エッジコンピューティングについてご存知ですか?

Internet of Everything 時代の到来により、ネットワーク エッジ デバイスによって生成されるデータの量が急速に増加し、データ伝送帯域幅に対する需要が高まっています。同時に、新しいアプリケーションでは、リアルタイムのデータ処理とデータ保存に対する要件も高まっています。従来のクラウド コンピューティング モデルでは既存のパフォーマンス要件を満たすことができないため、エッジ コンピューティング モデルが誕生しました。この記事では、まずエッジ コンピューティングの背景から始め、次にエッジ コンピューティングとは何か、基本的なエッジ コンピューティング モデル アーキテクチャを紹介し、いくつかのケースを通じてエッジ コンピューティングの関連する実際のアプリケーションを紹介します。

エッジコンピューティングはなぜ必要なのでしょうか?

クラウド センターは強力な処理能力を備えており、膨大な量のデータを処理できます。提案されて以来、私たちの生活、仕事、学習の方法は絶えず変化してきました。ただし、クラウド コンピューティング モデルのシステム パフォーマンスのボトルネックとなるのは、ネットワーク帯域幅が限られていることです。大量のデータを送信するには一定の時間がかかり、クラウド センターがデータを処理するのにも一定の時間がかかるため、リクエストの応答時間が長くなり、ユーザー エクスペリエンスが低下します。従来のクラウド コンピューティングには、次のような問題があります。

ネットワーク帯域幅: IDC の統計によると、中国のデータ ストレージ容量は 2020 年までに約 39ZB に達し、そのうち約 30% のデータは IoT デバイスからのアクセスによって発生します。ネットワーク帯域幅は、徐々にクラウド コンピューティングの大きなボトルネックになりつつあります。さらに、未処理データには静止画像やアイドル状態などの冗長データが大量に含まれている可能性があり、ネットワーク帯域幅の利用率が大幅に低下します。

リアルタイム: 膨大な量のデータによりクラウド分析の精度が保証されますが、従来のモデルでは、クラウドはデータと制御チャネルを IoT デバイスに接続して、データを処理してリアルタイムで対話する必要もあります。そのため、クラウド コンピューティング プラットフォームのコンピューティング パフォーマンスは徐々にボトルネックに達し、新興の IoT アプリケーションのレイテンシ要件を満たすことができなくなり、システム全体の可用性が低下します。

プライバシー保護: クラウド コンピューティング プラットフォームは、医療機器やウェブカメラなどの IoT デバイスによって収集された個人および家庭ユーザーのプライバシー データをデータ センターに送信し、集中的に保存します。送信、保存、使用のパスが長すぎます。クラウドアプリケーションとは関係のない大量のユーザープライバシーデータが第三者に漏洩した疑いがあるだけでなく、セキュリティ上の脅威やデータ損失などのプライバシーリスクもあります。

エネルギー消費: クラウド データ センターのエネルギー消費は、データ センター管理計画における中心的な問題となっています。一部のタスクをクラウドからデバイス側に移行すると、クラウド コンピューティング データ センターのコンピューティング負荷が大幅に軽減され、エネルギー消費を削減するという目標が達成されます。

したがって、モノのインターネットとクラウド コンピューティングの推進と、ほとんどの IoT デバイスのコンピューティング リソースとエネルギー リソースが限られていることを考慮して、問題に対処するための新しいモデル、つまりネットワークのエッジでデータを生成、処理、分析するエッジ コンピューティングを想定しています。このデータをエッジ ノードで処理すると、応答時間が非常に短くなり、ネットワーク負荷が軽減され、ユーザー データのプライバシーが確保されます。

図1 エッジコンピューティングの要件

エッジコンピューティングとは何ですか?

エッジ コンピューティングとは、ネットワーク エッジ ノードでデータを処理および分析することを指します。ネットワーク エッジ ノードとは、データ ソースとクラウド コンピューティング センターの間にあるコンピューティング リソースとネットワーク リソースを持つノードを指します。たとえば、携帯電話は人とクラウド コンピューティング センター間のエッジ ノードであり、ゲートウェイはスマート ホームとクラウド コンピューティング センター間のエッジ ノードです。

エッジ コンピューティングは 2 つの部分で構成されます。

1 つ目は、コンピューティング、ストレージ、キャッシュ、帯域幅、サービス、その他のリソースを含むリソースの疎外です。これにより、元々集中化されていたリソースの深さが需要側にまで拡張され、信頼性が高く、効率的で、低遅延のユーザー エクスペリエンスが提供されます。

2 つ目は、リソースのグローバル化です。つまり、すべてのリソースを提供するセンターではなく、エッジがリソース プールとして機能します。エッジ コンピューティングは、集中型コンピューティング モデル (クラウド コンピューティングやスーパーコンピューティングなど) を統合し、センターとエッジ間の連携を通じて、補完的な利点と調整された統合という目的を実現します。

エッジ コンピューティングは、クラウド コンピューティングに代わるものではなく、クラウド コンピューティングを補完および拡張し、モバイル コンピューティングやモノのインターネットに適したコンピューティング プラットフォームを提供することを目的としています。エッジ コンピューティング モデル アーキテクチャの簡略化された図は次のとおりです。

図2 エッジコンピューティングの基本モデルアーキテクチャ[1]

アーキテクチャ モデルは 3 つの部分で構成されます。

1) フロントエンド: 端末デバイス (センサーなど) は、エッジ コンピューティング構造のフロントエンドに配置されます。

2) ニアエンド: エッジ コンピューティングでは、ほとんどのデータ コンピューティングとストレージがこのニアエンド環境に移行されます。ニアエンドは通常、パーソナルコンピュータ、スマートルーター、無線基地局などのデバイスで構成されており、多くの場合、データの計算や保存の機能を提供し、収集されたデータをさらに分析および処理します。

3) リモート: リモート環境のクラウド サーバーは、より多くのコンピューティング能力とより多くのデータ ストレージを提供できます。

クラウド コンピューティングでは、データを長距離にわたって送信する必要があり、多くのリソースを消費します。一方、エッジ コンピューティングでは、データ転送などのリソースは消費されません。コンピューティング タスクをローカルで直接インターセプトし、最適化されたコンピューティング モデルです。図 3 は、双方向コンピューティング フローに基づくエッジ コンピューティング モデルを示しています。ネットワーク エッジ デバイスは、クラウド センターに関連サービスを要求するだけでなく、デバイス管理、データ分析、プライバシー保護などのコンピューティング タスクも実行できます。そのため、エッジ コンピューティングは、アジャイル接続、リアルタイム ビジネス、データ最適化、アプリケーション インテリジェンス、セキュリティとプライバシー保護などのニーズを満たすことができます。

図3 エッジコンピューティングアーキテクチャ[2]

エッジコンピューティングはどこで使用できますか?

1) クラウド コンピューティング タスクの移行: コンピューティング タスクをクラウド センターからエッジ ノードにオフロードするプロセスを、クラウド コンピューティング タスクの移行と呼びます。データの生成と消費はエッジノードで行われることが多いため、エッジノードもクラウドセンターと同様に特定のコンピューティングタスクを実行する必要があります。たとえば、オンライン ショッピング アプリケーションの場合、エッジ コンピューティングを使用すると、ビューの更新操作をクラウドに送信することなく、ショッピング カートのビューをリアルタイムで更新できます。

2) ビデオ分析: シンプルなローカルビデオ処理を実行し、インテリジェントなアルゴリズムを使用してビデオデータを選択的に保存することで、より価値の高いデータをより小さなスペースに保存できるようになります。例えば、公安機関が逃亡者を追跡する場合、分散方式でノード内の情報を照会し、ターゲットを見つけてできるだけ早く逮捕することができます。

3) インテリジェント交通：住民の移動問題は常に緊急に解決する必要がある重要な社会問題の1つです。インテリジェント交通システムは、エッジ コンピューティング テクノロジーを使用して、より適切なルートをリアルタイムで決定し、実際の道路状況に基づいてインテリジェントな信号の変更を指示することで、道路の渋滞を緩和します。同時に、一部のスマート駐車場では周囲の環境に関する情報も収集できるため、既存の駐車スペース情報を近くのユーザーに公開し、それに応じた指示を出すこともできます。

4) コラボレーション エッジ: 複数のエッジ ノードを使用してコラボレーションし、仮想共有データ ビューを作成し、定義済みのパブリック サービス インターフェイスを使用してデータを統合します。同時に、このインターフェースを使用して作成されたアプリケーションは、ユーザーにさらに複雑なサービスを提供できます。インフルエンザの流行を例に挙げて、コラボレーションエッジとは何かを説明しましょう。病院はインフルエンザの病気に関する情報をまとめ、患者の統計を提供することができます。薬局では、病院から提供される統計情報をもとに、インフルエンザの流行をできるだけ早く抑えるための在庫を準備しています。同時に、物流会社や製薬会社から関連する輸送価格、医薬品原価などを取得し、より大きな利益を獲得します。保険会社はインフルエンザ患者に関連費用を速やかに払い戻すことができ、患者が負担を希望する場合はさらに個別の保険を提供することもできます。政府はインフルエンザの重症度に応じてインフルエンザ警報情報を発令することもできます。その結果、ほとんどの参加者は、このコラボレーションの利点を通じてサービスの効率と利益を向上させることができます。

図4 コラボレーションエッジケース

要約する

エッジコンピューティングには幅広い応用の可能性があります。提案されてからわずか数年で爆発的な成長を遂げました。この記事の著者は、低レイテンシ、高性能、強力なプライバシー保護を備えたエッジ コンピューティングが、さまざまな業界のさらなる発展を間違いなく促進すると考えています。しかし、エッジコンピューティングはまだ開発段階にあり、地上に設置されているデバイスはわずかです。既存の困難を克服し、エッジコンピューティングの開発を加速するためにどのように努力するかが、今後の研究の焦点の 1 つです。

参考文献

[1] Xinyu Y、Fan L、Jie L、他。モノのインターネットのためのエッジコンピューティングに関する調査[J]。 IEEEアクセス、2018、6(99):6900-6919。

[2] Shi W、Cao J、Zhang Q、et al.エッジコンピューティング：ビジョンと課題[J]。 IEEEインターネットオブシングスジャーナル、2016年、3(5):637-646。

[3] Shi Weisong、Zhang Xingzhou、Wang Yifan、他。エッジコンピューティング：現状と展望[J]コンピュータ研究開発ジャーナル、2019年、56(1):69-89。

[3] Shi Weisong、Liu Fang、Sun Hui、Pei Qingqi エッジ コンピューティング[M] 北京: Science Press、2018 年 1 月

[4] ホン・シュエハイ、ワン・ヤン、グオ・シュシェン。エッジコンピューティング技術研究レポート [EB/OL] http://www.cnic.cas.cn/xwdt/yfdt/201811/P020181108393346075254.pdf. 2018年2月

【この記事は51CTOコラムニスト「中国機密協会科学技術支部」によるオリジナル記事です。転載については原著者にお問い合わせください。

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