Для портала TAdviser, которым я пользуюсь уже давно и всем также рекомендую пользоваться, была написана статья о новом виде облачной инфраструктуры Fog Computing, которую язык не поворачивается назвать «туманными вычислениями».

По согласования с руководством портала, публикую написанный текст в своём блоге. На портале не весь текст мой, часть осталась от предыдущей версии. Ниже можно прочитать написанную мной статью для TAdviser.

*   *   *

Fog Computing

1. Концепция
2. Стандартизация
3. Реализация и архитектура
4. Некоторые сценарии использования
5. Преимущества и прогнозы

1.    Концепция.

Термин Fog Computing («туманные вычисления») был предложен вице-президентом компании Cisco Флавио Бономи (Flavio Bonomi) в 2011 г. Он предложил концепцию Fog Computing по аналогии с «облачными вычислениями» (Cloud Computing), как расширение «облака» до границ сети. Технологически, концепция Fog Computing тесно связана с распределёнными (облачными) дата-центрами, в которых серверы дата-центров могут располагаться во многих местоположениях, вплоть до границы сети. Дата-центры могут быть небольшими (контейнерного, модульного или мобильного исполнения), которые фактически являются «выносами» крупных дата-центров. Таким образом, отличительной чертой Fog Computing является приближенность к конечным пользователям и поддержка их мобильности.

Развитие Интернета Вещей IoT (Internet of Things) потребовало поддержки мобильности устройств IoT для различных местоположений, с поддержкой геолокации и с небольшой задержкой на обработку данных IoT. Поэтому была предложена новая платформа для удовлетворения таких требований, которая и получила название Fog computing – «туманные вычисления». Её основной особенностью является обработка данных в непосредственной близости от источников их получения, без необходимости передачи больших объёмов данных в крупные дата-центры, только для того, чтобы их там обработать, и передать назад результаты.

Таким образом, становится ясным происхождение термина «туманные вычисления»: когда густое облако опускается до поверхности земли (на границу сети), мы видим туман.

2.    Стандартизация.

В 2015 г. с целью выработки единых подходов к реализации Fog, компаниями ARM, Cisco, Dell, Intel, Microsoft, а также Принстонским Университетом (Princeton University), в США был создан консорциум OpenFog Consortium. В дальнейшем, в консорциум OpenFog вошло много других компаний (General Electric, Hitachi, ZTE и др), а также университетов, например, ShanghaiTech University. К настоящему времени в OpenFog выходят более 50 членов. Консорциум OpenFog разрабатывает стандартную архитектуру OpenFog RA[1] (OpenFog Reference Architecture).

3.    Реализация и архитектура

Как Cloud, так и Fog Computing, используют сходные ИТ-ресурсы: вычислительные устройства (серверы и процессоры компьютеров пользователей), узлы коммутации сети и системы хранения данных. Однако, расширение облака до границ сети не сводится лишь к масштабированию этого облака. Техническая реализация, а также спектр приложений Fog, могут значительно отличаться от Cloud. Fog предназначен, в основном, для приложений и услуг, которые плохо работают в архитектуре Cloud Computing, либо вообще не могут в ней работать. В основном, это область Интернета Вещей (IoT), нарастающее развитие которого не может быть полностью поддержано только при помощи решений Cloud[2]. Развитие IoT столкнулось с необходимостью фильтрации и предварительной обработки данных перед отправкой в облако. В основном, это следующие приложения:

• Приложения, требующие низкой и предсказуемой задержки передачи информации по сети, например, игровые приложения или видеоконференции.
• Приложения для транспорта, такие как: беспилотные автомобили, скоростные поезда, интеллектуальные транспортные системы и др.
• Приложения, требующие локальной обработки данных в реальном времени, такие как: интеллектуальные системы электроснабжения (Smart Grid), интеллектуальные транспортные системы (ИТС), геофизическая разведка недр, управление трубопроводами, сенсорные сети мониторинга окружающей среды и пр.

Fog не является альтернативой для Cloud. Напротив, Fog плодотворно взаимодействует с Cloud, особенно в администрировании и аналитики данных, и такое взаимодействие порождает новый класс приложений.

Архитектура Fog Computing представляет собой некую «прослойку» на границе между облаком Cloud и устройствами Интернета Вещей IoT с сенсорами, а также мобильными устройствами пользователей.

Рисунок 1. Архитектура сети Fog Computing.

Основные архитектурные отличия Fog от Cloud:

1. Обеспечение качества услуг QoS (Quality of Service), что требует динамической адаптации приложений к состоянию сети.
2. Отслеживание местоположения (Location Awareness), для того, чтобы поддерживать стабильность работы приложения в условиях мобильности терминала.
3. Отслеживание контекстной информации (Context Awareness), т.е. способность обнаруживать наличие доступных ресурсов поблизости, чтобы задействовать их в работе приложения, с возможностью горизонтального взаимодействия.

В архитектуре Fog сетевые узлы (Fog Sites), расположенные ближе к облачным дата-центрам, обладают большей вычислительной мощностью и бóльшим объемом данных в системах хранения. Сетевые узлы, расположенные ближе к сенсорам Интернета Вещей и мобильным устройствам, обладают большей интерактивностью и быстрым откликом. Отличительной особенностью Fog является то, что в качестве сетевого узла могут выступать устройства пользователя, такие как персональные компьютеры, домашние шлюзы, телеприставки и мобильные устройства. Чтобы устройство пользователя могло работать как узел сети Fog, пользователь должен дать оператору связи соответствующее разрешение на использование вычислительной мощности своего гаджета в фоновом режиме, в обмен на различные льготы со стороны оператора.

4.    Некоторые сценарии использования

Сценариев использования Fog Computing может быть очень много и развитие смежных технологий будет позволять всё новые сценарии. По данным Ovum, Fog Computing является основной средой для Интернета Вещей IoT[3].

Рис. 2. Тенденции Интернета вещей и Fog Computing.

Некоторые из сценариев использования Fog Computing для IoT:

4.1.                    Автономные системы управления транспортом ADS (Autonomous Driving System)

ADS используют различные многорежимные сенсоры, технологии компьютерного зрения, и анализа изображений, спутниковое и сетевое позиционирование на картах и предиктивную аналитику, на базе которых ADS помогает управлять водителю или управляет самостоятельно движущимся транспортным средством. В таких приложениях требуется высокое быстродействие, поэтому Fog-узел с элементами искусственного интеллекта AI необходимо размещать непосредственно в транспортном средстве[4].

Рис. 3. Компоненты Fog-узлов в ADS.

4.2.                    Fog-системы в электронном здравоохранении (eHealth)

Fog-системы в медицине применяются в тех случаях, когда необходимо произвести оперативный анализ полученных данных с носимых пациентом датчиков и предпринять немедленные действия в соответствии с планом лечения[5].

Например, Fog-технологии уже применяются для контроля состояния больных диабетом и автоматического введения инъекций[6]. Сенсор на теле пациента определяет критическое значение содержания сахара в крови, и через Fog-сеть выдает сигнал на выполнение инъекции при помощи микро-шприца, также расположенного на теле пациента. Таким образом, пациент избавляется от необходимости постоянно производить измерения и делать инъекции самому.

4.3.                    Fog-проекты облачных провайдеров

В 2016 г. три крупнейших провайдера облачных платформ: Amazon, Google и Microsoft начали несколько проектов использования Fog Computing в своих экосистемах IoT, в которых применяется т.н. «безсерверная архитектура» (serverless architecture)[7].  Безсерверная архитектура позволяет выполнять исходный код тысяч и миллионов пользователей (в частности, fog-устройств) внутри вычислительной среды, не заботясь о масштабировании ресурсов.

A Serverless Architecture allows users (in this case, software engineers) to write application code that will run within an environment without the engineers needing to worry about how to make that application logic work “at scale.”

• Microsoft

Компания Microsoft анонсировала поддержку функций Azure (Azure Functions) внутри платформы разработки SDK (Software Development Kit). Функции Azure вначале были введены в семейства облачных продуктов с безсерверной архитектурой (Serverless Architecture), разработанных в Microsoft.

• Amazon

Компания Amazon разработала платформу Greengrass, с поддержкой т.н. Lambda-функций (безсерверной архитектуры) в устройствах IoT, при взаимодействии с облачной платформой AWS. Greengrass — это контейнер исполнения программного модуля, который может быть запущен непосредственно на Fog-устройстве, а не на сервере в дата-центре. Устройства с Greengrass могут обмениваться информацией между собой вне зависимости от наличия внешнего Интернета, т.е. горизонтально между Fog-устройствами при помощи различных радио-протоколов Интернета Вещей.

• Google

Google представила платформу для Интернета вещей Android Things с поддержкой микрокомпьютеров Intel Edison и Joule™ 570x, NXP Pico i.MX6UL и Argon i.MX6UL, а также Raspberry Pi 3. Fog-приложения разрабатываются на платформе Android Studio для любого из этих устройств. Android Things также обеспечивает интеграцию с Google Play и всей экосистемой Android, на которой сейчас работают 90% смартфонов в мире. Таким образом, система Android Things даёт возможность любому Android-смартфону или планшету работать в качестве Fog-узла.

Эти проекты показывают тенденцию «коммодитизация» устройств IoT, то есть проектирование и создание их на базе общедоступных элементов Fog Computing.

В России технологии IoT и Fog Computing используются, например, в решения «интеллектуальный карьер» российской компании ВИСТ Майнинг Технолоджи[8] (слово «майнинг» в названии российской компании используется в своём исходном значении – добыча полезных ископаемых).

Рис. 5. Схема решения «интеллектуальный карьер» российской компании ВИСТ Майнинг Технолоджи.

5.    Преимущества и прогнозы

Fog Computing – новая ступень развития облачных вычислений, которая снижает задержки, возникающие при передаче данных в центральное облако и обеспечивает новые возможности создания интеллектуальных устройств Интернета Вещей[9].

Глобальный рынок Fog-систем оценивается в 18 млрд. долл. к 2022 году[10]. Самый большой потенциал развития технологии Fog computing имеют в следующих отраслях: энергетика, коммунальные службы, и транспорт, сельское хозяйство, торговля, а также здравоохранение и промышленное производство.

Энергетический сектор и коммунальные службы представляют собой наибольший рынок для систем Fog computing, с потенциалом роста до 3,84 млрд. долл. к 2022 г.

Сектор транспорта – второй по значимости потенциальный рынок для Fog computing с потенциалом роста до 3,29 млрд. долл. к 2022 г.

Отрасль медицины представляет третий по величине рынок Fog computing, объём которого оценивается в 2,74 млрд. долл. к 2022 г.

[1] https://www.openfogconsortium.org/wp-content/uploads/OpenFog_Reference_Architecture_2_09_17-FINAL.pdf

[2] Antonio Brogi, Stefano Forti, Ahmad Ibrahim, How to best deploy your Fog applications, probably. Accepted at ICFEC’17. http://pages.di.unipi.it/throughthefog/wp-content/uploads/sites/13/2017/02/forti.pdf

[3] https://www.i-scoop.eu/internet-of-things-guide/iot-trends-2017/

[4] https://www.slideshare.net/JustinJacob27/autonomous-driving-system-ads

[5] http://www.forbes.com/sites/bernardmarr/2016/10/14/what-is-fog-computing-andwhy-it-matters-in-our-big-data-and-iot-world/#51ab6ef04971

[6] Fog Computing and Edge Computing Architectures for Processing Data From Diabetes Devices Connected to the Medical Internet of Things. Journal of Diabetes Science and Technology 2017, Vol. 11(4), стр. 647–652

[7] https://www.iotforall.com/big-three-make-play-fog

[8]   http://www.vistgroup.ru

[9] F. Bonomi, “Connected vehicles, the Internet of Things, and fog computing”. The Eighth ACM International Workshop on Vehicular Inter-Networking (VANET), Las Vegas, USA, 2011, pp. 13-15.

[10] https://www.openfogconsortium.org/wp-content/uploads/451-Research-report-on-5-year-Market-Sizing-of-Fog-Oct-2017.pdf

*   *   *

— А если облако спустится вниз, оно будет называться «туманом»?