CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TOÁN BIÊN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Tổ chức Gartner định nghĩa điện toán biên là “một phần của cấu trúc liên kết máy tính phân tán, trong đó việc xử lý thông tin được đặt gần biên — nơi mọi thứ và con người sản xuất hoặc tiêu thụ thông tin đó”. Ở cấp độ cơ bản, điện toán biên mang khả năng tính toán và lưu trữ dữ liệu gần hơn với các thiết bị nơi nó đang được thu thập, thay vì dựa vào vị trí trung tâm có thể cách xa hàng nghìn dặm. Điều này được thực hiện để dữ liệu, đặc biệt là dữ liệu thời gian thực, không gặp phải các vấn đề về độ trễ có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của ứng dụng. Ngoài ra, các công ty có thể tiết kiệm tiền bằng cách xử lý cục bộ, giảm lượng dữ liệu cần được xử lý ở vị trí tập trung hoặc dựa trên đám mây.
Điện toán biên được phát triển do sự phát triển theo cấp số nhân của các thiết bị IoT, kết nối với internet để nhận thông tin từ đám mây hoặc cung cấp dữ liệu trở lại đám mây. Nơi nhiều thiết bị IoT tạo ra lượng dữ liệu khổng lồ trong quá trình hoạt động của chúng. Bên cạnh đó, có một vài thuật ngữ chính khác được định nghĩa trong lĩnh vực tính toán biên. Điện toán biên: là một cơ sở hạ tầng máy tính vật lý được đặt giữa thiết bị đầu cuối và đám mây để hỗ trợ các ứng dụng khác nhau.
Điện toán biên mang khả năng xử lý đến gần hơn với người dùng cuối / thiết bị / nguồn dữ liệu, giúp loại bỏ lưu lượng đến trung tâm dữ liệu đám mây và giảm độ trễ cho các tính toán. Điện toán biên viễn thông: là các máy tính phân tán, được quản lý bởi nhà khai thác viễn thông, có thể mở rộng ra ngoài biên giới mạng và tới biên giới khách hàng. Khách hàng có thể chạy các ứng dụng có độ trễ thấp cũng như bộ nhớ cache hoặc xử lý dữ liệu gần với nguồn dữ liệu để giảm lưu lượng và chi phí lưu lượng truy cập backhaul. Tính toán biên tại chỗ: tài nguyên tính toán cục bộ tại vị trí của khách hàng được quản lý bởi nhà điều hành mạng nhằm phục vụ cho các ứng dụng và chức năng chung.
Các chức năng này chạy trong môi trường ảo hóa, dưới dạng các hoạt động dựa trên đám mây trên một kiến trúc biên phân tán. Đám mây biên: là cơ sở hạ tầng ảo hóa và các mô hình kinh doanh đó. Edge cloud mang đến lợi ích của cả đám mây và máy chủ tại chỗ, vì nó có tính linh hoạt và khả năng mở rộng cũng như khả năng xử lý khối lượng công việc tăng đột biến do các hoạt động của người dùng đầu cuối. e 5 Đám mây riêng: mô hình triển khai đám mây trong đó các dịch vụ điện toán được cung cấp qua mạng riêng cho một nhóm người dùng chuyên dụng.
Đám mây riêng cũng cung cấp các lợi ích của đám mây công cộng như khả năng mở rộng và tính linh hoạt, nhưng điểm khác biệt chính là đám mây riêng cung cấp bảo mật cao hơn và quyền riêng tư dữ liệu thông qua lưu trữ nội bộ của cơ sở hạ tầng đám mây. Điện toán biên trong viễn thông đóng vai trò quan trọng vì có nhiều vị trí tiềm năng ở trong và ngoài mạng công cộng. Hình 1 dưới đây cho thấy vị trí của điện toán biên trong mô hình mạng.1: Vị trí của điện toán biên trong kiến trúc mạng Vị trí triển khai của điện toán biên rất đa dạng như tại cơ sở khách hàng, tháp di động, tủ đường phố và các điểm tổng hợp mạng trong mạng truy cập và mạng lõi. Quyết định về nơi đặt cơ sở hạ tầng điện toán biên cho một công ty viễn thông phụ thuộc vào ba yếu tố: a) kiến trúc mạng hiện tại của viễn thông b) lộ trình ảo hóa và nơi đặt trung tâm dữ liệu cho các ứng dụng mạng c) nhu cầu và các trường hợp sử dụng mà hạ tầng viễn thông cần phải đáp ứng.
Ví dụ, các tháp di động gần với thiết bị khách hàng và bao phủ một khu vực rộng hơn so với các tủ trên đường phố. Những điều này sẽ phù hợp với giao tiếp có độ trễ thấp cho các phương tiện tự hành - cho phép ô tô có phản hồi theo thời gian thực dựa trên môi trường hiện tại và những gì đang xảy ra trên đường. Điện toán biên của các công ty viễn thông (Telco edge) kết hợp các lợi ích của cả điện toán cục bộ (ví dụ: tại cơ sở) và điện toán đám mây. Ưu điểm của điện toán biên bao gồm khách hàng có thể chạy các ứng dụng có độ trễ thấp tốt hơn, cũng như bộ nhớ đệm hoặc xử lý dữ liệu gần với nguồn dữ liệu để giảm khối lượng và chi phí lưu lượng truy cập backhaul.
Mặt khác, giống như đám mây, điện toán biên viễn thông phải cung cấp tính linh hoạt và khả năng mở rộng. Telco edge có thể cung cấp khả năng xử lý khối lượng công việc tăng đột biến do hoạt động của người dùng cuối tăng lên ngoài kế hoạch hoặc giải quyết nhu cầu mở rộng quy mô nhanh chóng của các doanh nghiệp khi e 6 phát triển, thử nghiệm và triển khai các ứng dụng mới. Đối với các ứng dụng di động, tính toán cạnh không chỉ cần tăng và giảm quy mô mà còn phải di chuyển qua các vị trí biên mạng viễn thông khác nhau.2 CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA MẠNG TRUYỀN THÔNG Để hiểu rõ tiện ích và sự cần thiết của tính toán biên, ta xem xét các đặc điểm cơ bản của các loại mạng truyền thông khác nhau bao gồm cho cả mạng máy tính và mạng viễn thông. Trong ngữ cảnh này, ta xem xét về bản chất lý thuyết cơ bản hơn là giải pháp công nghệ đằng sau các loại mạng hoạt động.
Một hình vẽ minh họa ba loại mạng đã được Paul Baran trình bày trong bài báo của ông “Về mạng truyền thông phân tán” cách đây gần 60 năm. Mặc dù các quan niệm hiện đại hơn về truyền thông hệ thống phân tán khác một chút với nghiên cứu ban đầu này, nhưng bản chất vị trí của tính toán biên phù hợp với không gian phân tán là không đổi. Hệ thống được định nghĩa là một tập hợp các thành phần được kết nối với nhau tạo thành một tổng thể phức tạp. Các hệ thống được mô tả là tập trung nếu các thành phần riêng lẻ được điều khiển trực tiếp bởi một thành phần trung tâm.
Một ví dụ về hệ thống tập trung là máy tính cá nhân. Trong khi một máy tính bao gồm nhiều thành phần chức năng, hệ thống tổng thể sẽ vô dụng nếu không có bộ xử lý trung tâm (CPU). Tương tự như vậy, điện thoại di động tương tác với một trang web từ xa cũng đang hoạt động trong một mô hình tập trung. Các dịch vụ riêng lẻ được cung cấp bởi các hệ thống có thể được mô tả dưới dạng khối lượng công việc.
Khối lượng công việc tiêu tốn tài nguyên để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể. Một lý thuyết phổ biến sử dụng trong nghiên cứu về khối lượng công việc là lý thuyết xếp hàng. Lý thuyết này mô tả các tiến trình đến, phục vụ và ra khỏi một hệ thống nào đó. Về lý thuyết, các yêu cầu đến từ các hệ thống tập trung sẽ có mức tăng hàm mũ đối với năng lực phục vụ hệ thống.
Một hệ thống được cho là phân tán nếu các thành phần riêng lẻ có thể xử lý các tác vụ cho một khối lượng công việc độc lập và phối hợp với nhau để cung cấp một dịch vụ tính toán chung. Ví dụ về hệ thống phân tán là một cụm máy tính có thể tính toán song song cho cùng một yêu cầu công việc. Tuy khối lượng công việc được xử lý bởi các hệ thống phân tán, nhưng việc lập lịch khối lượng công việc (khối lượng công việc đến, trình tự và phân công tài nguyên) trong các hệ thống này được kiểm soát tập trung. Khi các hệ thống phân tán với chức năng lập lịch trung tâm phát triển cả về quy mô và độ phức tạp của dịch vụ, các chức năng lập lịch cũng phải được phân tán.
Quá trình phân tán quyền kiểm soát chức năng của trung tâm được định nghĩa là e 7 phân quyền. Thông qua phân quyền, các chức năng kiểm soát được chia thành các lớp phụ thuộc lẫn nhau. Sự sắp xếp của các lớp điều khiển phân tán và các thành phần phục vụ khối lượng công việc được định nghĩa là một hệ thống phân cấp. Các cấp độ của hệ thống phân cấp vừa cung cấp và chấp nhận quyền kiểm soát từ các cấp độ khác, vừa duy trì quyền tự chủ ở cấp độ dịch vụ.
Ta có thể thấy các mô hình hệ thống tập trung, phi tập trung (tựa phân tán) và phân tán trong hình 1.2: Các mô hình tính toán của mạng truyền thông Khi ta nói về một kiến trúc tính toán tập trung, ta nhận thấy một trong những ví dụ tính toán phổ biến nhất là về “mô hình máy khách-máy chủ”, chẳng hạn như mô hình trong hình 1.3: Mô hình máy chủ - máy khách e 8 Mô hình kết nối này cho thấy một hệ thống trong đó các máy khách từ xa liên hệ với một hoặc nhiều máy chủ trung tâm cung cấp tài nguyên để đáp ứng các yêu cầu đơn lẻ hoặc đang diễn ra song song. Ta có một hệ thống trung tâm (máy tính, máy chủ hoặc nhóm máy chủ) kiểm soát việc lưu trữ, xử lý và phân phối một tập hợp tài nguyên hoặc dữ liệu cho các khách hàng yêu cầu dữ liệu này. Các tác vụ thực thi trên máy khách thông qua các yêu cầu nhưng máy chủ là nơi xử lý định tuyến và định dạng nhờ kết hợp với các tài nguyên được lấy từ cơ sở dữ liệu.3 trên minh họa dữ liệu từ nhiều thiết bị phân tán tiềm năng được tổng hợp bởi cổng kết nối vạn vật (IoT) để xử lý đám mây từ xa bởi một máy ảo duy nhất. Hệ thống trên đây cho thấy, hầu hết công việc được thực hiện bởi máy chủ trung tâm và các máy khách chỉ tương tác khi cần thiết.
Như vậy, quy trình công việc này cho các ứng dụng như internet là một cách tiếp cận hoàn toàn phù hợp. Tuy nhiên, khi kích thước dữ liệu tăng lên hoặc số lượng máy khách tăng lên thì sẽ xuất hiện các giới hạn nhất định về hiệu năng hoạt động của hệ thống. Trong ví dụ trên, cổng kết nối IoT và máy ảo VM hoạt động như các điểm tắc nghẽn tập trung.