Анализ технологий ускорения передачи данных на периферийных узлах: как использовать периферийные узлы для повышения производительности мировых сетей

В условиях все более глобализирующихся интернет-приложений требования пользователей к низкой задержке и высокой доступности данных достигли беспрецедентного уровня. Традиционные централизованные облачные модели обработки данных сосредотачивают всю нагрузку на нескольких крупных центрах хранения данных, в результате чего пользователи, находящиеся вдали от этих центров, сталкиваются с значительными задержками в передаче информации. В связи с этим появилась технология ускорения работы приложений на периферии (edge acceleration): она позволяет распределять ресурсы (обработку, хранение данных, сетевые связи) ближе к пользователям и источникам их генерации, тем самым повышая производительность, улучшая пользовательский опыт и создавая более надежные архитектуры приложений.

Что такое краевое ускорение?

Модель ускоренного обслуживания на периферии (Edge Acceleration) представляет собой парадигму сетевой архитектуры, суть которой заключается в переносе процессов доставки контента, выполнения логики приложений и даже части обработки данных с централизованных облачных серверов на расположенные по всему миру периферийные узлы. Эти узлы обычно находятся в точках доступа к сети интернет-провайдеров (ISP), в городских центрах обработки данных или в специализированных объектах для периферийных вычислений.

Благодаря физическому сокращению расстояния между пользователем и сервером технология краевой обработки данных (edge computing) позволяет значительно уменьшить количество сетевых пересылок, необходимых для передачи информации, тем самым снижая задержки в сети. Для приложений, требующих реального времени (онлайн-игры, видеоконференции, управление устройствами Интернета вещей) даже сокращение задержки на несколько десятков миллисекунд может привести к качественному улучшению пользовательского опыта.

Рекомендуемое чтение Исследование технологий ускорения данных на периферии: как использовать расчеты на периферии для повышения производительности сетей и приложений во всем мире。

Связь и различия между ускорением на периферии и CDN.

Сети распределения контента (CDN – Content Delivery Networks) часто считаются ранней формой технологий ускорения работы веб-сервисов на периферийных узлах. Традиционные CDN-системы сосредотачивались в основном на кэшировании и быстром распространении статического контента (изображений, видео, файлов CSS/JavaScript). Путем хранения копий контента на периферийных узлах пользователи могли получать данные с наиболее близкого узла, что снижало нагрузку на исходный сервер и ускоряло процесс загрузки страниц.

CDN от bunny.net

Ежемесячные платежи начинаются всего от 1 доллара, при этом плата за услуги не скрывается. Среди особенностей - постоянное кэширование, мониторинг в реальном времени, защита от DDoS и бесплатные SSL-сертификаты, оптимизация для потокового видео и гибкая модель тарификации за использование.

Не требуется кредитная карта, бесплатная 14-дневная пробная версия

Посетите CDN bunny.net →

Cloudways Cloudflare Enterprise

Ценовой план Cloudflare для корпоративных CDN/WAF составляет 4,99 USD/месяц за домен для 5 доменов, включая 100 ГБ трафика, и 0,02 USD/ГБ за все, что сверх этого.

100 ГБ бесплатного трафика на домен

Доступ к Cloudways Cloudflare Enterprise →.

Современное понимание технологий ускорения обработки данных на периферийных узлах значительно расширило их возможности по сравнению с традиционными системами CDN (Content Delivery Networks). Эти технологии не только кэшируют статические данные, но и позволяют выполнять на периферийных узлах пользовательский код (то есть осуществлять вычисления на месте), обрабатывая динамические данные, запросы к API, процессы аутентификации пользователей и другие сложные логические операции. Можно сказать, что CDN представляет собой успешный пример применения технологий ускорения обработки данных на периферии в области распространения контента, в то время как сами технологии ускорения обработки данных на периферии представляют собой более широкую архитектуру, позволяющую распределять вычислительные ресурсы так

Ключевые компоненты технологии ускорения работы приложений на краях экрана (edge acceleration):

Типичная архитектура ускорения обработки данных на периферии включает в себя несколько ключевых компонентов: во-первых, это распределенная сеть периферийных узлов, которая является инфраструктурой, обеспечивающей предоставление услуг. Затем идет система интеллектуального маршрутизирования, способная в реальном времени направлять пользовательские запросы на наиболее подходящие периферийные узлы в зависимости от местоположения пользователя, состояния сети и нагрузки на узлы. Далее следует платформа периферийных вычислений, позволяющая разработчикам развертывать и выполнять на узлах легкие функции или приложения. Наконец, существует единый уровень управления и организации, который координирует работу всех периферийных узлов, обеспечивая согласованность и отслеживаемость предоставляемых услуг.

Основные принципы работы краевого ускорения

Улучшение производительности при работе с элементами интерфейса, находящимися на границах экрана, не является чем-то волшебным; за этим стоит серия строгих технических принципов. Понимание этих принципов помогает нам лучше планировать и использовать эту технологию.

Запросы к ресурсам и их интеллектуальное распределение (сcheduling)

Когда пользователь отправляет запрос, такие технологии маршрутизации, как интеллектуальный DNS или Anycast, направляют его к наиболее близкому к пользователю узлу в географическом отношении. Более совершенные системы используют технологии реального времени для анализа задержек, доступности узлов, уровня нагрузки, а также текущего состояния сетевого загружения, чтобы принимать динамические и оптимальные решения о маршрутизации запросов. Весь этот процесс происходит незаметно для пользователя, но обеспечивает, что каждый запрос проходит по “самому короткому и наименее загруженному” пути.

Рекомендуемое чтение Секрет сверхнизкой задержки: как технологии ускорения данных на периферийных узлах меняют пользовательский опыт современных интернет-приложений。

Расчёты на периферии и выполнение логических операций

Для динамических запросов в традиционных моделях необходимо обращаться к центральному дата-центру для обработки запросов и получения результатов. Однако в архитектуре ускорения на периферии часть или вся бизнес-логика приложения может быть представлена в виде легких функций, которые могут быть непосредственно развернуты на периферийных узлах. По прибытии запроса на периферийный узел среда выполнения (например, изолированная среда V8 или реализация WebAssembly) немедленно выполняет эти функции, генерируя динамический ответ. Это полностью устраняет задержки, связанные с передачей данных между пользователем и центральным облаком, обеспечивая настоящую локализованную обработку запросов.

Политика кэширования и синхронизация данных

Эффективная кэш-политика является основой высокой производительности. Крайние узлы используют многоуровневую систему кэширования, которая позволяет хранить не только статические объекты, но и результаты запросов к базам данных, ответы API и другой полудинамический контент. Путем настройки соответствующего срока действия кэш-записей (TTL) и правил кэширования достигается баланс между свежестью данных и скоростью их доступа. Кроме того, с помощью систем хранения данных в формате ключ-значение на крайних узлах или механизмов инкрементального синхронизирования с центральной базой данных обеспечивается их согласованность между различными узлами.

Основные технические преимущества технологии ускорения на краях экрана:

Использование архитектуры ускорения на границах (edge acceleration) позволяет приложениям и бизнес-процессам получать значительные преимущества во многих аспектах.

Максимально низкое время отклика и высокая производительность

Это самое очевидное преимущество: снижение задержек в процессах загрузки веб-страниц, буферизации видеопотоков и вызовов API напрямую приводит к ускорению отвечаемости сайта и улучшению пользовательского опыта. Для электронных магазинов каждое сокращение времени загрузки страницы на 100 миллисекунд может привести к значительному увеличению показателей конверсий; для финансовых торговых платформ низкая задержка является вопросом выживания в конкурентной среде.

Повышенная надежность и доступность

Распределённая архитектура по своей природе обладает высокой доступностью. В случае сбоя в дата-центре или сети определённого региона система интеллектуального маршрутизирования может быстро перенаправить трафик на другие работоспособные узлы, обеспечивая непрерывность работы сервисов. Такая способность к распределению рисков по всему миру значительно превосходит традиционные подходы, предполагающие размещение нескольких резервных экземпляров системы в одном регионе.

Снижение затрат на пропускную способность канала связи и уменьшение нагрузки на серверы-источники данных

Поскольку большинство запросов обрабатывается и на которые отвечается непосредственно на периферийных узлах, в центральный облако передаются только необходимые данные (например, данные из недоступной кэш-памяти или ключевые транзакции, требующие централизованной обработки). Это значительно снижает расходы на выходной трафик и вычислительную нагрузку центрального дата-центра, позволяет сократить его размеры и сосредоточить усилия на обработке основных бизнес-процессов.

Рекомендуемое чтение Исследование технологий ускорения работы на границах сети: как изменить производительность сети и пользовательский опыт。

Повышение уровня безопасности и соблюдения нормативных требований

Крайние узлы могут служить первой линией защиты от угроз. Трафик, связанный с атаками типа DDoS (дистрибутивного отказа в обслуживании), распределяется и фильтруется на уровне крайних узлов, что затрудняет его достижение исходного сервера. Кроме того, такие меры безопасности, как веб-противовирусные системы (WAF), управление роботизированными программами и механизмы аутентификации, могут быть реализованы единообразно на уровне крайних узлов. Что касается соблюдения правил обработки данных, то обработка конфиденциальной информации может производиться исключительно на крайних узлах, расположенных в определенных регионах, что помогает соответствовать законодательным требованиям к локализации хранения данных.

Типичные сценарии применения периферийной обработки данных

Технология ускорения работы приложений на границах экрана (edge acceleration) проникла во все сферы Интернета и обеспечивает работу множества приложений, предъявляющих высокие требования к производительности.

Потоковое вещание в реальном времени и интерактивные прямые трансляции

Видео-on-demand и услуги прямых трансляций являются классическими примерами применения технологий ускорения данных на периферийных узлах сети. Благодаря предварительному кэшированию популярных видеофайлов на таких узлах зрители могут начинать их воспроизведение практически без задержек. Для интерактивных прямых трансляций низкая задержка обеспечивает своевременную передачу комментариев, подарков и других сообщений, что повышает уровень вовлеченности зрителей. Протоколы потоковой передачи данных с сверхнизкой задержкой в сочетании с периферийными узлами открывают возможности для новых форм взаимодействия, таких как облачные игры и удаленная виртуальная

Глобальные веб-сайты и электронная коммерция

Веб-сайты и электронные торговые платформы, обслуживающие пользователей по всему миру, должны решать проблему значительных различий в скорости доступа к контенту в разных регионах. Технология краевого ускорения (edge acceleration) позволяет пользователям из Азии и Северной Америки загружать страницы с товарами и оформлять заказы практически с одинаковой скоростью. Единый, быстрый пользовательский опыт является основой для формирования доверия к бренду на глобальном уровне.

Ускорение работы API и архитектура микросервисов

В современной архитектуре микросервисов фронтенд-приложения могут нуждаться в вызове десятков бэкенд-API. Размещение гейтвеев для этих API, а также некоторых бессостоятельных (без сохранения состояния) сервисов на краевых узлах сети позволяет значительно снизить время отклика при вызовах API и повысить чувствительность фронтенд-приложений к пользовательским действиям. Это особенно важно для мобильных приложений и одностраничных приложений (SPA – Single Page Applications).

Интернет вещей и краевая разведка

В условиях масштабных сценариев использования Интернета вещей передача всех данных в облако для обработки не является ни экономически эффективной, ни практически осуществимой. Архитектура ускорения на периферии позволяет проводить предварительную фильтрацию, очистку данных и их анализ в местах их сбора, расположенных рядом с устройствами; только ценная информация или предупреждения передаются в облако. Это снижает потребление пропускной способности каналов связи и обеспечивает более быстрые локальные решения, например, в системах реального времени промышленной автоматизации.

резюме

Технология ускорения данных на периферии интернета отражает тенденцию эволюции архитектуры интернета от централизованной к распределенной модели. Она позволяет размещать вычислительные ресурсы и контент непосредственно на краях сети, тем самым устраняя проблемы задержек, связанные с физическим расстоянием между пользователями и серверами, и обеспечивая пользователям более быстрый, надежный и безопасный цифровой опыт. Сначала эта технология использовалась для кэширования статического контента, а сегодня она позволяет выполнять на периферии сложные вычислительные операции. Границы ее возможностей постоянно расширяются.

Для разработчиков и архитекторов переход на технологии ускорения обработки данных на периферии означает необходимость изменения подхода к проектированию приложений: от создания приложений, предназначенных для единственной точки развертывания, к разработке приложений, способных к распределенной работе, с управляемым состоянием и глобально настраиваемой архитектурой. С развитием технологий 5G и Интернета вещей ускорение обработки данных на периферии станет неотъемлемой основой для создания следующего поколения приложений с высокой производительностью и надежностью. Это не просто инструмент для оптимизации производительности, но и платформа, способствующая развитию инновационных бизнес-моделей.

Часто задаваемые вопросы

Являются ли технологии ускорения передачи данных на краях сети (edge acceleration) и CDN (Content Delivery Network) одним и тем же?

Это не совсем одно и то же. Традиционные системы CDN (Content Delivery Networks) в основном сосредоточены на кэшировании и распределении статического контента и представляют собой важную часть механизмов ускорения передачи данных на периферийных узлах сети.

Современное ускорение передачи данных на периферийных узлах представляет собой более широкое понятие, которое включает в себя функции CDN (Content Delivery Network) и дополнительно расширяет возможности периферийных вычислений. Это позволяет выполнять пользовательский код, обрабатывать динамические запросы, реализовывать меры безопасности и т. д. на узлах, расположенных ближе к пользователям. Таким образом происходит переход от простой доставки контента к комплексному предоставлению функционала приложений.

Нужно ли переписывать все моё приложение, чтобы развернуть акселерацию на периферии?

Обычно нет необходимости полностью переписывать код. Многие платформы для ускорения работы приложений на периферии разработаны с учетом неинвазивного или минимально инвазивного вмешательства в существующие системы. Например, вы можете начать с перемещения статических ресурсов (изображений, CSS-файлов, JS-кода) на сервисы типа CDN, расположенные на периферии. Затем можно перенести часть бессостоятельной (то есть не зависящей от состояния системы) логики API, чувствительной к задержкам в обработке запросов, на серверы, работающие на периферии. Это постепенный процесс модернизации.

Ключевым моментом является выявление тех модулей приложения, которые могут извлечь выгоду из низкой задержки передачи данных и подходят для распределенного выполнения, а затем их разделение от основной бизнес-логики, требующей высокой согласованности действий и централизованного обработки данных.

Как технология ускорения передачи данных по границам сети (edge acceleration) обеспечивает их консистентность и безопасность?

Консистенция данных обеспечивается с помощью комбинации различных стратегий. Для кэшированных данных используются параметры TTL (Time To Live) и API для очистки кэша для контроля их свежести. Данные, требующие высокой степени консистенции, обычно обрабатываются центральной базой данных или синхронизируются с помощью механизмов распределенных баз данных. Сами крайние узлы (edge nodes) как правило разрабатываются с учетом отсутствия постоянного состояния или наличия лишь временного состояния.

Безопасность обеспечивается за счёт многоуровневых мер защиты. Крайние узлы оснащены функциями снижения нагрузки от DDoS-атак, веб-аппаратных фильтров (WAF), протоколом TLS и другими инструментами. Процессы аутентификации и авторизации могут выполняться непосредственно на уровне крайних узлов; только законные запросы проходят дальнейшую обработку или пересылку. Кроме того, в средах краевых вычислений часто используются технологии изоляции (например, легкие виртуальные машины, контейнеры) для обеспечения безопасного разделения кода раз

Какова связь между периферийными вычислениями и периферийной акселерацией?

Эти два подхода тесно связаны между собой, но имеют некоторые отличия в акцентах. Компьютерные технологии, используемые на периферии (edge computing), делают упор на обработку данных и выполнение вычислений непосредственно в месте их генерации, с особым вниманием к “местоположению” процессов обработки. Они часто применяются в сценариях Интернета

Метод ускорения на периферии (edge acceleration) в первую очередь направлен на повышение производительности приложений за счёт оптимизации сетевой архитектуры, что улучшает пользовательский опыт. Для достижения этой цели используются периферийные узлы (edge nodes), которые являются ключевым инструментом в технологиях ускорения. Можно сказать, что выполнение вычислений непосредственно на периферийных узлах (т. е. использование технологий периферийных вычислений, edge computing) играет важную роль в реализации полноценного ускорения работы приложений.