Processori cloud-native e edge computing

Nel 2018, solo il 10% di tutti i dati generati dalle aziende è stato creato ed elaborato al di fuori di un cloud o data center centralizzato. Entro il 2025, questa cifra dovrebbe raggiungere l’incredibile cifra del 75%.

Poiché la maggior parte dell’elaborazione si sposta verso i confini della rete, l’edge computing sta diventando sempre più cloud-native. I principi nativi del cloud consentono a un dispositivo edge di elaborare in modo efficiente i dati a livello locale, riducendo la latenza e migliorando le capacità decisionali in tempo reale.

Questo articolo è un'introduzione all'edge computing cloud-native che spiega come il software cloud-native sta cambiando ciò che le organizzazioni possono fare ai margini della rete. Entra per scoprire i principali vantaggi e le sfide derivanti dall'applicazione di pratiche cloud-native agli ambienti di edge computing.

Cosa significa cloud-native?

Cloud-native è un termine per software progettato per sfruttare appieno le risorse del cloud computing. Una tipica applicazione nativa del cloud è creata come una raccolta di microservizi liberamente accoppiati, ognuno dei quali è un'unità autonoma su cui è possibile lavorare, distribuire e scalare in modo indipendente.

Un'architettura nativa del cloud consente agli sviluppatori di creare e gestire app in modo più efficiente. Ecco i principali vantaggi del design cloud-native:

• Scalabilità. L'architettura cloud-native si adatta dinamicamente in base alla domanda. Le app gestiscono carichi di lavoro variabili in modo efficace, garantendo un utilizzo ottimale delle risorse e riducendo i costi IT.
• Elevata agilità. I microservizi promuovono l'agilità aziendale. Gli sviluppatori possono lavorare su componenti software più piccoli e indipendenti, consentendo cicli di sviluppo e rilasci più rapidi.
• Resilienza. Le piattaforme di orchestrazione per le app native del cloud forniscono funzionalità per il ripristino automatico, l'autoriparazione e la distribuzione del carico di lavoro.
• Coerenza. Le app cloud-native presentano livelli elevati di coerenza tra ambienti di sviluppo, test e produzione.
• Sicurezza. I microservizi forniscono isolamento tra i componenti dell'app, mentre gli strumenti nativi del cloud offrono funzionalità integrate che migliorano il livello di sicurezza (ad esempio, RBAC e aggiornamenti automatizzati).

Cloud-native ha significati leggermente diversi a seconda del contesto. Per gli amministratori IT, cloud-native significa gestire l'infrastruttura come codice (IaC), mentre gli sviluppatori di software in genere associano il termine a tecniche per scrivere app portatili cloud-native. Nel contesto delle CPU, un processore nativo del cloud è un componente hardware ottimizzato per l'esecuzione di app native del cloud.

Vantaggi del cloud nativo per l'edge computing

Il concetto centrale dell’edge computing è elaborare i dati più vicino o alla fonte di generazione dei dati. Le pratiche native del cloud migliorano l'efficienza dell'elaborazione edge, rendendo le app native del cloud una scelta naturale per i casi d'uso edge con un'elevata elaborazione.

Di seguito è riportato uno sguardo più approfondito ai principali vantaggi dell’edge computing cloud-native.

Utilizzo efficiente delle risorse

I principi nativi del cloud ottimizzano l’uso delle risorse informatiche negli ambienti edge. Una tipica architettura nativa del cloud sfrutta contenitori, ambienti di runtime leggeri e isolati per le app.

I contenitori sono una tecnologia per creare pacchetti e distribuire app. Garantiscono un'implementazione coerente e affidabile in ambienti diversi incapsulando quanto segue in un unico pacchetto:

• Il codice eseguibile che costituisce la funzionalità dell'app.
• Le dipendenze richieste affinché il codice venga eseguito senza problemi.
• Librerie che forniscono funzionalità essenziali e supportano l'esecuzione del codice.
• Tutti gli strumenti e le impostazioni di sistema necessari.

I contenitori condividono il kernel del sistema operativo dell'host, riducendo il sovraccarico associato alla virtualizzazione e consentendo un utilizzo efficiente delle risorse. Questa funzionalità è molto vantaggiosa nell'edge computing, dove la potenza di elaborazione e l'archiviazione dei dati sono limitate.

L'orchestrazione dei contenitori aiuta anche con l'allocazione delle risorse. Gli strumenti di orchestrazione assegnano le risorse in base ai requisiti dell'app, garantendo che ogni contenitore ottenga le risorse necessarie senza provisioning eccessivo o insufficiente.

L’utilizzo efficiente delle risorse si traduce direttamente in risparmi sui costi. I risparmi sono particolarmente evidenti quando i dispositivi edge operano in luoghi remoti o con risorse limitate.

Scalabilità automatica dinamica

I principi nativi del cloud migliorano la capacità di scalabilità e adattamento alle diverse esigenze. I microservizi semplificano l'aumento o la riduzione delle istanze in base alle modifiche del carico di lavoro e ai requisiti attuali.

Il ridimensionamento dinamico consente a un sistema edge di adattare automaticamente la propria capacità in risposta ai cambiamenti della domanda. Durante i periodi di picco di utilizzo o gli aumenti improvvisi dei requisiti di elaborazione, il sistema è scalabile per gestire il carico aggiuntivo. Durante i periodi di bassa domanda, il sistema si ridimensiona per risparmiare risorse.

Ecco alcuni casi d'uso edge in cui la scalabilità automatica dinamica è estremamente vantaggiosa:

• In un'app per città intelligenti, il dispositivo periferico che gestisce il monitoraggio del traffico può scalare dinamicamente i propri microservizi per una maggiore elaborazione durante le ore di punta e ridurli di notte.
• Negli stabilimenti di produzione che sfruttano l'IIoT, i dispositivi periferici che monitorano i macchinari possono scalare la lavorazione in base al carico di produzione.
• I dispositivi edge nelle app sanitarie possono scalare durante le emergenze o eventi sanitari critici. La riduzione delle dimensioni in condizioni normali aiuta a preservare la durata della batteria del dispositivo.
• I dispositivi Edge per la videosorveglianza possono scalare le capacità di elaborazione durante eventi o situazioni che richiedono un'analisi video intensiva (ad esempio, grandi folle o avvisi di sicurezza). Durante i periodi di quiete, il sistema si ridimensiona per risparmiare risorse.

Le app edge native del cloud possono scalare orizzontalmente all'edge e verticalmente nel cloud, garantendo un'architettura unificata e flessibile che si estende su più posizioni e strategie di distribuzione.

Elevata tolleranza ai guasti

L'architettura distribuita e i microservizi ridondanti garantiscono il funzionamento continuo anche in caso di interruzioni della rete o guasti dei dispositivi. Un'elevata tolleranza agli errori è fondamentale negli scenari in cui i dispositivi edge sono inclini a:

• Connettività inaffidabile o intermittente.
• Guasti hardware.
• Condizioni ambientali avverse.

La progettazione distribuita delle app native del cloud migliora la resilienza impedendo che i singoli punti di errore (SPOF) interrompano l'intero sistema. Se un microservizio riscontra un problema o va offline, i servizi rimanenti continuano a funzionare in modo indipendente.

L’edge computing nativo del cloud incorpora vari metodi per garantire il funzionamento continuo. Si stanno impostando le tre strategie di riferimento:

• Istanze duplicate di componenti critici e microservizi.
• Modelli di comunicazione resilienti (ad esempio, interruttori automatici o nuovi tentativi).
• Percorsi ridondanti per la trasmissione dei dati.

I meccanismi di ripristino automatizzato aumentano anche la tolleranza agli errori. Gli strumenti di orchestrazione come Kubernetes rilevano automaticamente anomalie o guasti e avviano azioni correttive. Ad esempio, se un microservizio su un dispositivo edge presenta un improvviso aumento dei tassi di errore, il sistema di orchestrazione sostituisce automaticamente l'istanza problematica con una sana.

Una spinta alla sicurezza edge

L’edge computing nativo del cloud porta a un approccio di sicurezza più solido negli ambienti edge in cui i dispositivi hanno spesso diversi livelli di affidabilità. Ecco come il design cloud-native rende l'edge computing più sicuro:

• Ogni microservizio opera all'interno di un contenitore separato, limitando il potenziale impatto degli incidenti di sicurezza.
• La natura isolata dei contenitori fa sì che una vulnerabilità o un difetto in un componente non influenzi altre parti del sistema.
• L'isolamento rende difficile agli intrusi spostarsi lateralmente da un contenitore all'altro.
• La natura leggera dei contenitori consente una rapida implementazione delle patch di sicurezza.

Il design modulare dell’edge computing nativo del cloud consente inoltre un controllo granulare degli accessi e un’autenticazione. Ogni microservizio può avere una propria policy di sicurezza, che riduce la superficie di attacco e minimizza l’impatto delle violazioni.

Distribuzioni e aggiornamenti rapidi

I principi nativi del cloud consentono un'implementazione fluida degli aggiornamenti in ambienti edge dinamici e distribuiti. L'integrazione continua (CI) e la distribuzione continua (CD), due concetti fondamentali dello sviluppo cloud-native, sono le ragioni per implementazioni e aggiornamenti rapidi:

• La CI implica l'integrazione regolare delle modifiche al codice in un repository condiviso. Garantisce che nuove funzionalità, correzioni di bug o miglioramenti siano continuamente testati e convalidati per ridurre la probabilità di problemi di integrazione.
• CD automatizza il processo di distribuzione delle modifiche al codice convalidato in un ambiente di produzione.

Negli scenari edge, in cui i dispositivi hanno spesso configurazioni diverse, la CI diventa fondamentale per mantenere la coerenza e l'affidabilità delle app. D'altro canto, il CD consente a un'organizzazione di rilasciare aggiornamenti in modo rapido e affidabile sui dispositivi edge.

Le app edge native del cloud spesso sfruttano gli aggiornamenti in sequenza, una strategia che sostituisce gradualmente le vecchie istanze con nuove versioni. Questa tattica riduce al minimo i tempi di inattività e garantisce un funzionamento continuo.

Gli aggiornamenti OTA (Over-the-Air) sono rilevanti anche negli scenari edge poiché consentono a un team di aggiornare e gestire in remoto il software sui dispositivi edge. Gli aggiornamenti OTA sono vitali in settori come quello manifatturiero, dove un dispositivo edge in fabbrica deve ricevere aggiornamenti senza interrompere il processo di produzione.

Prestazioni migliorate

I principi nativi del cloud, combinati con un'attenta progettazione della rete, garantiscono una connettività affidabile e a bassa latenza in ambienti edge dinamici.

L’edge computing nativo del cloud si basa su protocolli di comunicazione su misura per interazioni edge efficienti. I due protocolli di riferimento sono:

• MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). MQTT è un protocollo di messaggistica leggero ed efficiente progettato per dispositivi con limitazioni e reti a larghezza di banda ridotta, ad alta latenza o inaffidabili.
• CoAP (Constrained Application Protocol). CoAP fornisce una comunicazione leggera adatta agli ambienti edge. Il protocollo garantisce un efficiente scambio di dati preservando la larghezza di banda e riducendo al minimo la latenza.

Anche l’elaborazione decentralizzata e l’edge intelligence migliorano le prestazioni. Un dispositivo edge nativo del cloud possiede le capacità computazionali per eseguire elaborazioni locali avanzate, che riducono al minimo la necessità di frequenti trasferimenti di dati e riducono la congestione della rete.

Il bilanciamento del carico dinamico è un altro contributo all'aumento delle prestazioni. I bilanciatori del carico distribuiscono il traffico su più dispositivi edge o istanze di microservizi, prevenendo colli di bottiglia della rete. In scenari come le reti intelligenti, in cui i dispositivi monitorano e controllano la distribuzione dell’energia, il bilanciamento del carico garantisce che la rete possa gestire le fluttuazioni della domanda mantenendo prestazioni ottimali.

Risparmio sui costi IT

L’utilizzo efficace delle risorse informatiche ha un impatto diretto sulla fattibilità economica della distribuzione di app in un ambiente edge. Ecco una panoramica di come l'edge computing cloud-native riduce le spese IT:

• La scalabilità automatica consente a un'app di adattarsi a carichi di lavoro variabili allocando automaticamente le risorse in base alla domanda attuale. I dispositivi Edge utilizzano in modo efficiente le risorse durante i periodi di attività elevata e prevengono costi inutili durante i periodi di inattività.
• La natura leggera dei contenitori riduce al minimo i costi generali. È possibile eseguire più contenitori su un singolo dispositivo senza compromettere le prestazioni, in modo da massimizzare l'utilizzo delle risorse disponibili senza costose duplicazioni.
• Le organizzazioni possono utilizzare il serverless computing e pagare solo per le risorse di elaborazione effettive consumate durante l'esecuzione di funzioni o servizi. Questo modello pay-as-you-go è particolarmente vantaggioso negli scenari edge con picchi di calcolo sporadici.
• Le app edge native del cloud utilizzano il filtraggio, l'aggregazione e la compressione dei dati a livello locale. Queste funzionalità riducono al minimo la quantità di dati che devono attraversare la rete, riducendo le spese di larghezza di banda.

Le sfide del cloud nativo per l'edge computing

I principi nativi del cloud offrono numerosi vantaggi per l’edge computing, ma questa strategia di implementazione presenta alcuni svantaggi da conoscere. Ecco le principali sfide dell’edge computing cloud-native:

• Risorse limitate sui dispositivi periferici. Un tipico dispositivo periferico ha potenza di elaborazione, memoria e spazio di archiviazione limitati. La distribuzione di un'app nativa del cloud su un dispositivo di questo tipo richiede un'attenta containerizzazione per ridurre al minimo l'impatto sulle prestazioni.
• Preoccupazioni legate alla rete. Chi adotta l'edge computing cloud-native deve progettare app che funzionino in modo efficace entro i limiti della latenza di rete e della larghezza di banda limitata.
• Diversi ecosistemi di dispositivi. Le variazioni nell'hardware, nei sistemi operativi, nei protocolli, nelle interfacce e nelle funzionalità tra i dispositivi edge rappresentano una sfida per un'implementazione uniforme. Sviluppare un'app nativa del cloud che funzioni perfettamente su diversi tipi di dispositivi edge è una sfida comune.
• Complessità dell'orchestrazione. Orchestrare e automatizzare i microservizi in un ambiente edge distribuito è complesso se il caso d'uso coinvolge un numero elevato di dispositivi.
• Governance dei dati. L'implementazione di soluzioni edge native del cloud richiede un attento equilibrio tra l'elaborazione dei dati a livello locale per garantire efficienza e la garanzia della conformità alle leggi sulla protezione dei dati e sulla privacy.
• Variabilità ambientale. Gli ambienti periferici sono altamente variabili, con fattori come temperatura, umidità e disponibilità di alimentazione che influenzano le prestazioni del dispositivo. I team spesso hanno difficoltà a progettare app cloud-native che si adattino a tale variabilità.

Innovazione dei processori nativi cloud

Un processore nativo del cloud è una CPU per uso generico progettata per l'esecuzione di carichi di lavoro e app nativi del cloud. Questi processori ad alta efficienza energetica possono gestire attività avanzate localmente, riducendo la necessità di una comunicazione costante con un server di elaborazione centrale.

Ecco cosa rende un processore cloud-native una scelta eccellente per l'implementazione ai margini della rete:

• Basso consumo energetico. I dispositivi Edge sono spesso alimentati da batterie o hanno un accesso limitato alle fonti di alimentazione. I processori nativi del cloud sono efficienti dal punto di vista energetico e possono funzionare per periodi prolungati senza esaurire la fonte di alimentazione del dispositivo.
• Prestazioni elevate. Il mix di design a thread singolo, cache di grandi dimensioni e struttura non bloccante garantisce che i processori nativi del cloud forniscano prestazioni sufficienti e prevedibili.
• Funzionalità Edge AI e inferenza. I processori cloud-native con funzionalità integrate per Edge AI e inferenza consentono ai dispositivi di eseguire analisi in tempo reale senza utilizzare risorse cloud.
• Ottimizzazione del carico di lavoro. Gli adottanti possono ottimizzare un processore cloud-native per carichi di lavoro o attività specifici comunemente presenti nelle app edge (ad esempio elaborazione di immagini o analisi dei dati dei sensori).
• Funzionalità di sicurezza integrate. Un tipico processore cloud-native dispone di diverse preziose funzionalità di sicurezza, come la crittografia basata su hardware o meccanismi di avvio sicuro.

Molte architetture di edge computing utilizzano processori cloud-native come gateway edge. Un gateway funge da intermediario tra i dispositivi periferici e il server centrale. I gateway edge devono gestire in modo efficiente la comunicazione, l'aggregazione dei dati e l'elaborazione locale, motivo per cui molte organizzazioni utilizzano processori nativi del cloud come gateway edge.

Utilizza l'edge computing cloud-native per fare di più ai margini della rete

I principi e i processori nativi del cloud espandono ciò che i dispositivi edge possono fare prima di inviare i dati ai server on-premise o nel cloud. Gli adottanti migliorano le capacità delle loro implementazioni edge, risparmiando allo stesso tempo sui costi a lungo termine grazie all'utilizzo efficiente e al minor numero di trasferimenti di dati. Se il tuo caso d'uso richiede un'elaborazione adeguata, l'edge computing cloud-native è un investimento semplicissimo.