Następna generacja rozwiązań CDN: szczegółowa analiza tego, jak akceleracja na poziomie krawędzi może zmienić wydajność sieci.

W dzisiejszej erze cyfrowej, gdy kluczowym celem jest osiągnięcie najwyższej jakości użytkowniczego doświadczenia, tradycyjne, centralizowane architektury Internetu stoją przed poważnymi wyzwaniami. Bez względu na to, czy mówimy o zakupach online, transmisjach na żywo, interakcjach w ramach Internetu rzeczy lub przemysłowym Internetie, nawet najkrótsze opóźnienia w czasie mogą doprowadzić do utraty klientów lub przerw w działaniu usług. Sieci dystrybucji treści (Content Distribution Networks, CDN), jako kluczowa technologia przyspieszania transmisji w poprzedniej generacji sieci, skutecznie zmniejszyły obciążenie serwerów źródłowych i opóźnienia w dostępie do treści, poprzez kierowanie statycznego materiału do położonych w różnych miejscach węzłów na periferii sieci.

Jednak CDN (Content Delivery Network) skupia się przede wszystkim na dystrybucji i kierowaniu statycznym kontentem, a logika obliczeń pozostaje w dużej mierze zlokalizowana w chmurze lub na serwerze źródłowym. Gdy pojawiają się wymagania dotyczące obliczeń w czasie rzeczywistym, personalizowanego obsługiwania, weryfikacji bezpieczeństwa lub inteligentnej interakcji w ramach dynamicznych żądań, użytkownicy muszą nadal komunikować z centralnymi serwerami znajdującymi się w odległych lokalizacjach, co powoduje opóźnienia spowodowane fizyczną odległością. To doprowadziło do zmiany paradigmy z “marginalizacji kontentu” na “marginalizację obliczeń”, a technologie przyspieszania obliczeń na periferii stanowią kluczowy element tej transformacji.

Technologia “edge acceleration” nie polega na prostym wykluczeniu usług CDN (Content Delivery Network), lecz na rozszerzeniu ich możliwości poprzez dodanie funkcji wykonywania kodu i obsługi danych w czasie rzeczywistym na położonych w sieci punktach dostępu (edge nodes). Część lub cała logika obliczeń aplikacji jest przenoszona na te punkty, znajdujące się w odległości jednego „przejścia” od użytkownika, co umożliwia przetwarzanie danych i podejmowanie decyzji w miejscu ich powstania. To znacząco przekracza ograniczenia wydajności tradycyjnych architektur.

Polecamy lekturę. Analiza technologii przyspieszania obsługi na krawędzi sieci: jak osiągnąć maksymalną dystrybucję treści i aplikacji oraz optymalizację ich wydajności。

Podstawowa architektura i zasady działania akceleratora krawędziowego.

Architektura przyśpieszania na granicach sieci można pojąć jako rozprostowaną, lekką platformę obliczeniową budowaną na obwodnicy istniejącej sieci. Jej kluczowa ideja polega na rozszerzeniu mocy obliczeniowej znajdującej się w chmurze na jej periferię.

Rozszerzenie z chmury centralnej do chmury położonej na periferii

Tradycyjna architektura chmur opiera się na modelu “centralnego promieniowania”, w którym cała obliczeniowa moc skupia się w kilku dużych centrach danych. Technologia przyspieszania obliczeń na poziomie “brzegu” (edge computing) tworzy złożoną sieć obliczeniową, rozszerzającą istniejącą strukturę chmur o dodatkowe elementy znajdujące się na całym świecie. Te elementy, nazywane „node’ami na poziomie brzegu”, są mniejsze pod względem rozmiaru i geograficznego rozlożenia; zwykle są umieszczone w centrach wymieniania danych internetowych, na stacjach bazowych lub w lokalnych serwerowniach. Dzięki temu usługi są dostępne w większym odległości od użytkowników, w ich bezpośrednim otoczeniu.

Marginalizacja i dystrybucja mocy obliczeniowej

W ramach tego architektury programiści mogą pakować i dystrybuować funkcje, logikę aplikacji lub mikroservisy, które wcześniej mogły być uruchomione tylko na centralnym serwerze, w formie kontenerów lub bezserwerowych (Serverless) funkcji do lokalnych, “brzegowych” node’ów na całym świecie. Gdy przychodzi żądanie od użytkownika, inteligentny system rozplanowania przekierowuje je do najbardziej odpowiedniego lokalnego node’a na podstawie informacji takich jak lokalizacja użytkownika, obciążenie node’a oraz stan sieci. Obliczenia są wykonywane na miejscu, a wyniki są natychmiast powracane do użytkownika. Cały proces nie wymaga powrotu do centralnego chmurnego serwera, co umożliwia „localizację” obsługi żądań i zamyka cykl wykonywania operacji w lokalnym środowisku.

W połączeniu z technologiami tradycyjnych platform CDN (Content Delivery Networks)

W praktyce dojrzałe platformy do przyspieszania obsługi na periferii są często ściśle integrowane z systemami typu CDN (Content Delivery Network). Statyczne zasoby są przyspieszane za pomocą cache’u w CDN, natomiast dynamiczne żądania są obsługiwane za pomocą logiki obliczeń realizowanych na periferii. Obie te technologie istnieją w ramach tej samej infrastruktury i są zarządzane za pomocą jednego API oraz platformy rozwoju, co umożliwia użytkownikom korzystanie z integrowanego rozwiązania, które przyspiesza zarówno dostęp do treści, jak i procesy obliczeniowe.

Kluczowe zmiany w wydajności wynikające z technologii przyspieszania na krawędzi ekranu

Wdrożenie rozwiązań przyśpieszających działanie sieci na poziomie „edge” może znacząco wpłynąć na wydajność sieci i aplikacji z kilku różnych aspektów, a ich wartość przewyższa znacznie możliwości simplej optimizacji przepustowości.

Polecamy lekturę. Detalny analiz wykorzystania technologii CDN: zasady, zalety oraz przewodnik po najlepszych praktykach。

Największe zmniejszenie opóźnień i drgań w sieci

To jest najbardziej bezpośredni efekt tej zmiany. Poprzez przeniesienie obliczeń na periferie urządzeń fizyczny szlak przesyłania danych jest znacznie skrócony. W przypadku interaktywnych aplikacji, takich jak gry online, konferencje wideo, transakcje finansowe oraz narzędzia do współpracy w czasie rzeczywistym, opóźnienie zmienia się z setek milisekund na kilka milisekund, co sprawia, że użytkownicze doświadczenie staje się “niewyczuwalne”. Ponadto, ze względu na zmniejszenie liczby przekładów w sieci, znikają problemy z użyciem i nierównomiernością przepływu danych, co poprawia stabilność i przewidywalność połączeń.

Skuteczne zmniejszenie obciążenia serwera źródłowego oraz kosztów przepustowości sieci

Dynamiczne żądania są przetwarzane i odpowiadane na poziomie „brzegu” (edge), a komunikacja z centralnym chmurą odbywa się tylko w przypadku koniecznej synchronizacji danych (np. aktualizacji w bazie danych). Dzięki temu można wyeliminować ponad 901 TB danych przepływających z źródła do serwera („back-to-source traffic”), co skutecznie zmniejsza ryzyko przeciążenia źródłowych serwerów podczas szczytów obciążenia aplikacji. Ponadto, ponieważ dużo danych jest generowanych i wykorzystywanych na poziomie „brzegu”, znacząco zmniejsza się koszt wykorzystania przepustowości łącza z centralnym chmurą.

Udostępnienie jednolitego doświadczenia korzystania z produktu na całym świecie (w zakresie wydajności).

W przypadku biznesów globalnych żądania użytkowników, niezależnie od tego, gdzie się znajdują, mogą być obsługiwane przez lokalne lub sąsiednie serwery („edge nodes”). Dzięki temu użytkownicy z Tokio i Nowego Jorka mogą korzystać z identycznie niskiej latencji i wysokiej wydajności usług, co stanowi sprawiedliwą techniczną podstawę dla działania firm na świecie i umożliwia pokonanie bariier wynikających z różnic geograficznych.

Wzmocnienie zabezpieczeń i przestrzegania wymagań dotyczących prywatności

Nodey położone na periferii mogą wykonywać takie zabezpieczające procedury, jak filtrowanie treści wejściowych przez Web Application Firewall, eliminacja ataków typu DDoS oraz zarządzanie botami, zanim żaden żądanie dotrze do serwera źródłowego. Atakowy ruch jest przerywany i rozrzedzany na poziomie tych node’ów, co poprawia ogólną bezpieczeństwo systemu oraz zmniejsza obciążenie na centralne zasoby sieci. Ponadto aplikacje wymagające obsługi danych wrażliwych (np. rozpoznawania twarzy) mogą przeprowadzać cały proces obработки na poziomie periferii, a wyniki po anonimizacji są wysyłane tylko do chmury. To sprawia, że aplikacje lepiej spełniają wymogi regulacji dotyczących lokalnego przechowywania i przetwarzania danych, np. GDPR.

Głównie stosowane scenarii i przypadki wykorzystania technologii przyspieszania na krawędzi (edge acceleration):

Charakterystyki technologii przyspieszania na krawędzi sprawiają, że jest ona koniecznym lub preferowanym rozwiązaniem w wielu najnowszych dziedzinach.

Interakcja w czasie rzeczywistym w scenariach audio i wideo

W scenariach edukacji online, konferencji wideo oraz transmisji na żywo konieczne jest w czasie rzeczywistym przekodowanie, miksowanie, ulepszenie jakości dźwięku i obrazu oraz redukcja hałasu w strumach audio i wideo. Umieszczenie tych wymagających dużych obliczeń zadań na nodach położonych na periferii sieci umożliwia uzyskanie bardzo niskiej latencji od początku do końca transmisji, co zapewnia prawdziwą interakcję w czasie rzeczywistym. Na przykład podczas międzynarodowej transmisji na żywo widzowie z różnych miejsc mogą otrzymywać streamy dostosowane do warunków ich sieci, co gwarantuje bezproblemową oglądanie bez żadnych przeryw.

Polecamy lekturę. Jak technologia Edge Acceleration zmienia oblicze sieci internetowej w czasach współczesnych: dogłębny analiz jej zasad technicznych i kluczowych zalet。

Internet rzeczy i inteligentna przemysłowa produkcja

W obszarze Internetu Rzeczy (IoT) ogromne ilości danych generowanych przez urządzenia wymagają analizy i odpowiedzi w czasie rzeczywistym na miejscu. Na przykład pojazdy z autonomicznym sterowaniem muszą wymieniać informacje o stanie drogi z serwerami położonymi na periferii w ciągu milisekund; dane z sensorów w inteligentnych fabrykach muszą być analizowane w czasie rzeczywistym, aby przewidzieć awarie urządzeń lub dostosować procesy produkcji. Technologia przyspieszania obliczeń na poziomie periferii („edge acceleration”) spełnia surowe wymogi IoT, takie jak niska latencja, wysoka niezawodność oraz ochrona prywatności.

Personalizacja szybkości działania witryn internetowych i API

Strony e-handlu mogą dynamycznie generować personalizowane witryny startowe lub listy z rekomendacjami produktów na bazie historii zachowania użytkowników na nodach położonych blisko użytkowników, bez konieczności każdorazowego wyszukiwania danych w centralnej bazie danych. Podobnie interfejsy API w aplikacjach mobilnych i aplikacjach typu SPA (Single Page Applications) mogą być implementowane na tych nodach, co umożliwia szybką odpowiedź na każde żądanie danych, znacząco poprawiając czas ładowania pierwszej strony aplikacji oraz płynność interakcji.

Rendersowanie na krawędzi ekranu (edge rendering) i gry w chmurze (cloud gaming)

To typowy przykład scenarija wymagającego intensywnych obliczeń. Zadania renderowania gry lub złożonych aplikacji są przeprowadzane na serwerach położonych na periferii sieci, a na urządzeniach użytkownika wystarczy odbierać kodowany strumień wideo i dekodować go do wyświetlenia. Dzięki temu nawet lżejsze urządzenia, takie jak telefony komutowane czy telewizory, mogą obsługiwać gry z wysokim poziomem wydajności (klasy 3A). Serwery położone na periferii sieci są odpowiedzialne za częste komunikacje z użytkownikiem oraz za realizację procesów renderowania w czasie rzeczywistym, co jest kluczowym elementem gwarantującym płynną i bezproblemową eksperiencję gry w chmurze.

Wyzwania i rozważania związane z wdrożeniem akceleracji na poziomie krawędzi.

Niezależnie od szerokich możliwości, migracja aplikacji do architektury przyśpieszania na periferii stwarza szereg technicznych i zarządzania wyzwań.

Transformacja i adaptacja architektury aplikacji

Tradycyjne aplikacje monolitarne lub bazujące na mikrosercwach nie zostały zaprojektowane z myślą o rozproszonym obliczeniu na granicach sieci („edge computing”). Programiści muszą rozdzielić aplikację na części, identyfikując te komponenty, które są wrażliwe na opóźnienia i mogą zostać umieszczone na granicach sieci, a te, które są kluczowe dla przetwarzania danych i muszą zostać zachowane w centralnym chmurze. To wymaga rozwiązania złożonych problemów, takich jak zarządzanie usługami, zarządzanie stanem systemu oraz utrzymanie jednolikowości danych. Aby to osiągnąć, konieczna jest ewolucja aplikacji w stronę bardziej „cloud-native” lub „serverless” architektur.

Używanie złożonych systemów rozproszonych wymaga skutecznego zarządzania ich złożonością.

Używanie aplikacji, która działa na setkach węzłów po całym świecie, jest znacznie bardziej złożone niż zarządzanie aplikacją centralizowaną. Agregacja logów, zbieranie metryk monitoringu, jednolite wdrożenie aplikacji oraz aktualizowanie jej wersji, a także wykrywanie i lokalizacja problemów wymagają nowych narzędzi i podejść do obsługi systemu. Zgodność platformy, jej możliwość monitorowania oraz łatwość obsługi stanowią ogromne wyzwania.

Rozszerzanie się ryzyk związanych z bezpieczeństwem i compliance

Krawędzowe node znajdują się w bardziej otwartym środowisku sieciowym, więc ich bezpieczeństwo fizyczne oraz kontrole dostępu mogą nie być tak surowe jak w centralnych centrach danych. Zagrożenia rosną wraz z rozprostieraniem się node’ów. Dlatego konieczne jest wdrożenie silniejszych zabezpieczeń, skanowania bezpieczeństwa, kontroli dostępu na poziomie detali oraz modeli sieci z zasadą „zero trust” (bez wierzenia w autentyczność użytkowników).

Ocenienie i optymalizacja modelu kosztów

Używanie zasobów w obliczeniach na marginesie może być inne niż w centralnym chmurze i jest mierzone zwykle według kilku kryteriów, takich jak liczba żądań, czas trwania obliczeń oraz ilość przesyłanych danych. Podmioty realizujące działalność biznesową muszą stworzyć nowe modele kosztów, dokładnie analizować obciążenie systemu, optymalizować efektywność kodu oraz uniknąć nieplanowanych wydatków spowodowanych powolnym startem systemu, niewłaściwym przydzielaniem zasobów lub niską efektywnością kodu.

Podsumowanie.

Przyspieszenie na granicach sieci stanowi istotną ewolucję architektury sieci od modelu opartego na infrastrukturze do modelu skupionego na doświadczeniu użytkownika. Poprzez włączenie inteligencji obliczeniowej w najbardziej periferyczne części sieci możliwe jest bezproblemowe rozszerzenie zasobów dostępnych w chmurze bezpośrednio do użytkowników. To umożliwia przekroczenie granic ograniczeń dotyczących tylko przyspieszania treści i obejmowanie wszystkich aspektów interakcji online. Ta technologia nie tylko rozwiązuje problem opóźnień, ale także sprzyja rozwojowi nowej generacji aplikacji, takich jak interakcje w czasie rzeczywistym, Internet rzeczy oraz personalizowane doświadczenia użytkownika.

W obliczu rosnących wymagań stającego się coraz bardziej złożonego świata cyfrowego, przyspieszanie na poziomie edge („edge acceleration”) stało się kluczową technologią przy budowaniu konkurencyjnych usług cyfrowych. Choć to powoduje zwiększoną złożoność architektury i nowe wyzwania, ogromne zalety w zakresie wydajności, kosztów oraz potencjalu innowacyjnego skutkują tym, że coraz większą liczbę firm preferuje rozwiązania bazujące na tej technologii jako element centralny w swojej strategii technicznej. W przyszłości, wraz z dalszym połączeniem technologii 5G, AI i obliczeń na poziomie edge, przyspieszanie na poziomie edge stanie się niewidzialnym „kościelnym szkieletem”, który będzie stanowić podstawę dla inteligentnego świata złączonego wszystkich rzeczy.

FAQ – najczęściej zadawane pytania.

Jaka jest główna różnica pomiędzy technologią przyspieszania obsługi na krawędzi (edge acceleration) a usługą CDN (Content Delivery Network)?

Podstawa CDN (Content Delivery Network) polega na kierowaniu i dystrybucji wcześniej przygotowanego, statycznego zawartości (obrazów, nagrań wideo, dokumentów itd.). Cel jest taki, aby użytkownicy otrzymywali kopie tych elementów z najbliższego serwera, co zmniejsza czas potrzebny na ich pobranie. CDN stanowi pasywną, zawartościowo orientowaną sieć kierowania.

Podstawa technologii przyspieszania na poziomie edge (“edge acceleration”) polega na dostarczeniu mocy obliczeniowej, która umożliwia dynamiczne wykonywanie kodu, obsługę żądań oraz generowanie treści na lokalnych, “brzegowych” nodach sieci. Jest to aktywna, obliczeniowo orientowana środowisko działania, zdolne do obsługi dynamicznych scenariów, takich jak personalizacja i interakcje w czasie rzeczywistym – scenariów, które nie mogą być zrealizowane za pomocą standardowych rozwiązań typu CDN. Krótko mówiąc: CDN przyspiesza to, co już istnieje, natomiast technologia przyspieszania na poziomie edge tworzy to, co jest „w tym momencie” potrzebne użytkownikowi.

Moja firma już korzysta z usług CDN (Content Delivery Network), czy potrzebuję dodatkowo rozszerzenia szybkości dostawki treści na poziomie „edge acceleration”?

Zależy to od charakteru Twojego biznesu. Jeśli Twoja witryna internetowa lub aplikacja zawierają w większości statyczne treści i użytkownicy mają dobrze świadomyą przyjemność korzystania z nich, to CDN może wystarczyć. Jeśli jednak Twoja działalność obejmuje dużą liczbę żądań API, personalizowanych stron po logowaniu użytkowników, wyszukiwania w czasie rzeczywistym, wysyłania formularzy, interakcji z Internetem rzeczy (IoT) lub jakichkolwiek innych funkcji wymagających natychmiastowej odpowiedzi ze strony serwera, to takie dynamiczne żądania nie mogą zostać skutecznie zakomponowane w cache obsługiwanym przez CDN.

W tych przypadkach wdrożenie technologii przyspieszania na poziomie „edge” umożliwia obsługę tej dynamicznej logiki bezpośrednio na lokalnym serwerze, dzięki czemu użytkownicy mogą korzystać z takiego samego prędkiego dostępu do treści, jak przy oglądaniu statycznych elementów. Obie te metody są wzajemnie uzupełniające; w nowoczesnych rozwiązaniach często łączy się możliwości CDN (Content Delivery Network) z zaletami obliczeń na poziomie „edge”.

Czy konieczne jest przepisanie całego aplikacji, aby zrealizować wdrożenie technologii przyspieszania działania na poziomie „edge acceleration”?

Zwykle nie konieczne jest całkowite przepisanie kodu, ale wymagają się zmian w architekturze i dostosowania aplikacji. Kluczowym elementem jest rozłączenie poszczególnych modułów aplikacji (decoupling). Trzeba wybrać te części logiki, które są wrażliwe na opóźnienia w działaniu, które nie wymagają przechowywania stanu lub które mogą pracować niezależnie (np. autentyfikacja użytkowników, generowanie personalizowanego zawartości, testy typu A/B, logika bramek API, automatyczna optimizacja zdjęć itd.) i przekonstruować je w formie niezależnych funkcji lub mikusług.

Następnie te moduły są wdrożone na platformę obliczeń na marginesie (edge computing). Podstawowa logika biznesowa oraz warstwa przechowywania danych pozostają zwykle w centralnym chmurze. Proces migracji może być realizowany stopniowo, zaczynając od najważniejszych problemów związanych z wydajnością.

Jak technologia Edge Acceleration gwarantuje spójność i bezpieczeństwo danych?

Jeśli chodzi o spójność danych, architektura typu „edge” (brzegowa) często polega na zapisywaniu danych z powrotem do centralnego serwera. Node’y typu „edge” obsługują żądania i mogą przechowywać dane w pamięci cache, ale autentyczne źródło informacji oraz utrzymanie ich spójności odbywa się w centralnej bazie danych. W scenariach wymagających wysokiej spójności żądania mogą być przekierowane do centralnego serwera lub używać się rozproszonych rozwiązań synchronizacji danych.

Pod względem bezpieczeństwa zaufane platformy obliczeń na brzegu oferują wszechstronne zabezpieczenia: wzmocnienie fizycznych elementów systemu, izolację środowiska obliczeniowego, skanowanie kodu i obrazów w celu wykrycia potencjalnych zagrożzeń, a także pełną integrację mechanizmów kontroli dostępu i autentyzacji użytkowników. Ponadto, ponieważ zasady bezpieczeństwa mogą być wdrożone bezpośrednio na poziomie urządzeń znajdujących się na brzegu, to potencjalne zagrożenia można wykrywać wcześniej, co daje dodatkową ochronę dla serwerów źródłowych.