1. Mở đầu

Hiện tại, chúng ta đang ở trong kỷ nguyên của điện toán đám mây (Cloud Computing), nơi mà dữ liệu sẽ được xử lý tại các trung tâm dữ liệu (Data Center) chứ không phải trên các thiết bị.

Tuy nhiên, trong thời đại kết nối internet vạn vật (IoT), các thiết bị như TV, tủ lạnh, bóng đèn, v.v đều được kết nối internet. Với lượng dữ liệu khổng lồ từ hàng tỷ thiết bị kết nối IoT như vậy, việc truyền dữ liệu lên tận đám mây (Cloud) để xử lý rồi trả lại kết quả có thể gây ra sự chậm trễ (mặc dù có thể chỉ mất một phần nghìn giây) hoặc bảo mật dữ liệu là những vấn đề đang được xem xét. Để giải quyết vấn đề này, điện toán biên (Edge Computing) ra đời.

Điện toán biên là một mô hình điện toán phân tán, đưa việc xử lý tính toán và lưu trữ dữ liệu đến gần vị trí cần thiết hơn để nâng cao tốc độ và tiết kiệm băng thông (theo Wikipedia).

Đây là một xu hướng tất yếu trong thời đại công nghệ IoT 4.0, được công ty phân tích Gartner dự báo là một trong mười xu hướng công nghệ sẽ tác động và chuyển đổi các ngành kinh tế từ nay tới năm 2023.

Hình 1. Top 10 xu hướng công nghệ theo dự báo của Gartner năm 2019.

2. Mô hình kiến trúc của điện toán biên Edge Computing

Theo mô hình điện toán đám mây Cloud Computing, điện toán biên Edge Computing nằm ở lớp giữa gần với các thiết bị IoT trong mô hình phân lớp dưới đây.

Hình 2. Mô hình kiến trúc điện toán biên Edge Computing.

Từ mô hình phân lớp như trên, có thể thấy:

  • Lớp trên cùng là các trung tâm dữ liệu đám mây (Cloud Data Center) để xử lý, phân tích các tác vụ phức tạp như Big Data, Machine Learning, v.v.
  • Lớp ở giữa là lớp điện toán biên (Edge Computing): Có thể thấy lớp điện toán biên nằm ngay cạnh hoặc gần các thiết bị IoT để kết nối và xử lý dữ liệu cục bộ của hàng tỷ thiết bị IoT. Thuật ngữ “Điện toán biên – Edge Computing” được sử dụng để mô tả các trung tâm tính toán nằm giữa đám mây (Cloud) nhưng gần thiết bị (Devices), gọi là biên. Ngoài ra, nó còn chỉ ranh giới tính toán giữa môi trường internet và môi trường mạng cục bộ. Một số tài liệu hay bài báo sử dụng thuật ngữ “Điện toán ranh giới” hay “Điện toán cạnh” nghe có vẻ không thuận tai hoặc khó hiểu hơn so với thuật ngữ “Điện toán biên”.
  • Lớp cuối cùng là các thiết bị IoT: các cảm biến (Sensor), các thiết bị đo đạc, điều khiển (Controller), v.v.

3. Lợi ích của điện toán biên (Edge Computing)

Như đã nói trong phần mở đầu, thời đại công nghệ IoT có đến hàng tỷ các thiết bị sẽ được kết nối internet, việc xử lý dữ liệu cục bộ ngay tại chỗ, tính bảo mật, độ trễ truyền dẫn (Latency), v.v là những lợi điểm mà điện toán biên mang lại. Chúng ta hãy cùng phân tích và đánh giá về năm lợi điểm chính mà điện toán biên mang lại như sau.

Hình 3. Lợi ích chính của Điện toán biên Edge Computing.

Tốc độ (Speed):

Lợi ích đầu tiên của điện toán biên đó là tăng khả năng hiệu suất mạng bằng tốc độ. Do các thiết bị Edge đặt ngay cạnh các cảm biến IoT hoặc trong các trung tâm dữ liệu gần đó, vì vậy thông tin mà chúng thu thập được không phải truyền đến tận các Data Center cách xa hàng nghìn kilomet với hàng trăm thiết bị mạng ở giữa (switch, router, v.v). Hơn nữa, với công nghệ cáp quang hiện tại cho phép truyền dữ liệu đi nhanh bằng hai phần ba (2/3) tốc độ ánh sáng.

Bằng cách thu thập và xử lý dữ liệu cục bộ như vậy và giảm khoảng cách truyền vật lý, điện toán biên có thể giảm đáng kể độ trễ (Latency). Kết quả cuối cùng là tốc độ cao hơn với độ trễ được đo bằng micro giây thay vì mili giây.

Bảo mật (Security):

Với điện toán đám mây (Cloud Computing), dữ liệu phải được truyền đến các trung tâm dữ liệu để xử lý. Việc này có thể gây ra những lỗ hổng bảo mật nhất định, tạo điều kiện để hacker có thể bắt được các gói tin trên đường truyền. Mặc dù hiện tại hầu hết các phương thức truyền thông đều đã được mã hóa, nhưng vẫn sẽ có những lỗ hổng và điểm yếu nhất định, chỉ cần hacker bắt được một phần gói tin, chúng cũng sẽ tìm cách hack toàn bộ hệ thống.

Ngược lại, với điện toán biên (Edge Computing), các dữ liệu nhạy cảm, quan trọng sẽ được xử lý ngay tại thiết bị nội bộ mà chưa phải gửi đi, từ đó góp phần bảo vệ dữ liệu của bạn tốt hơn.

Độ tin cậy (Reliable):

Không có gì ngạc nhiên khi điện toán biên cung cấp độ tin cậy tốt hơn, bởi các thiết bị Edge được đặt ngay cạnh các thiết bị IoT hoặc đặt tại các trung tâm dữ liệu gần đó có khả năng lưu trữ và xử lý dữ liệu cục bộ, đảm bảo các thành phần vẫn tiếp tục làm việc bình thường và dữ liệu không bị mất ngay cả khi mất kết nối internet.

Hình 4. Điện toán biên đảm bảo độ tin cậy và dữ liệu ngay cả khi mất kết nối inernet.

Hiệu quả về mặt chi phí (Cost-Effective):

Với lượng dữ liệu khổng lồ từ hàng tỷ các thiết bị IoT như đã nói, việc truyền toàn bộ dữ liệu này lên các Data Center sẽ tốn dung lượng băng thông đáng kể, đồng nghĩa chi phí đường truyền sẽ cao. Tuy nhiên, việc áp dụng điện toán biên, thì việc truyền toàn bộ dữ liệu là không cần thiết, đồng thời cho phép doanh nghiệp quyết định dịch vụ nào, dữ liệu nào sẽ xử lý và lưu trữ cục bộ, dữ liệu nào sẽ được gửi lên đám mây.

Khả năng mở rộng (Scalability):

Điện toán biên cho phép khả năng mở rộng một cách dễ dàng bằng việc bổ sung thêm các thiết bị Edge mỗi khi nhu cầu kết nối các thiết bị IoT tăng, nhưng không hề tăng băng thông đường truyền đáng kể.

4. Một số ví dụ về ứng dụng điện toán biên (Edge Computing)

  • Hệ thống Camera giao thông thông minh
Hình 5. Ứng dụng điện toán biên trong giao thông thông minh.

Hãy thử tưởng tượng, tại các thành phố lớn có đến hàng trăm nút giao thông. Mỗi nút giao thông được lắp từ 3 đến 5 camera dùng để quan sát giao thông. Với hàng trăm nút giao thông như vậy, thì số lượng camera được lắp đặt là rất lớn. Nếu truyền toàn bộ video lên máy chủ Cloud để xử lý thì có thể gây ra hiện tượng nghẽn mạng, đồng thời chi phí thuê băng thông sẽ rất tốn kém.

Hơn nữa, tín hiệu video từ các camera giao thông này có thể thuộc phạm vi bí mật của nhà nước (ví dụ như tại Việt Nam) nên không thể truyền video này lên các Data Center của nhà cung cấp. Việc ứng dụng công nghệ điện toán biên, có thể lắp đặt thiết bị Edge kết nối trực tiếp tại camera hoặc xây dựng trung tâm dữ liệu riêng thuộc quyền điều hành và giám sát của Công an, để xử lý và lưu trữ dữ liệu ngay tại chỗ. Chỉ có dữ liệu phụ (Metadata) được truyền lên máy chủ Cloud để phân tích và xử lý rồi gửi lệnh về điều khiển đèn tín hiệu giao thông.

  • Ứng dụng điện toán biên với AWS IoT (Amazon) cho giải pháp kết nối xe ô tô (Connected Vehicle Solution)
Hình 6. Điện toán biên với AWS IoT (Amazon) cho giải pháp kết nối xe ô tô.

Nắm bắt được xu thế này, nhóm “Big-Four” về dịch vụ điện toán đám mây (gồm Amazon, Microsoft, Google và IBM) đang có kế hoạch dần mở rộng các trung tâm dữ liệu của họ trên khắp thế giới để họ có thể phân cấp hơn và gần gũi hơn với các thiết bị, bất kể vị trí nào.

Ví dụ, Amazon cung cấp nền tảng AWS IoT cho giải pháp kết nối phương tiện xe ô tô (Connected Vehicles Solution). Với nền tảng AWS IoT, cho phép các nhà sản xuất xe ô tô hoặc các nhà phát triển xây dựng ứng dụng IoT về xử lý dữ liệu trên xe ô tô như phát hiện và gửi cảnh báo bất thường về phương tiện cho chủ xe; theo dõi lịch sử, hành trình và gửi thông báo định kỳ bảo dưỡng; chẩn đoán các lỗi về xe; giám sát và gửi thông tin về các trạng thái (nhiên liệu, áp suất lốp, điện áp ắc quy) v.v. Tất cả việc thu thập thông tin, phân tích, xử lý và thao tác như trên đều được thực hiện ngay trên một thiết bị đặt trên xe ô tô, mà không cần phải quản lý hạ tầng công nghệ thông tin nào.

Dữ liệu về xe ô tô đều được xác thực (danh tính) và mã hóa trên các thiết bị kết nối trước khi chúng được chuyển lên đám mây.

Trên đây chỉ là một vài ví dụ điển hình, ngoài ra điện toán biên được xem là một công nghệ đột phá, có thể trở thành một công cụ thay đổi thế cuộc trong lĩnh vực IoT, cùng với tốc độ dữ liệu của mạng 5G, chúng sẽ có một vài trò quan trọng trong các lĩnh vực như giao thông thông minh, nhà máy thông minh, y tế thông minh, ngôi nhà thông minh, v.v.

5. Kết luận

Với sự tăng trưởng chóng mặt của các thiết bị IoT được giới thiệu hàng năm, việc điện toán biên ra đời sẽ mang lại những bước phát triển nhảy vọt trong việc tăng tốc xử lý dữ liệu và vận chuyển, cũng như bảo mật. Tuy nhiên điện toán biên ra đời không phải để thay thế cho điện toán đám mây, bởi điện toán đám mây có những lợi ích riêng của nó, chúng là những kiến trúc bổ sung và kết hợp với nhau để tạo ra các nền tảng mạnh mẽ cho ngành công nghiệp IoT. Điều này sẽ tác động và thúc đẩy chuyển đổi các ngành kinh tế từ nay tới năm 2023.

Thạc sĩ Hoàng Văn Cường
Chuyên gia Nghiên cứu & Phát triển giải pháp (ISS)
Công ty Hệ thống thông tin FPT (FPT IS).

Tin liên quan: