Procesory natywne w chmurze i przetwarzanie brzegowe

W 2018 r. zaledwie 10% wszystkich danych generowanych przez przedsiębiorstwa zostało utworzonych i przetworzonych poza scentralizowaną chmurą lub centrum danych. Oczekuje się, że do 2025 r. odsetek ten osiągnie oszałamiające 75%.

Ponieważ większość przetwarzania przesuwa się w stronę krawędzi sieci, przetwarzanie brzegowe staje się coraz bardziej natywne w chmurze. Zasady natywne w chmurze umożliwiają urządzeniom brzegowym wydajne przetwarzanie danych lokalnie, zmniejszając opóźnienia i zwiększając możliwości podejmowania decyzji w czasie rzeczywistym.

Ten artykuł to wprowadzenie do natywnego przetwarzania brzegowego w chmurze, które wyjaśnia, w jaki sposób oprogramowanie natywne w chmurze zmienia możliwości organizacji na brzegu sieci. Dołącz do nas, aby poznać główne korzyści i wyzwania związane ze stosowaniem praktyk natywnych w chmurze w środowiskach przetwarzania brzegowego.

Co oznacza natywny w chmurze?

Cloud-native to termin określający oprogramowanie zaprojektowane w celu pełnego wykorzystania zasobów chmury obliczeniowej. Typowa aplikacja natywna dla chmury jest zbudowana jako zbiór luźno powiązanych mikrousług, z których każda stanowi samodzielną jednostkę, nad którą można niezależnie pracować, wdrażać i skalować.

Architektura natywna dla chmury umożliwia programistom wydajniejsze tworzenie i obsługę aplikacji. Oto główne zalety projektu natywnego w chmurze:

• Skalowalność. Architektura natywna w chmurze skaluje się dynamicznie w zależności od zapotrzebowania. Aplikacje skutecznie radzą sobie ze zmiennymi obciążeniami, zapewniając optymalne wykorzystanie zasobów i obniżając koszty IT.
• Wysoka elastyczność. Mikrousługi promują elastyczność biznesową. Programiści mogą pracować nad mniejszymi, niezależnymi komponentami oprogramowania, umożliwiając szybsze cykle programowania i szybsze wydawanie wersji.
• Odporność. Platformy orkiestracji dla aplikacji natywnych w chmurze zapewniają funkcje automatycznego odzyskiwania, samonaprawy i dystrybucji obciążenia.
• Spójność. Aplikacje natywne w chmurze charakteryzują się wysokim poziomem spójności między środowiskami programistycznymi, testowymi i produkcyjnymi.
• Bezpieczeństwo. Mikrousługi zapewniają izolację między komponentami aplikacji, podczas gdy narzędzia natywne w chmurze oferują wbudowane funkcje poprawiające stan bezpieczeństwa (np. RBAC i automatyczne aktualizacje).

Natywny w chmurze ma nieco inne znaczenie w zależności od kontekstu. Dla administratorów IT „natywna chmura” oznacza zarządzanie infrastrukturą jako kod (IaC), podczas gdy twórcy oprogramowania zazwyczaj kojarzą ten termin z technikami pisania przenośnych aplikacji natywnych dla chmury. W kontekście procesorów procesor natywny w chmurze to sprzęt zoptymalizowany pod kątem uruchamiania aplikacji natywnych w chmurze.

Korzyści z Cloud Native dla obliczeń brzegowych

Podstawową koncepcją przetwarzania brzegowego jest przetwarzanie danych bliżej lub u źródła generowania danych. Praktyki natywne w chmurze zwiększają efektywność przetwarzania brzegowego, dzięki czemu aplikacje natywne w chmurze są naturalnym wyborem w przypadku zastosowań brzegowych intensywnie przetwarzających.

Poniżej znajduje się bliższe spojrzenie na główne zalety przetwarzania brzegowego natywnego w chmurze.

Efektywne wykorzystanie zasobów

Zasady natywne w chmurze optymalizują wykorzystanie zasobów obliczeniowych w środowiskach brzegowych. Typowa architektura natywna dla chmury wykorzystuje kontenery, lekkie i izolowane środowiska uruchomieniowe dla aplikacji.

Kontenery to technologia służąca do pakowania i wdrażania aplikacji. Zapewniają spójne i niezawodne wdrożenie w różnych środowiskach, łącząc następujące elementy w jednym pakiecie:

• Kod wykonywalny tworzący funkcjonalność aplikacji.
• Zależności wymagane do płynnego działania kodu.
• Biblioteki zapewniające niezbędne funkcjonalności i wspierające wykonanie kodu.
• Wszystkie niezbędne narzędzia i ustawienia systemowe.

Kontenery współdzielą jądro systemu operacyjnego hosta, redukując obciążenie związane z wirtualizacją i umożliwiając efektywne wykorzystanie zasobów. Ta funkcja jest bardzo korzystna w obliczeniach brzegowych, gdzie moc obliczeniowa i pamięć danych są ograniczone.

Orkiestracja kontenerów pomaga również w alokacji zasobów. Narzędzia do orkiestracji przydzielają zasoby w oparciu o wymagania aplikacji, zapewniając, że każdy kontener otrzyma niezbędne zasoby bez nadmiernej lub niedostatecznej alokacji.

Efektywne wykorzystanie zasobów bezpośrednio przekłada się na oszczędności. Oszczędności są szczególnie zauważalne, gdy urządzenia brzegowe działają w odległych lokalizacjach lub w lokalizacjach o ograniczonych zasobach.

Dynamiczne automatyczne skalowanie

Zasady natywne w chmurze zwiększają możliwość skalowania i dostosowywania się do zmieniających się wymagań. Mikrousługi ułatwiają skalowanie instancji w górę lub w dół w zależności od zmian obciążenia i bieżących wymagań.

Dynamiczne skalowanie umożliwia systemowi brzegowemu automatyczne dostosowywanie swojej wydajności w odpowiedzi na zmiany zapotrzebowania. W okresach szczytowego wykorzystania lub nagłego wzrostu wymagań dotyczących przetwarzania system skaluje się, aby obsłużyć dodatkowe obciążenie. W okresach niskiego zapotrzebowania system skaluje się w dół, aby oszczędzać zasoby.

Oto kilka zastosowań brzegowych, w których dynamiczne automatyczne skalowanie jest bardzo korzystne:

• W aplikacji inteligentnego miasta urządzenie brzegowe obsługujące monitorowanie ruchu może dynamicznie skalować swoje mikrousługi w celu zwiększenia przetwarzania w godzinach szczytu i zmniejszania w nocy.
• W zakładach produkcyjnych wykorzystujących IIoT urządzenia brzegowe monitorujące maszyny mogą skalować przetwarzanie w zależności od obciążenia produkcyjnego.
• Urządzenia brzegowe w aplikacjach opieki zdrowotnej można skalować w sytuacjach awaryjnych lub krytycznych zdarzeniach zdrowotnych. Zmniejszanie skali w normalnych warunkach pomaga oszczędzać baterię urządzenia.
• Urządzenia brzegowe do nadzoru wideo mogą zwiększać możliwości przetwarzania podczas zdarzeń lub sytuacji wymagających intensywnej analizy wideo (np. duże tłumy lub alerty bezpieczeństwa). W okresach ciszy system skaluje się w dół, aby oszczędzać zasoby.

Natywne w chmurze aplikacje brzegowe można skalować w poziomie na brzegu i w pionie w chmurze, zapewniając ujednoliconą i elastyczną architekturę obejmującą wiele lokalizacji i strategii wdrożeń.

Wysoka tolerancja na błędy

Rozproszona architektura i redundantne mikrousługi zapewniają ciągłą pracę nawet w obliczu zakłóceń w sieci lub awarii urządzeń. Wysoka odporność na awarie jest niezbędna w scenariuszach, w których urządzenia brzegowe są podatne na:

• Niepewna lub przerywana łączność.
• Awarie sprzętu.
• Niekorzystne warunki środowiskowe.

Rozproszona konstrukcja aplikacji natywnych w chmurze zwiększa odporność, zapobiegając zakłóceniom całego systemu przez pojedyncze punkty awarii (SPOF). Jeśli jedna mikrousługa napotka problem lub przejdzie w tryb offline, pozostałe usługi będą nadal działać niezależnie.

Przetwarzanie brzegowe natywne w chmurze wykorzystuje różne metody, aby zapewnić ciągłość działania. Konfigurujemy trzy strategie:

• Zduplikowane wystąpienia kluczowych komponentów i mikrousług.
• Odporne wzorce komunikacji (np. wyłączniki automatyczne lub ponowne próby).
• Redundantne trasy transmisji danych.

Zautomatyzowane mechanizmy odzyskiwania zwiększają również odporność na awarie. Narzędzia do orkiestracji, takie jak Kubernetes, automatycznie wykrywają anomalie lub awarie i inicjują działania naprawcze. Na przykład, jeśli mikrousługa na urządzeniu brzegowym charakteryzuje się nagłym wzrostem współczynnika błędów, system orkiestracji automatycznie zastępuje problematyczną instancję zdrową.

Zwiększenie bezpieczeństwa brzegowego

Przetwarzanie brzegowe natywne w chmurze zapewnia solidniejszy poziom zabezpieczeń w środowiskach brzegowych, w których urządzenia często charakteryzują się różnym poziomem wiarygodności. Oto, w jaki sposób konstrukcja natywna dla chmury zwiększa bezpieczeństwo przetwarzania brzegowego:

• Każda mikrousługa działa w ramach osobnego kontenera, ograniczając potencjalny wpływ incydentów bezpieczeństwa.
• Izolowany charakter kontenerów oznacza, że luka lub wada w jednym komponencie nie wpływa na inne części systemu.
• Izolacja utrudnia intruzom przedostawanie się z jednego kontenera do drugiego.
• Lekka natura kontenerów umożliwia szybkie wdrażanie poprawek zabezpieczeń.

Modułowa konstrukcja natywnego przetwarzania brzegowego w chmurze pozwala również na precyzyjną kontrolę dostępu i uwierzytelnianie. Każda mikrousługa może mieć własną politykę bezpieczeństwa, co zmniejsza powierzchnię ataku i minimalizuje wpływ naruszeń.

Szybkie wdrożenia i aktualizacje

Zasady natywne w chmurze umożliwiają bezproblemowe wdrażanie aktualizacji w dynamicznych i rozproszonych środowiskach brzegowych. Ciągła integracja (CI) i ciągłe wdrażanie (CD), dwie podstawowe koncepcje programowania natywnego w chmurze, są powodem szybkich wdrożeń i aktualizacji:

• CI obejmuje regularne integrowanie zmian w kodzie we wspólnym repozytorium. Zapewnia ciągłe testowanie i sprawdzanie nowych funkcji, poprawek błędów i ulepszeń w celu zmniejszenia prawdopodobieństwa problemów z integracją.
• CD automatyzuje proces wdrażania zweryfikowanych zmian w kodzie w środowisku produkcyjnym.

W scenariuszach brzegowych, gdzie urządzenia często mają różne konfiguracje, CI staje się kluczowa dla utrzymania spójności i niezawodności aplikacji. Z drugiej strony płyta CD umożliwia organizacji szybkie i niezawodne udostępnianie aktualizacji na urządzenia brzegowe.

Aplikacje brzegowe natywne w chmurze często wykorzystują aktualizacje kroczące - strategię polegającą na stopniowym zastępowaniu starych instancji nowymi wersjami. Taka taktyka minimalizuje przestoje i zapewnia ciągłą pracę.

Aktualizacje bezprzewodowe (OTA) są również istotne w scenariuszach brzegowych, ponieważ umożliwiają zespołowi zdalną aktualizację oprogramowania na urządzeniach brzegowych i zarządzanie nim. Aktualizacje OTA są niezbędne w branżach takich jak produkcja, gdzie urządzenie brzegowe w hali produkcyjnej musi otrzymywać aktualizacje bez zakłócania procesu produkcyjnego.

Poprawiona wydajność

Zasady natywne w chmurze w połączeniu z przemyślanym projektem sieci zapewniają niezawodną łączność o niskim opóźnieniu w dynamicznych środowiskach brzegowych.

Przetwarzanie brzegowe natywne w chmurze opiera się na protokołach komunikacyjnych dostosowanych do wydajnych interakcji brzegowych. Dwa protokoły typu „go-to” to:

• MQTT (Transport telemetrii kolejkowania wiadomości). MQTT to lekki, wydajny protokół przesyłania wiadomości przeznaczony dla urządzeń o ograniczonych możliwościach oraz sieci o małej przepustowości, dużych opóźnieniach i zawodnych.
• CoAP (Constrained Application Protocol). CoAP zapewnia lekką komunikację odpowiednią dla środowisk brzegowych. Protokół zapewnia wydajną wymianę danych przy jednoczesnym zachowaniu przepustowości i minimalizacji opóźnień.

Zdecentralizowane przetwarzanie i inteligencja brzegowa również zwiększają wydajność. Urządzenie brzegowe natywne w chmurze posiada możliwości obliczeniowe umożliwiające wykonywanie zaawansowanego przetwarzania lokalnego, co minimalizuje potrzebę częstych transferów danych i zmniejsza przeciążenie sieci.

Dynamiczne równoważenie obciążenia to kolejny czynnik przyczyniający się do zwiększenia wydajności. Moduły równoważenia obciążenia rozdzielają ruch na wiele urządzeń brzegowych lub wystąpień mikrousług, zapobiegając wąskim gardłom w sieci. W scenariuszach takich jak inteligentne sieci, w których urządzenia monitorują i kontrolują dystrybucję energii, równoważenie obciążenia zapewnia, że sieć będzie w stanie obsłużyć wahania zapotrzebowania przy jednoczesnym zachowaniu optymalnej wydajności.

Oszczędności kosztów IT

Efektywne wykorzystanie zasobów obliczeniowych bezpośrednio wpływa na opłacalność wdrażania aplikacji w środowisku brzegowym. Oto przegląd tego, jak natywne przetwarzanie brzegowe w chmurze obniża wydatki na IT:

• Automatyczne skalowanie umożliwia aplikacji dostosowywanie się do różnych obciążeń poprzez automatyczne przydzielanie zasobów w oparciu o bieżące zapotrzebowanie. Urządzenia brzegowe efektywnie wykorzystują zasoby w okresach wzmożonej aktywności i zapobiegają niepotrzebnym kosztom w okresach przestoju.
• Lekkość kontenerów minimalizuje koszty ogólne. Na jednym urządzeniu można uruchomić wiele kontenerów bez utraty wydajności, dzięki czemu maksymalizujesz wykorzystanie dostępnych zasobów bez kosztownego powielania.
• Organizacje mogą korzystać z przetwarzania bezserwerowego i płacić tylko za faktycznie wykorzystane zasoby obliczeniowe podczas wykonywania funkcji lub usług. Ten model płatności zgodnie z rzeczywistym użyciem jest szczególnie korzystny w scenariuszach brzegowych, w których występują sporadyczne impulsy obliczeniowe.
• Aplikacje brzegowe natywne w chmurze korzystają z lokalnego filtrowania, agregacji i kompresji danych. Funkcje te minimalizują ilość danych, które muszą przejść przez sieć, redukując wydatki na przepustowość.

Wyzwania Cloud Native dla obliczeń brzegowych

Zasady natywne w chmurze oferują wiele korzyści w przypadku przetwarzania brzegowego, ale ta strategia wdrażania ma kilka wad, o których trzeba wiedzieć. Oto główne wyzwania związane z przetwarzaniem brzegowym natywnym w chmurze:

• Ograniczone zasoby na urządzeniach brzegowych. Typowe urządzenie brzegowe ma ograniczoną moc obliczeniową, pamięć i pamięć masową. Wdrożenie aplikacji natywnej w chmurze na takim urządzeniu wymaga starannej konteneryzacji, aby zminimalizować wpływ na wydajność.
• Problemy związane z siecią. Wprowadzający natywne przetwarzanie brzegowe w chmurze muszą projektować aplikacje, które działają skutecznie w ramach ograniczeń związanych z opóźnieniami sieci i ograniczoną przepustowością.
• Różne ekosystemy urządzeń. Różnice w sprzęcie, systemach operacyjnych, protokołach, interfejsach i możliwościach urządzeń brzegowych stanowią wyzwanie dla jednolitego wdrożenia. Opracowanie aplikacji natywnej dla chmury, która płynnie działa na różnych typach urządzeń brzegowych, jest częstym wyzwaniem.
• Złożoność orkiestracji. Orkiestracja i automatyzacja mikrousług w rozproszonym środowisku brzegowym jest złożona, jeśli przypadek użycia obejmuje dużą liczbę urządzeń.
• Zarządzanie danymi. Wdrażanie rozwiązań brzegowych natywnych dla chmury wymaga starannej równowagi między lokalnym przetwarzaniem danych w celu zapewnienia wydajności a zapewnieniem zgodności z przepisami dotyczącymi ochrony danych i prywatności.
• Zmienność środowiska. Środowiska brzegowe są bardzo zmienne, a na wydajność urządzenia wpływają takie czynniki, jak temperatura, wilgotność i dostępność zasilania. Zespoły często mają trudności z zaprojektowaniem aplikacji natywnych dla chmury, aby dostosować się do takiej zmienności.

Innowacje w zakresie procesorów natywnych w chmurze

Procesor natywny dla chmury to procesor ogólnego przeznaczenia przeznaczony do uruchamiania obciążeń i aplikacji natywnych w chmurze. Te energooszczędne procesory mogą obsługiwać zaawansowane zadania lokalnie, zmniejszając potrzebę ciągłej komunikacji z centralnym serwerem przetwarzającym.

Oto, co sprawia, że procesor natywny dla chmury jest doskonałym wyborem do wdrożenia na brzegu sieci:

• Niski pobór mocy. Urządzenia Edge często zasilane są z baterii lub mają ograniczony dostęp do źródeł zasilania. Procesory natywne w chmurze są energooszczędne i mogą działać przez dłuższy czas, nie wyczerpując źródła zasilania urządzenia.
• Wysoka wydajność. Połączenie jednowątkowej konstrukcji, dużych pamięci podręcznych i nieblokującej struktury gwarantuje, że procesory natywne w chmurze zapewniają wystarczającą i przewidywalną wydajność.
• Możliwości sztucznej inteligencji i wnioskowania na krawędzi. Procesory natywne w chmurze z wbudowanymi funkcjami sztucznej inteligencji i wnioskowania na krawędzi umożliwiają urządzeniom przeprowadzanie analiz w czasie rzeczywistym bez korzystania z zasobów chmury.
• Optymalizacja obciążenia. Użytkownicy mogą zoptymalizować procesor natywny w chmurze pod kątem określonych obciążeń lub zadań często spotykanych w aplikacjach brzegowych (np. przetwarzanie obrazu lub analiza danych z czujników).
• Wbudowane funkcje zabezpieczeń. Typowy procesor natywny dla chmury ma kilka cennych funkcji zabezpieczeń, takich jak szyfrowanie sprzętowe lub mechanizmy bezpiecznego rozruchu.

Wiele architektur przetwarzania brzegowego wykorzystuje procesory natywne w chmurze jako bramy brzegowe. Brama pełni rolę pośrednika pomiędzy urządzeniami brzegowymi a serwerem centralnym. Bramy brzegowe muszą skutecznie zarządzać komunikacją, agregacją danych i przetwarzaniem lokalnym, dlatego wiele organizacji wykorzystuje procesory natywne w chmurze jako bramy brzegowe.

Użyj natywnego przetwarzania brzegowego w chmurze, aby zrobić więcej na brzegu sieci

Zasady i procesory natywne w chmurze rozszerzają możliwości urządzeń brzegowych przed wysłaniem danych do serwerów lokalnych lub w chmurze. Użytkownicy poprawiają możliwości swoich wdrożeń brzegowych, jednocześnie oszczędzając koszty w dłuższej perspektywie dzięki efektywnemu wykorzystaniu i mniejszej liczbie transferów danych. Jeśli masz odpowiednio intensywnie przetwarzany przypadek użycia, przetwarzanie brzegowe natywne w chmurze będzie oczywistą inwestycją.