Computação IoT Edge

Em uma arquitetura clássica de IoT, os dispositivos inteligentes enviam os dados coletados para a nuvem ou um data center remoto para análise. Grandes quantidades de dados viajando de e para um dispositivo podem causar gargalos que tornam essa abordagem ineficaz em qualquer caso de uso sensível à latência.

A computação de borda IoT resolve esse problema aproximando o processamento de dados dos dispositivos IoT. Essa estratégia reduz a rota de dados e permite que o sistema execute uma análise de dados quase instantânea no local.

Este artigo é uma introdução à computação de borda de IoT e os benefícios de agir sobre os dados o mais próximo possível de sua fonte. Continue lendo para saber por que a computação de borda é um facilitador crítico para casos de uso de IoT em que o sistema deve capturar e analisar grandes quantidades de dados em tempo real.

O que é computação IoT Edge?

A computação de borda IoT é a prática de usar o processamento de dados na borda da rede para acelerar o desempenho de um sistema IoT. Em vez de enviar dados para um servidor remoto, a computação de borda permite que um dispositivo inteligente processe dados brutos de IoT em um servidor de borda próximo.

O processamento de dados próximo ou no ponto de origem resulta em latência zero . Esse recurso pode fazer ou quebrar a funcionalidade de um dispositivo IoT que executa tarefas sensíveis ao tempo.

Aproximar fisicamente o processamento de dados dos dispositivos IoT oferece uma linha de benefícios para a TI corporativa, como:

• Serviços mais rápidos e confiáveis.
• Uma experiência mais tranquila para o cliente.
• Análises em tempo real no local.
• A capacidade de filtrar e agregar dados brutos para reduzir o tráfego enviado a um servidor externo ou à nuvem.
• Custos operacionais mais baixos (OpEx) devido ao menor uso de largura de banda e necessidades menores de capacidade do data center.
• Maior segurança devido a menos conexões externas e menos espaço para possíveis movimentos laterais.

A computação de borda da IoT é um facilitador vital para a IoT, pois essa estratégia permite que você execute um aplicativo de baixa latência em um dispositivo IoT de forma confiável. O processamento de borda é uma opção ideal para qualquer caso de uso de IoT que:

• Requer tomada de decisão em tempo real.
• Tem falhas potencialmente catastróficas.
• Lida com quantidades extremas de dados.
• Executado em um ambiente em que a conectividade com a nuvem é sobressalente ou totalmente indisponível.

A computação em nuvem e de borda não são mutuamente exclusivas. Os dois paradigmas de computação são um excelente ajuste, pois um servidor de borda (na mesma região ou nas mesmas instalações) pode lidar com tarefas urgentes enquanto envia dados filtrados para a nuvem para uma análise mais demorada.

Dispositivos de borda x dispositivos IoT

A computação de borda IoT depende do uso combinado de dispositivos de borda e IoT:

• Um dispositivo IoT é uma máquina conectada à Internet que pode gerar e transmitir dados para a unidade de processamento (um dispositivo de borda, a nuvem ou um servidor central). Esses dispositivos geralmente têm sensores para fins especiais e servem a um único propósito.
• Um dispositivo de borda é um hardware que opera próximo ao usuário ou dispositivo que gera dados brutos. Esses dispositivos têm recursos de computação suficientes para processar dados e tomar decisões com latências abaixo de milissegundos, uma velocidade impossível de alcançar se os dados precisarem primeiro cruzar uma rede.

Em alguns casos, os termos dispositivos de borda e IoT podem ser intercambiáveis . Um dispositivo IoT também pode ser um dispositivo de borda se tiver recursos de computação suficientes para tomar decisões de baixa latência e processar dados. Além disso, um dispositivo de borda pode fazer parte da IoT se tiver um sensor que gere dados brutos.

No entanto, criar dispositivos com recursos de IoT e de borda não é econômico. Uma opção melhor é implantar vários dispositivos IoT mais baratos que geram dados e conectam todos eles a um único servidor de borda capaz de processar dados.

Como a IoT e a computação de borda funcionam juntas?

A computação de borda fornece um sistema IoT com uma fonte local de processamento de dados, armazenamento e computação. O dispositivo IoT coleta dados e os envia para o servidor de borda. Enquanto isso, o servidor analisa os dados na borda da rede local, permitindo um processamento de dados mais rápido e escalável.

Quando comparado ao design usual que envolve o envio de dados para um servidor central para análise, um sistema de computação de borda IoT possui:

• Redução da latência de comunicação entre o dispositivo IoT e a rede.
• Tempos de resposta mais rápidos e maior eficiência operacional.
• Menor consumo de largura de banda de rede, pois o sistema apenas transmite dados para a nuvem para armazenamento ou análise de longo prazo.
• A capacidade de continuar operando mesmo se o sistema perder a conexão com a nuvem ou o servidor central.

A computação de borda é uma maneira eficiente e econômica de usar a Internet das Coisas em escala sem arriscar sobrecargas de rede. Uma empresa que confia na borda da IoT também reduz o impacto de uma possível violação de dados. Se alguém violar um dispositivo de borda, o invasor terá acesso apenas a dados brutos locais (ao contrário do que acontece se alguém invadir um servidor central).

A mesma lógica de "raio de explosão menor" se aplica a vazamentos acidentais de dados e ameaças semelhantes à integridade dos dados.

Além disso, a computação de borda oferece uma camada de redundância para tarefas de IoT de missão crítica. Se uma única unidade local ficar inativa, outros servidores de borda e dispositivos IoT poderão continuar operando sem problemas. Não há pontos únicos de falha que possam interromper todas as operações.

Recursos de computação do IoT Edge

Embora cada sistema de computação de borda IoT tenha características únicas, todas as implantações compartilham várias características. Abaixo está uma lista de 6 recursos que você pode encontrar em todos os casos de uso de computação de borda de IoT.

Cargas de trabalho consolidadas

Um dispositivo de borda mais antigo normalmente executa aplicativos proprietários em cima de um RTOS (sistema operacional em tempo real) proprietário. Um sistema de ponta IoT de ponta tem um hipervisor que abstrai as camadas do sistema operacional e do aplicativo do hardware subjacente.

O uso de um hipervisor permite que um único dispositivo de computação de borda execute vários sistemas operacionais, que:

• Abre o caminho para a consolidação da carga de trabalho.
• Reduz o espaço físico necessário na borda.

Como resultado, o preço da implantação na borda é muito menor do que o que você tinha que pagar para configurar um sistema de computação de borda de primeira linha.

Pré-processamento e filtragem de dados

Os sistemas de borda anteriores normalmente funcionavam fazendo com que o servidor remoto solicitasse um valor da borda, independentemente de haver alterações recentes. Um sistema de comutação de borda IoT pode pré-processar dados na borda (geralmente por meio de um agente de borda) e enviar apenas as informações relevantes para a nuvem. Esta abordagem:

• Reduz a chance de gargalos de dados.
• Melhora as taxas de resposta do sistema.
• Reduz os custos de armazenamento em nuvem e largura de banda.

Gerenciamento escalável

Os recursos de borda mais antigos geralmente usavam protocolos de comunicação serial que eram difíceis de atualizar e gerenciar em escala. Uma empresa agora pode conectar recursos de computação de borda IoT a redes locais ou de longa distância (LAN ou WAN), permitindo o gerenciamento central.

As plataformas de gerenciamento de borda também estão aumentando em popularidade à medida que os provedores buscam simplificar ainda mais as tarefas associadas a implantações de borda em larga escala.

Arquitetura aberta

Protocolos proprietários e arquiteturas fechadas eram comuns em ambientes de borda há anos. Infelizmente, esses recursos geralmente levam a altos custos de integração e comutação devido a bloqueios de fornecedores, e é por isso que a computação de borda moderna depende de uma arquitetura aberta com:

• Protocolos padronizados (por exemplo, OPC UA, MQTT).
• Estruturas de dados semânticos (por exemplo, Sparkplug).

A arquitetura aberta reduz os custos de integração e aumenta a interoperabilidade do fornecedor, dois fatores críticos para a viabilidade da computação de borda da IoT.

Análise de borda 

Versões anteriores de dispositivos de borda tinham poder de processamento limitado e normalmente podiam executar uma única tarefa, como ingestão de dados.

Atualmente, um sistema de computação de borda IoT possui recursos de processamento mais poderosos para analisar dados na borda. Esse recurso é vital para casos de uso de baixa latência e alta taxa de transferência de dados que a computação de borda tradicional não conseguia lidar de forma confiável.

Aplicativos distribuídos

Os recursos inteligentes de computação de borda de IoT desacoplam aplicativos do hardware subjacente. Esse recurso permite uma arquitetura flexível na qual um aplicativo pode se mover entre recursos de computação:

• Verticalmente (por exemplo, do recurso de borda para a nuvem).
• Horizontal (por exemplo, de um recurso de computação de borda para outro).

Uma empresa pode implantar um aplicativo de borda em três tipos de arquiteturas:

• 100% de vantagem: Essa arquitetura tem todos os recursos de computação no local. Esse design é popular entre as organizações que não desejam enviar dados para fora do local, normalmente devido a questões de segurança. Uma empresa que aceita investimentos pesados ​​no local também é um adotante típico.
• Borda espessa + arquitetura de nuvem: Esse design inclui um data center local, uma implantação na nuvem e recursos de computação de borda. Uma escolha comum para empresas que já investiram pesadamente em um data center local, mas depois decidiram usar a nuvem para agregar e analisar dados (normalmente de várias instalações).
• Extremidade fina (ou micro) + arquitetura de nuvem: Essa abordagem sempre inclui recursos de computação em nuvem conectados a um (ou mais) recurso de computação de borda menor. Não há data centers locais neste design.

Casos de uso de computação do IoT Edge

A computação de borda pode desempenhar um papel vital em qualquer projeto de IoT que exija baixa latência ou armazenamento de dados local. Aqui estão alguns casos de uso interessantes:

• IoT industrial (IIoT): Os sensores de IoT podem rastrear o estado do maquinário industrial, identificando problemas como falhas ou uso excessivo. Enquanto isso, um servidor de borda pode responder a problemas antes de um possível desastre.
• Carros autônomos: Um veículo autônomo dirigindo na estrada deve ser capaz de coletar e processar dados em tempo real (tráfego, pedestres, sinais de trânsito, semáforos, etc.). Carros automáticos são um caso de uso de latência zero, portanto, usar a IoT de ponta é a única maneira de garantir que um carro autônomo possa parar ou virar com rapidez suficiente para evitar um acidente.
• Comboios de caminhões automatizados: A computação de borda da IoT também pode permitir que uma empresa crie um comboio de caminhões automatizado. Um grupo de caminhões movidos a IoT pode viajar um atrás do outro em comboio, economizando custos de combustível e diminuindo o congestionamento. Nesse cenário, apenas o primeiro caminhão exigiria um motorista humano.
• Inferência visual: Uma câmera de alta resolução com um computador de borda IoT pode consumir fluxos de vídeo e realizar inferências nos dados coletados. Esse equipamento pode detectar pessoas com altas temperaturas, intrusos em áreas restritas, violações de segurança, anomalia nas linhas de produção, etc.
• Monitoramento remoto baseado em condições: Em um cenário em que uma falha pode ser catastrófica (por exemplo, um oleoduto ou gasoduto), usar a borda da IoT para monitorar o sistema é um acéfalo. Um sensor de IoT pode rastrear a condição de um ativo (por exemplo, temperatura, pressão, estresse etc.), e o servidor de borda pode reconhecer e responder a um possível problema em milissegundos.

IoT Edge Computing:um divisor de águas para a TI corporativa

Hoje, o setor de IoT opera em vários cenários sem computação de borda. No entanto, à medida que o número de dispositivos conectados cresce e as empresas exploram novos casos de uso, a capacidade de recuperar e processar dados mais rapidamente se tornará um fator decisivo. Espere que a computação de borda da IoT desempenhe um papel fundamental nos próximos anos, à medida que mais e mais empresas começarem a buscar os benefícios do processamento de dados com latência zero.