Туманные вычисления (Fog Computing) для Интернета вещей (Internet of Things)

Концепция туманных вычислений (Fog Computing), разрабатывалась с ориентацией на приложения Интернета Вещей IoT (Internet of Things), хотя не исключаются и другие применения Fog-систем, например, в сетях связи 5G.

Одном их главных предназначений Cloud computing является обработка «больших данных» (Big Data). Возможность сохранять и обрабатывать данные, не заботясь о масштабировании серверов и баз данных, существенно расширяет круг потенциальных пользователей облачных систем анализа больших данных, за счёт снижения стоимости «порога входа» таких систем. То есть, те предприятия, которые раньше не могли себе позволить высокие начальные инвестиции дорогостоящих аналитических систем, при облачной модели SaaS вполне способны воспользоваться ими по модели «оплаты по мере использования» (pay-as-you-use)[1].

В то же время, происходит интенсивный рост отрасли IoT. Число IoT-устройств в мире растёт со скоростью CAGR 22-27% в год[2] (см. рисунок ниже), трафик, ими порождаемый растёт ещё быстрее, поэтому, потребности в более быстрой обработке и быстром анализе данных IoT также растут.

Рисунок 1. Рост числа устройств IoT (источник: Ericsson).

Однако несмотря на то, что развитие Cloud-систем является необходимым условием для успеха IoT, в некоторых случаях, одни лишь системы Cloud не могут удовлетворить требованиям более быстрого анализа и растущего объёма данных от устройств IoT. Поэтому, всё больше требований предъявляется к предварительной обработке данных на границе сети (Edge Computing), которая является местом расположения Fog-систем.

Это, в частности, привело к созданию концепции обработки данных на границе сети для дополнения, или даже замены, вычислений в облаке Cloud. Такая концепция получила название Mobile Edge Computing (MEC)[3].

Применения Fog для IoT

Основная цель Fog Computing – переместить вычисления ближе к границе сети (Edge), снижая тем самым, необходимость удалённых коммуникаций через центральное облако Cloud и связанные с этим задержки и перегрузку полосы пропускания ядра сети (Core), как показано на рисунке ниже[4].

Рисунок 2. Расположение Fog-систем в сетевой иерархии IoT (источник: Cisco).

 Архитектура Indie Fog

Fog Computing привносит свои собственные проблемы, например, то, что оборудование часто работает только с технологиями одного сервис-провайдера, или только в сотовой сети. Поэтому была предложена архитектура т.н. «Indie Fog», которая позволяет использовать сетевые устройства пользователя, такие как точки доступа Wi-Fi, чтобы предоставлять услуги IoT в среде Fog Computing. При этом для провайдера услуг IoT устраняется необходимость развёртывать свои собственные устройства в Fog-системе. Название «Indie» происходит от английского слова «Independent» (независимый) и широко используется в других областях, таких как музыка, дизайн, игры, и пр., и означает независимость от среды, аутентичность, автономность[5].

Indie Fog предусматривает использование популярной модели «потребитель как поставщик» CaP (Consumer as Provider)[6]. Например, облачный провайдер MQL5 предлагает сдавать в аренду мощности компьютера пользователя другим участникам сети для выполнения разнообразных задач: от оптимизации торговых стратегий до решения задач математического моделирования[7]. Компания Fon[8] использует устройства в помещении пользователя CPE (Customer Premise Equipment) для организации глобальной сети Wi-Fi. Эти примеры показывают, что многим пользователям нравится идея получать деньги от провайдеров за то, что те используют их оборудование для предложения услуг другим пользователям. Именно такой подход использован в модели Indie Fog. Индивидуальные пользователи, а не только организации, могут конфигурировать свои устройства так, чтобы предоставлять публичные услуги Fog.

Услуги Indie Fog могут предоставляться в двух формах: интегрированной (integrated) и коллаборационной (collaborative), как показано на рисунке ниже.

В интегрированной форме, Интернет-маршрутизатор работает как виртуальны й сервер, выполняющий роль Fog-узла.  В коллаборационной форме функции Fog-узла обеспечивает компьютер пользователя, подключённый к Интернет-маршрутизатору. Обе модели Indie Fog работают на граничном уровне архитектуры Fog‑сети[9], как показано на рисунке ниже.

Рисунок 3. Indie Fog в интегрированной (a) и коллаборационной (b) формах (источник: IEEE Computer Society).

Архитектура Fog-сети, разработанная консорциумом OpenFog, содержит несколько уровней, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 4. Положение Indie Fog в архитектуре Cloud – Fog (источник: IEEE Computer Society).

Узел Indie Fog может располагаться, в основном, на устройствах на уровне доступа, например, в шлюзах Интернет-доступа, или внутри различных объектов, таких как автомобили, персональные компьютеры или смартфоны, которые являются конечными точками подключения устройств IoT. Обычно, сервис-провайдеры придерживаются модели частных Fog-систем (Private Fog на рисунке выше), в которой они конфигурируют Fog-сервер (узел) для использования только определёнными пользователями.

В модели Public Fog, например, в архитектуре MEC, операторы мобильной связи делают Fog-сервисы доступными для любого оплатившего эти услуги пользователя, имеющего соответствующее устройство.

Основные характеристики Indie Fog следующие:

• Совместимость и интероперабельность. Indie Fog-узлы могут взаимодействовать с другими Fog-узлами при создании программно-конфигурируемой сети.
• Масштабируемость. Системы IoT (потребительского сегмента), могут формировать масштабируемый, программно-определяемый кластер Indie Fog-узлов. Как публичные, так и частные Fog-системы могут использовать узлы Indie Fog для расширения своих Fog-сетей.
• Стоимостная эффективность. Вследствие того, что Indie Fog использует пользовательское оборудование, такие узлы получаются менее дорогими, особенно при масштабном развёртывании.
• Безопасность. Indie-Fog-узлы обеспечивают среду для индивидуального развёртывания с использованием технологии виртуальных машин VM (Virtual Machines), на базе гипервизора или контейнеров. Доверенный сервер-координатор в облаке Cloud при этом ведает регистрацией узлов.

Перспективы применения Fog для IoT

Аналитическая компания Ovum считает Fog одной из основных тенденций развития IoT[10] (см. рисунок ниже). Другие тенденции, в которых так или иначе, используются решения Fog, следующие:

• Безопасность в IoT
• Блокчейн для IoT
• Использование беспроводных технологий с низкой потребляемой мощностью и высокой дальностью связи LPWA
• Растущая роль искусственного интеллекта AI (Artificial Intelligence)

Рисунок 5. 10 основных тенденций развития IoT (источник: Ovum).

[1] http://blog.cautelalabs.com/2017/06/08/the-role-of-cloud-computing-and-fog-computing-in-iot

[2] https://www.slideshare.net/IanBeckett3/ericsson-mobility-report-2016-mobile-iot-ecommerce-streaming-telecoms

[3] M. Yannuzzi, R. Milito, R. Serral-Graci, D. Montero, and M. Nemirovsky. Key ingredients in an iot recipe: Fog computing, cloud computing, and more fog computing. In IEEE International Workshop on Computer Aided Modeling and Design of Communication Links and Networks (CAMAD), 2014.

[4] https://www.researchgate.net/publication/235409978_Fog_Computing_and_its_Role_in_the_Internet_of_Things

[5] M.Z. Newman, “Indie Culture: In Pursuit of the Authentic Autonomous Alternative,” Cinema J., vol. 48, no. 3, 2009, pp. 16–34.

[6] R. Sofia and P. Mendes, “User-Provided Networks: Consumer as Provider,” IEEE Communications Magazine, vol. 46, no. 12, 2008, pp. 86–91.

[7] https://cloud.mql5.com

[8] https://fon.com/

[9] http://kodu.ut.ee/~chang/indiefog.pdf

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