Như đã biết, Điện toán biên – Edge Computing là một mô hình điện toán phân tán mang tính toán và lưu trữ dữ liệu đến gần vị trí cần thiết, để cải thiện thời gian phản hồi và tiết kiệm băng thông. Edge Computing là thành phần không thể thiếu của các mô hình nhà máy thông minh hay công nghiệp 4.0. ECN (Edge Computing Node) là các thành phần không thể thiếu của điện toán biên, đây là các node tính toán gần hiện trường nhất. Các tài sản, hệ thống và gateway điện toán cạnh thông minh là các ECN. Chúng cung cấp các tài nguyên ICT như mạng, máy tính và lưu trữ, và có thể được trừu tượng hóa một cách logic. Kiến trúc ECN bao gồm ba lớp chính dưới đây. Bài viết này sẽ chia sẻ về những công nghệ đặc thù khác biệt của ECN so với các mô hình truyền thống bao gồm : SDN, TSN, HC và TSDB.
SDN – Software Defined Network
SDN sử dụng một kiến trúc điều khiển hoàn toàn khác với các mạng truyền thống. Nó tách mặt phẳng điều khiển mạng khỏi mặt phẳng chuyển tiếp, thay thế điều khiển phân tán ban đầu bằng điều khiển tập trung và thực hiện “xác định bằng phần mềm – Software Defined” thông qua các giao diện mở, có thể lập trình được. SDN, là một công nghệ mới, thay đổi cách mạng được xây dựng và vận hành: xây dựng mạng từ góc độ ứng dụng và vận hành mạng bằng Công nghệ Thông tin (CNTT).
Kiến trúc SDN bao gồm bộ điều khiển, giao diện hướng nam / hướng bắc, và các ứng dụng tầng ứng dụng khác nhau và các phần tử mạng tầng cơ sở hạ tầng (NE). Phần quan trọng nhất của kiến trúc là bộ điều khiển SDN. Nó thực hiện cấu hình và quản lý các policy chuyển tiếp ở lớp cơ sở hạ tầng và hỗ trợ kiểm soát chuyển tiếp dựa trên nhiều bảng luồng. Các lợi ích độc đáo của SDN đối với điện toán biên bao gồm:
- Kết nối hàng loạt :SDN hỗ trợ truy cập vào hàng triệu thiết bị mạng và mở rộng linh hoạt. SDN cũng tích hợp và thích ứng với việc quản lý các thiết bị mạng của nhiều nhà cung cấp.
- Tự động hóa policy theo hướng mô hình : SDN cung cấp các khuôn khổ quản lý và tự động hóa mạng linh hoạt; cho phép cơ sở hạ tầng dựa trên dịch vụ và các chức năng cung cấp dịch vụ; và triển khai các tài sản, gateway và hệ thống thông minh plug-and-play. Những khả năng này làm giảm đáng kể các yêu cầu kỹ thuật cho người quản trị mạng.
- Bảo vệ dịch vụ E2E : SDN cung cấp các dịch vụ đường hầm E2E, chẳng hạn như Đóng gói định tuyến chung (GRE), Giao thức đường hầm lớp 2 (L2TP), Bảo mật giao thức Internet (IPSec) và Mạng LAN có thể mở rộng ảo (VXLAN). SDN cũng tối ưu hóa lập lịch Chất lượng Dịch vụ (QoS), giúp đáp ứng các yêu cầu chính như băng thông E2E và các thông số kỹ thuật về độ trễ, đồng thời triển khai điều phối dịch vụ edge-to-cloud.
- Quản lý vòng đời của các ứng dụng : SDN hỗ trợ các tác vụ quản lý vòng đời như triển khai ứng dụng, tải, cập nhật, gỡ cài đặt và xóa. SDN cũng hỗ trợ lập lịch và quản lý tài nguyên đa ứng dụng, bao gồm thực thi ưu tiên, bảo mật và QoS.
- Tính mở về kiến trúc : SDN mở kiểm soát mạng tập trung và thông tin trạng thái mạng cho các ứng dụng thông minh để chúng có thể định hướng lập lịch tài nguyên mạng một cách linh hoạt và nhanh chóng.
- Công nghệ điện toán biên SDN đã được áp dụng thành công cho các tòa nhà thông minh, thang máy thông minh và nhiều kịch bản ngành khác.
TSN – Time Sensitive Networking
Mạng nhạy cảm với thời gian (TSN) là một tập hợp các tiêu chuẩn phụ Ethernet được xác định trong Nhóm tác vụ TSN IEEE 802.1. TSN tập trung vào việc tạo ra sự hội tụ giữa công nghệ thông tin (CNTT) và công nghệ vận hành công nghiệp (OT) bằng cách mở rộng và điều chỉnh các tiêu chuẩn Ethernet hiện có. Công nghệ TSN nhằm tiêu chuẩn hóa các tính năng trên OSI-Layer 2 để các giao thức khác nhau có thể chia sẻ cùng một cơ sở hạ tầng. Thách thức nằm ở việc định cấu hình lưu lượng dữ liệu quan trọng và không quan trọng để các đặc tính thời gian thực và hiệu suất không bị suy giảm.
Trong hầu hết các trường hợp, mạng Ethernet truyền thống liên quan đến các lĩnh vực tự động như sản xuất dựa trên kim tự tháp tự động hóa phân cấp, tách biệt công nghệ thông tin (CNTT) với công nghệ vận hành (OT). CNTT bao gồm giao tiếp văn phòng cổ điển với các thiết bị đầu cuối điển hình như máy in và máy tính cá nhân. OT được tạo thành từ các hệ thống, máy móc và phần mềm được sử dụng để điều khiển quá trình và tự động hóa. Hai lĩnh vực khác nhau cơ bản về cách chúng giao tiếp, với CNTT phụ thuộc vào băng thông và OT tập trung vào tính sẵn sàng cao.
Do đó, lưu lượng dữ liệu ở cấp CNTT thường được phân loại là không quan trọng trong khi lưu lượng dữ liệu được chỉ định (thời gian-) quan trọng ở cấp OT. Kết quả là, mỗi cấp độ sử dụng một tiêu chuẩn giao tiếp cụ thể. Trong khi hệ thống bus Ethernet với TCP / IP phần lớn đã chiếm ưu thế ở cấp độ CNTT, các hệ thống bus khác nhau, còn được gọi là hệ thống fieldbus, đặc biệt đáp ứng các yêu cầu về thời gian trễ cần được đảm bảo lại phổ biến ở cấp độ OT. Mỗi nhà cung cấp điều khiển thường quảng bá một hệ thống fieldbus cụ thể (Profinet, Profibus, modbus,…).
Đối với người dùng, điều này có nghĩa là việc chọn bộ điều khiển về cơ bản cũng xác định việc lựa chọn bus. Do đó, người dùng cuối thường phụ thuộc vào nhà sản xuất, vì các hệ thống bus khác nhau không tương thích với nhau Ban đầu, hầu như không có bất kỳ kết nối nào giữa CNTT và OT. Ngày nay, việc truyền dữ liệu liên tục là nhu cầu cơ bản đối với các doanh nghiệp số hóa ở mọi hình dạng và quy mô. Giao tiếp nhất quán là điều cần thiết để đáp ứng các yêu cầu cần thiết trong việc thu thập dữ liệu hoạt động, truy cập từ xa hoặc kết nối máy trong đám mây.
Tầm quan trọng hơn sẽ được đặt vào các mạng đồng nhất, hội tụ trong tương lai. Tự động hóa công nghiệp đang trải qua một giai đoạn tái cấu trúc dựa trên việc thiết lập sản xuất linh hoạt và thông minh, thường được mô tả hoặc đã được triển khai trong bối cảnh của Công nghiệp 4.0 hoặc Internet of Things (IoT). Sản xuất thông minh bao gồm các bộ phận thành phần, máy móc và nhà máy liên tục giao tiếp với nhau để tối ưu hóa và hỗ trợ các quy trình theo cách tự động.
Vì lợi ích của tích hợp, kim tự tháp tự động hóa cổ điển đang được chuyển đổi thành một mạng rộng, cũng bao gồm các cảm biến được kết nối trực tiếp với các cấp độ tự kiểm soát cao hơn. Sự tách biệt giữa mức trường và mức điều khiển ngày càng tan biến, tạo ra nhu cầu về một mạng hội tụ, thống nhất trong đó lưu lượng dữ liệu quan trọng có thể được truyền đồng thời cùng với lưu lượng dữ liệu không quan trọng mà không có tác động qua lại tiêu cực. Ethernet hiện tại phải được điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu này. IEEE802.1 đã xác định các tiêu chuẩn kỹ thuật TSN, nhằm mục đích thúc đẩy tiêu chuẩn hóa và khả năng tương tác của mạng Ethernet thời gian thực, và cuối cùng là hợp nhất Công nghệ hoạt động (OT) và ICT bằng cách sử dụng “một mạng duy nhất” Ưu điểm của TSN so với Ethernet truyền thống bao gồm:
- Thời gian chờ được đảm bảo của dữ liệu quan trọng trong thời gian thực trên toàn mạng
- Lưu lượng dữ liệu quan trọng và không quan trọng có thể được truyền qua mạng hội tụ
- Các lớp giao thức cấp cao hơn có thể chia sẻ một cơ sở hạ tầng mạng chung
- Kiểm soát thời gian thực cũng có thể được áp dụng bên ngoài khu vực OT
- Không phụ thuộc vào nhà cung cấp
HC - Heterogeneous computing
Kiến trúc tính toán không đồng nhất được thiết kế để phối hợp và phát huy lợi thế độc đáo của các đơn vị tính toán khác nhau: Bộ xử lý trung tâm (CPU) quản lý việc kiểm soát hệ thống, phân rã tác vụ và lập lịch; Bộ xử lý đồ họa (GPU) có khả năng tính toán dấu phẩy động và vectơ mạnh mẽ, đồng thời hoạt động tốt với tính toán song song như tính toán ma trận và tính toán vectơ; Field Programmable Gate Array (FPGA) cung cấp các lợi thế như khả năng lập trình phần cứng và độ trễ thấp; bộ mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng (ASIC) cung cấp các lợi thế như tiêu thụ điện năng thấp, hiệu suất cao và hiệu quả về chi phí. Mục tiêu của tính toán không đồng nhất là tích hợp các đơn vị xử lý riêng biệt của cùng một nền tảng để thực thi cộng tác các loại tải tính toán khác nhau. Hơn nữa, tính toán không đồng nhất giúp triển khai phần mềm trên nhiều nền tảng thông qua các giao diện lập trình hợp nhất và có tínt mở. Kiến trúc máy tính không đồng nhất sử dụng các công nghệ chính sau:
- Tối ưu hóa xử lý bộ nhớ : Với kiến trúc truyền thống, việc truyền dữ liệu giữa các đơn vị tính toán khác nhau đòi hỏi sự sao chép dữ liệu, điều này không chỉ chiếm tài nguyên bộ xử lý mà còn chiếm một lượng lớn băng thông bus hệ thống. Tính toán không đồng nhất cho phép truy cập bộ nhớ đồng nhất của nhiều đơn vị tính toán. Dữ liệu của bất kỳ đơn vị xử lý nào có thể được truy cập dễ dàng bởi các đơn vị xử lý khác mà không cần sao chép dữ liệu vào vùng bộ nhớ của nhau, điều này giúp cải thiện đáng kể hiệu suất hệ thống.
- Tối ưu hóa lập lịch tác vụ : Mối quan hệ của các đơn vị tính toán khác nhau thay đổi từ mối quan hệ chủ – tớ sang quan hệ đối tác bình đẳng. Đơn vị tính toán thích hợp nhất được xác định động để thực thi khối lượng công việc dựa trên các nhiệm vụ. Tính toán không đồng nhất liên quan đến một loạt các tối ưu hóa, bao gồm các thuật toán lập lịch, tập lệnh và trình biên dịch.
- Chuỗi công cụ để phát triển: Chuỗi công cụ cung cấp cho người lập trình ứng dụng các giao diện phần cứng và phần mềm cũng như môi trường thời gian chạy cơ bản; đóng gói và ẩn các chi tiết phức tạp của lớp dưới cùng như tính nhất quán của bộ nhớ và quản lý lập lịch tác vụ; hỗ trợ tối ưu hóa các thông số kiến trúc và lập lịch tác vụ; và giảm thiểu khối lượng công việc chuyển ứng dụng. Đối với các ứng dụng Trí tuệ nhân tạo (AI), chuỗi công cụ này tích hợp nhiều nền tảng đào tạo và lý luận mở về AI và tương thích với các đơn vị tính toán của nhiều nhà cung cấp.
Tính toán không đồng nhất hiện được sử dụng trong cả thiết kế chip và thiết kế nền tảng điện toán biên. Về chip, tính toán không đồng nhất tích hợp tài nguyên CPU và GPU để tăng tốc mã hóa và giải mã video. Về nền tảng tính toán, tính toán không đồng nhất sử dụng tài nguyên CPU và FPGA (hoặc GPU) để đạt được việc thực hiện các chức năng AI trong các lĩnh vực như giao thông thông minh và robot thông minh.
Cơ sở dữ liệu chuỗi thời gian (TSDB)
Việc ghi, truy vấn và lưu trữ phân tán một lượng lớn dữ liệu hiệu quả là những thách thức chính đối với TSDB. TSDB sử dụng các công nghệ chính sau:
- Bộ nhớ phân tán : Cốt lõi của lưu trữ phân tán là cách phân phối dữ liệu cho nhiều máy, tức là phân mảnh dữ liệu. Phân mảnh dữ liệu có thể được triển khai dựa trên dấu thời gian, thẻ và mức độ ưu tiên. Các đoạn dữ liệu có cùng thẻ (một hoặc nhiều trường giống nhau), được tạo trong cùng một phạm vi thời gian và các điều kiện ưu tiên phù hợp được lưu trữ trên cùng một máy. Dữ liệu có thể được nén trước khi được lưu trữ, giúp cải thiện hiệu quả ghi dữ liệu và tiết kiệm không gian lưu trữ.
- Bộ nhớ dựa trên mức độ ưu tiên: Sử dụng dấu thời gian của dữ liệu chuỗi thời gian làm cơ sở phân chia ưu tiên là rất hiệu quả. Dữ liệu đã được xử lý gần đây được truy vấn nhiều lần hơn và được coi là dữ liệu nóng. Dữ liệu đã được xử lý cách đây khá lâu ít được truy vấn hơn và được coi là dữ liệu nguội. Ngoài ra, các yếu tố như chi phí lưu trữ thường được xem xét trong lưu trữ dựa trên mức độ ưu tiên. Dữ liệu với các mức độ ưu tiên khác nhau được lưu trữ trên các phương tiện lưu trữ với chi phí khác nhau (bao gồm cả bộ nhớ, HDD và SSD).
- Tối ưu hóa truy vấn dựa trên phân đoạn : Trong quá trình truy vấn dữ liệu, tất cả các phân đoạn dữ liệu được truy vấn dựa trên các điều kiện truy vấn. Tất cả các phân đoạn được hợp nhất dựa trên điều kiện dấu thời gian để tạo ra kết quả dữ liệu ban đầu. Nếu các điều kiện truy vấn bao gồm các hoạt động tổng hợp trên dữ liệu, thì các hoạt động này được thực hiện dựa trên cửa sổ lấy mẫu thời gian để trả về kết quả.