phải xây dựng một hệ thống chuyên dụng mới. Việc lắp đặt yêu cầu phải chọn các vị trí gần với hệ thống nguồn và cáp quang của tòa nhà. Các phiên bản nhiều tủ rack có nhiều khả năng và linh hoạt hơn do quy mô lớn hơn, nhưng đòi hỏi thời gian lập kế hoạch và lắp đặt nhiều hơn và cần một hệ thống làm mát chuyên dụng. Các hệ thống 1-10 tủ rack này phù hợp cho nhiều ứng dụng yêu cầu độ trễ thấp, và/ hoặc băng thông cao, và/ hoặc thêm bảo mật hoặc tính khả dụng.

Trung tâm dữ liệu khu vực (Regional Data Centers):

Các trung tâm dữ liệu có hơn 10 tủ rack và được đặt gần người dùng và nguồn dữ liệu hơn các trung tâm dữ liệu đám mây tập trung được gọi là trung tâm dữ liệu khu vực. Do quy mô của chúng, các TTDL này sẽ có nhiều khả năng xử lý và lưu trữ hơn so với các trung tâm dữ liệu cục bộ với 1-10 tủ rack. Ngay cả khi chúng được tiền chế, chúng sẽ mất nhiều thời gian để xây dựng hơn các trung tâm dữ liệu cục bộ do nhu cầu xây dựng, xin phép và các vấn đề tuân thủ của địa phương. TTDL dữ liệu khu vực cũng sẽ cần nguồn năng lượng và làm mát riêng. Độ trễ sẽ phụ thuộc vào khoảng cách với người dùng và dữ liệu cũng như số bước nhảy ở giữa.

Kết luận

Điện toán biên có thể giải quyết các thách thức về độ trễ và cho phép các công ty tận dụng tốt hơn các cơ hội từ kiến trúc điện toán đám mây. Khối lượng công việc được tạo từ việc phát video trực tuyến ngốn băng thông đang gây ra tắc nghẽn và độ trễ cho hạ tầng mạng. Các trung tâm dữ liệu ngoại biên mang các nội dung sử dụng nhiều băng thông đến gần hơn với người dùng cuối và các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ lại gần với dữ liệu hơn. Năng lực tính toán và khả năng lưu trữ được đưa trực tiếp vào mạng ngoại biên để giảm thời gian truyền dữ liệu cũng như cải thiện tính khả dụng.
Các mô hình điện toán biên bao gồm các thiết bị cục bộ, trung tâm dữ liệu cục bộ và trung tâm dữ liệu khu vực. Phiên bản TTDL cung cấp tốc độ triển khai và công suất phù hợp với nhu cầu ứng dụng IoT trong tương lai là các phiên bản TTDL cục bộ từ 1- 10 tủ rack. Chúng có thể được thiết kế và triển khai nhanh chóng và dễ dàng với các tùy chọn được cấu hình theo đơn đặt hàng hoặc được tiền chế.

Hãy liên lạc với chúng tôi để được hướng dẫn trực tiếp từ các chuyên viên kỹ thuật.