Einführung in die Architektur von Edge-Computing-Gateways
Die Edge-Computing-Gateway-Architektur ist ein neues Modell zur Bereitstellung von Speicherplatz und einer Vielzahl von Rechenfunktionen im gesamten System. Dieser Ansatz rückt Speicher und Rechenleistung näher an das Gerät heran, wodurch die Reaktionszeit verbessert und der Bandbreitenbedarf reduziert wird. Edge-Computing umfasst alle Arten von Rechenvorgängen am Netzwerkrand außerhalb der Cloud. Beim Edge-Computing geht es um Echtzeitdynamiken, die von Sensoren und Echtzeitanwendungen erzeugt werden. Die große Anzahl von IoT-Geräten treibt den Bandbreitenbedarf auf ein extremes Niveau, was zu Latenzzeiten führt. Edge-Computing bringt Dienste näher an den Netzwerkrand und verbessert die Dienstbereitstellung.
1. Datenquellen/Geräte
Datenquellen in einer Edge-Computing-Umgebung können Anwendungen, Sensoren, Geräte und beliebige Datenerfassungsgeräte zur Erfassung von Daten sein. Solche Geräte generieren Daten aus unterschiedlichen Quellen. Die Datenbanken variieren je nach Funktion und Standort. Verschiedene Edge-Geräte erfassen Daten und kommunizieren über IoT-Protokolle, um Daten an die Edge-Gateway. Als Protokolle für die Datenübertragung kommen Ethernet, Bluetooth, WLAN, NFC, ZigBee usw. in Frage. Einfach ausgedrückt: Jedes Gerät, das Daten erzeugt, wird als Edge-Gerät betrachtet.
2. Edge-Gateway
Das Edge-Gateway fungiert als Knotenpunkt zwischen dem Edge-Gerät und dem Kernnetz. Das Kernnetz besteht aus voll funktionsfähigen Geräten mit entsprechender Datenvorverarbeitung. Edge-Gateways dienen dazu, Schnittstelle für kabelgebundene und funkgestützte Übertragungen.
3. Die verschiedenen verwendeten Normen sind
Z-Wave (Z-Wave): Z-Wave wird für die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über eine Entfernung von 30 Metern verwendet und ist speziell auf kleine Übertragungsanwendungen wie die Steuerung von Haushaltsgeräten ausgelegt. Z-Wave arbeitet im mittleren Bereich des ISM-Bands (ca. 900 MHz) und ermöglicht eine Übertragungsgeschwindigkeit von 40 kbit/s. Z-Wave gilt als die beste Wahl für die Kommunikation von Haushaltsgeräten.
LTE-A (Long Term Evolution-Advanced): Das Kommunikationsprotokoll besteht aus einer Reihe verschiedener Protokolle, die für die Kommunikation genutzt werden, und ist Teil der IoT-basierten Maschinensignalisierung und -architektur. Es übertrifft andere Mobilfunklösungen hinsichtlich der Betriebskosten und der Skalierbarkeit.
EPC Global: Der Electronic-Device-Code dient der Identifizierung von Artikeln im Lieferkettenmanagement, wobei auf dem RFID-Tag ausschließlich die Identifikationsnummer gespeichert wird. Die Architektur nutzt RFID-Technologie sowie benutzerfreundliche RFID-Identifikationsgeräte und Lesegeräte für den Informationsaustausch. Aufgrund ihrer Offenheit und Skalierbarkeit gilt diese Architektur als vielversprechende Technologie für die Zukunft des Internets der Dinge.
Bluetooth Low Energy: Bluetooth Low Energy (BLE) oder Smart Bluetooth nutzt Funksignale über kurze Entfernungen und mit minimalem Energiebedarf. Die Reichweite ist etwa zehnmal so groß wie bei der klassischen Bluetooth-Technologie. Im Vergleich zur klassischen Bluetooth-Technologie weist es 15-mal weniger Verzögerungen auf.
Verwendete Protokolle
1. CoAP
CoAP wurde von der IETF-Arbeitsgruppe „Constrained RESTful Environments (CoRE)“ für Edge-Geräte und -Anwendungen entwickelt. Die Arbeitsgruppe hat ein Protokoll auf Anwendungsebene festgelegt. CoAP schlägt einen situationsbasierten Transport vor, der funktional auf dem HTTP-Transportprotokoll (REST) basiert. REST ist ein zwischenspeicherbares Verbindungsprotokoll, das auf einer zustandslosen Client-Server-Architektur basiert. Es stellt die geeignete Methode für den Datenaustausch zwischen Clients und Servern auf Basis von HTTP dar. Es wird in Social-Networking-Anwendungen für mobile Geräte eingesetzt und nutzt HTTP-Methoden (GET, POST, PUT und DELETE), um die Komplexität zu reduzieren.
2. MQTT
MQTT wird verwendet, um Verbindungen zwischen eingebetteten Geräten, Servicenetzwerken und Middleware herzustellen. Dank seiner auf Routing-Mechanismen basierenden Verbindungsabläufe erweist sich MQTT als hervorragendes Konnektivitätsprotokoll für IoT und M2M. MQTT baut auf dem TCP-Protokoll auf und eignet sich daher besonders für Geräte mit begrenzten Ressourcen sowie für unzuverlässige Verbindungen oder Verbindungen mit geringer Bandbreite. MQTT besteht aus nur drei Komponenten: Subscriber, Uploader und Proxy.
3. AMQP
AMQP ist ein offener Standard auf Anwendungsebene, der speziell für nachrichtenorientierte Umgebungen entwickelt wurde. Er gewährleistet, dass die ursprüngliche Sprache eine zuverlässige Kommunikation über den Nachrichtenaustausch ermöglicht, einschließlich „höchstens eins“, „mindestens eins“ und „genau richtig“ – das zuverlässige TCP-Protokoll für den Nachrichtenaustausch.
Schlussfolgerung
Edge-Computing soll dafür sorgen, dass Echtzeitanwendungen effizient funktionieren und innerhalb eines festgelegten Zeitrahmens Antworten liefern. Die Systemarchitektur zielt darauf ab, die Bandbreitennutzung zu reduzieren und die Latenz zu minimieren. Die Architektur des Edge-Computing-Gateways kann, wie in vielen Fällen, cloudbasierte Komponenten umfassen; in manchen Fällen sind Cloud-Funktionen jedoch nicht im Edge-Architekturmodell enthalten.
Die Fabric verfügt über eine einfache Schnittstelle zu Cloud-Rechenzentren und ermöglicht so die dauerhafte Speicherung von Daten in der Cloud sowie weitere Dienste. Die Edge-Fabric ist flexibel genug, um Geräte aus verschiedenen heterogenen Umgebungen einzubinden, und sorgt so für eine größere Nähe zu den Geräten.
