Computación periférica (Edge computing):

Una de las tendencias clave de mediados de década para el Internet de las Cosas es su relación cada vez más integrada con la Computación periférica. Este fenómeno continúa el cambio sin precedentes hacia una implementación más distribuida y descentralizada de la tecnología.

El crecimiento exponencial en el número de conexiones de IoT a nivel mundial requiere soluciones computacionales que posean la potencia de procesamiento para administrar volúmenes de datos previamente inimaginables. Es probable que la demanda ya supere la capacidad de computación en la nube, lo que significa que se necesitarán nuevas tecnologías que funcionen de nuevas maneras.

La computación periférica está cobrando protagonismo como una solución que puede igualar la escala del IoT y cumplir con sus requisitos de velocidad, seguridad e integridad de los datos. Las implementaciones ya están en marcha y el procesamiento de datos fuera de la nube o en su borde se está convirtiendo en un medio favorito para proporcionar soporte receptivo para aplicaciones de IoT, ahorrando tiempo y ancho de banda.

Este artículo explora la relación entre la computación periférica y el IoT y evalúa si esta tecnología será capaz de soportar la carga del Internet de las Cosas en constante expansión.

Computación periférica: tendencia clave de IoT para 2022 y más allá

La computación periférica es un recurso informático bajo demanda que está disponible espacialmente, cerca de la fuente de los datos que se van a almacenar o procesar, a diferencia de la computación en la nube, donde el cálculo tiene lugar después de cargarlos en la nube.

Es una forma de computación distribuida, donde los diferentes componentes de un sistema informático se distribuyen en varios dispositivos en red que se comunican entre sí para cumplir tareas computacionales. Los sistemas informáticos periféricos se distinguen por ser asíncronos, los dispositivos constituyentes funcionan simultáneamente y el fallo de los componentes individuales de la red no compromete a toda la red (fallo independiente).

Aunque está estrechamente asociado con el Internet de las Cosas, Computación periférica e Io no son sinónimos y el procesamiento de datos para dispositivos IoT no se lleva a cabo en los propios dispositivos.

La computación periférica lleva el procesamiento a los datos

La computación periférica proporciona una provisión menos centralizada de potencia informática, ya que se realiza cerca de la fuente de datos, normalmente un dispositivo IoT, literalmente, en el borde de la red. Esta forma de computación ya ha demostrado ser efectiva en juegos multijugador en línea y una variedad de aplicaciones peer-to-peer.

La computación periférica depende de dos flujos de comunicación entre los dispositivos IoT y el perímetro de la nube:

• Upstream: datos que fluyen desde el dispositivo IoT a la nube. Esta transferencia de datos se proporciona como parte de la aplicación de software Io que se utiliza con el dispositivo.
• Aguas abajo: este flujo de datos es entregado por el proveedor de servicios en la nube desde la nube a un dispositivo IoT en particular.

En una desviación significativa del modelo de computación en la nube, los datos se almacenan localmente en lugar de centralmente dentro de la nube. Dentro de una red de IoT compatible con la computación perimetral, los dispositivos de usuario final de IoT generan y consumen datos. Estos dispositivos, que incluyen relojes inteligentes, sensores domésticos, automóviles y medidores de servicios públicos, tienen sus datos ascendentes y descendentes transferidos a través del borde, que incluye enrutadores, miniservidores y puertas de enlace. El perímetro interactúa con la nube, cumpliendo con las tareas de procesamiento y prestación de servicios y solicitando datos y servicios cuando sea necesario de la nube.

Los recursos de la red perimetral se proporcionan en cualquier punto entre el dispositivo IoT y la nube. La potencia computacional requerida puede provenir de cualquier dispositivo que se pueda integrar en el flujo ascendente o descendente, incluidos teléfonos inteligentes, enrutadores, concentradores y computadoras portátiles. Los datos se externalizan a estos dispositivos, donde se pueden procesar sin agotar los recursos de cálculo de la nube.

¿Por qué es importante la computación periférica?

La prioridad en la implementación de la arquitectura de computación periférica para el soporte de redes de IoT es la urgencia de abordar el gran volumen de datos que generan estos dispositivos en red. Según Network World, se espera que el volumen global de datos aumente a más de 175 zettabytes para 2025, lo que marca el final de la era de los zettabytes de la década de 2010 y una transición hacia los niveles de datos Yottabyte (un millón de billones de megabytes).

Esto significa que la informática de mediados de la década de 2020 se enfrenta a importantes trastornos debido al crecimiento no solo del IoT, sino de todas las formas de datos digitales públicos y no públicos. El aumento masivo del tráfico IP por sí solo está causando una crisis entre los centros de datos que no pueden mantenerse al día con la energía, el hardware, el ancho de banda y la potencia de procesamiento necesarios para respaldar la creación, el almacenamiento y el consumo de datos que se están produciendo.

Los centros de datos pronto serán incapaces de proporcionar un servicio adecuadamente garantizado que puede ser importante para el funcionamiento competente de ciertas aplicaciones críticas. El alto consumo de datos por parte de los dispositivos en red también pone a prueba a los proveedores de servicios de centros de datos centralizados.

El enfoque descentralizado de la computación periférica aumenta la proximidad física (geográfica) a los dispositivos de los usuarios finales, que ya consumen grandes volúmenes de datos. Esto se logrará mediante el uso de dispositivos IoT inteligentes, incluidos teléfonos y puertas de enlace, que se encuentran en el borde de la nube para ejecutar las tareas y proporcionar servicios que proporcionaría la nube. Se espera que esta descarga o externalización de la gestión de datos a dispositivos periféricos y periféricos mejore el rendimiento de las redes y con una mejora en la velocidad y la capacidad de respuesta.

Cómo funciona el IoT con computación periférica

La computación periférica puede cumplir con las tareas computacionales que descarga la nube, entre ellas:

• Prestación de servicios de aplicaciones
• Almacenamiento de datos
• Almacenamiento en caché de datos
• Procesamiento de datos
• Gestión de dispositivos IoT

Estas funciones delegadas son ejecutadas por dispositivos periféricos, lo que hace que la nube se centre en la gestión y el procesamiento de grandes volúmenes de datos.

Dentro de una red de IoT compatible con la computación perimetral, los dispositivos de usuario final de IoT generan y consumen datos. Estos dispositivos, que incluyen relojes inteligentes, sensores domésticos, automóviles y medidores de servicios públicos, tienen sus datos ascendentes y descendentes transferidos a través del borde, que incluye enrutadores, miniservidores y puertas de enlace. El perímetro interactúa con la nube, cumpliendo con las tareas de procesamiento y prestación de servicios y solicitando datos y servicios cuando sea necesario de la nube.

Antes de la computación periférica, los sensores IoT y otros dispositivos generaban datos que se cargaban directamente en la nube. La nube se encargaría entonces de almacenar los datos en una base de datos centralizada, procesarlos y responder con cualquier acción necesaria para que el dispositivo IoT se ejecute. Aunque este proceso tarda segundos, una interrupción o tiempo de inactividad en la prestación de servicios en la nube o una mala conectividad afectarán el funcionamiento del dispositivo IoT, lo que podría ser catastrófico si es responsable de la seguridad o la salud del hogar.

Con la computación periférica, los datos de los dispositivos IoT fluyen a un nodo intermedio o incluso a un módulo de procesamiento dentro del propio dispositivo que puede procesar los datos y proporcionar cualquier acción que deba ser ejecutada por el dispositivo. En casi todos los casos, la nube se omite por completo, con una reducción en la distancia y el tiempo de transferencia de datos. Por lo tanto, los dispositivos periféricos pueden funcionar como nodos de red independientes que son capaces de controlar los dispositivos IoT de los clientes, ya sea que estén conectados a Internet o no.

Características de la computación periférica

La computación periférica tiene varias características clave que brindan beneficios, pero también desafíos para su implementación a gran escala con IoT.

1] Las redes perimetrales deben poder escalarse

Para admitir una gran proporción de conexiones de IoT, la computación periférica debe poder operar de manera eficiente y efectiva a escala. Esto parece posible en teoría, pero las partes interesadas de la industria aún no han estandarizado cómo funciona la computación periférica o han lanzado protocolos que podrían adoptarse comúnmente. La escalabilidad de la computación periférica está siendo cuestionada actualmente debido a la amplia gama de dispositivos, plataformas y redes que componen el Internet de las Cosas. Esta heterogeneidad impone una demanda única a la computación periférica a escala debido a la capacidad de respuesta requerida sin la solidez, la seguridad y los procesos de gestión de datos uniformes de un centro de datos central en la nube. Con la computación perimetral a gran escala, es probable que los requisitos de potencia, rendimiento y seguridad para una variedad de dispositivos simultáneamente se produzcan a expensas de la baja latencia.

2] La fiabilidad de la computación periférica es vital

La computación periférica es ventajosa debido a la independencia de sus nodos constituyentes, que pueden proporcionar un servicio local incluso si hay una interrupción de Internet. Los dispositivos periféricos, como los asistentes personales y los concentradores domésticos inteligentes, pueden controlar una red doméstica sin conexión.

Además, si un nodo falla, toda la red no se cae. Esto significa que otras áreas de la red pueden funcionar sin interrupciones. Al igual que otros tipos de redes descentralizadas, las redes periféricas necesitan una forma de alertar al propietario de la red de que un nodo está caído, lo que puede necesitar ser monitoreado por otros nodos a nivel local.

3] La computación periférica tiene un bajo consumo de ancho de banda

A medida que la computación periférica desvía los datos de ser cargados a la nube. Reduce la necesidad de ancho de banda, ya que ya no es competitivo con el gran volumen de aplicaciones de computación en la nube. Simplemente no hay suficiente ancho de banda para atender de manera óptima al creciente número de aplicaciones que requieren computación en la nube. Se espera que un sistema de vehículo autónomo genere más de un terabyte de datos por segundo. Una solución perimetral evitará que estos grandes volúmenes de datos de carga sobrecarguen la disponibilidad de ancho de banda.

4] La computación periférica puede admitir dispositivos IoT de baja energía

La transferencia de datos para la computación en la nube consume mucha energía y afectará el consumo de energía de los dispositivos IoT típicos que funcionan con baterías. La transmisión de datos al perímetro es más rápida y reduce el tiempo de transmisión y el consumo de batería.

5] Para una funcionalidad óptima de IoT, la velocidad no es negociable

Se espera que la computación periférica mejore la velocidad y la capacidad de respuesta de las redes de IoT porque las funciones de procesamiento clave se ejecutan más cerca de los dispositivos IoT. Se ha demostrado que las plataformas periféricas superan el rendimiento de los sistemas en la nube con tiempos de respuesta extremadamente cortos logrados por redes bien diseñadas. Esto hace que la computación periférica sea un candidato para soportar vehículos autónomos.

Los sistemas de computación periférica han mejorado la eficiencia debido a la proximidad de la potencia de procesamiento al dispositivo final. Las redes perimetrales interactúan bien con las tecnologías de IA que pueden utilizarse en el procesamiento de datos en el perímetro del sistema.

Dado que la computación periférica existe entre los dispositivos IoT e Internet, tiene el potencial de proporcionar ahorros de eficiencia más amplios al desconectar el tráfico. Las soluciones de red local para el procesamiento de datos evitan Internet y pueden proporcionar ahorros de ancho de banda que mejorarán el rendimiento.

7] La privacidad y la seguridad de la computación periférica es un panorama mixto

La computación periférica es potencialmente la respuesta a las preocupaciones de privacidad asociadas con los "Big" datos centralizados. A medida que los datos se procesan localmente, los usuarios finales tienen más propiedad y control. Debido a que la computación periférica es distribuida, los datos se transferirán a través de diferentes tipos de nodos con diferentes niveles de conexión a Internet y cifrado, lo que puede afectar la vulnerabilidad a un ataque. La seguridad en la nube es mucho más madura y sofisticada, con una infraestructura centralizada y un modelo de confianza claro. Es necesario desarrollar modelos novedosos y comparativos de cifrado y confianza para los nodos perimetrales que operan a nivel local.

Ejemplos de soluciones IoT de computación periférica del mundo real

La computación distribuida tiene el potencial de hacer que las aplicaciones de IoT sean extremadamente receptivas, con tiempos de reacción comparables a los de los humanos. Si se puede lograr una baja latencia utilizando el borde, se podrían realizar aplicaciones clave de IoT como los vehículos autónomos. Estos son algunos ejemplos de aplicaciones perimetrales/IoT que se están desarrollando o que ya se están implementando.

[A] Computación periférica + IoT para vehículos de transporte

La computación periférica se está explorando como una solución para entregar vehículos que tengan respuestas automatizadas a las condiciones y peligros de la carretera. Un ejemplo clave de esta tecnología es el desarrollo de sistemas para controlar el pelotón de convoyes de camiones, utilizando una combinación de sensores IoT y computación periférica a bordo de los vehículos.

El platooning automatizado permite la aceleración o el frenado sincronizado de un convoy de vehículos pesados. Esto significa que pueden viajar más juntos, lo que mejora la eficiencia del combustible y la seguridad, además de reducir la contaminación y la congestión.

La telemetría del vehículo y otros datos de los sensores se transmitirían de forma inalámbrica a un nodo de computación periférica que sería capaz de evaluar y ajustar el posicionamiento y la velocidad de los vehículos para mantener el pelotón.

[B] Computación periférica + IoT para la industria del petróleo y el gas

Las telecomunicaciones y las redes son áreas críticas de inversión en el sector del petróleo y el gas. Los activos del sector del petróleo y el gas se encuentran a menudo en lugares remotos, inaccesibles o francamente peligrosos. También pueden desplazarse por carretera, ferrocarril o mar. El uso de la monitorización remota a través de aplicaciones IoT es ventajoso, ya que el personal no necesita acceder directamente a los componentes de los oleoductos o plataformas petrolíferas que están fallando. La monitoreo de activos para equipos del sector de petróleo y gas puede utilizar computación periférica, lo cual es ventajoso debido a su proximidad a los activos que se monitorean mediante sensores o SCADA en instalaciones de superficie o subsuelo. La computación periférica de baja latencia también reduce la dependencia de este sector de la costosa conectividad a Internet por satélite para funcionar. El monitoreo en tiempo real puede tener lugar con alertas oportunas o acciones implementadas si hay una falla en el equipo o los componentes que se están monitoreando. Los datos también se pueden relacionar rápidamente con el personal que puede tomar medidas directas cuando sea necesario.

[C] Computación periférica + IoT para redes de acceso de radio virtualizadas (vRAN) 5G

Las redes de acceso por radio (RAN) son un componente clave dentro de las redes celulares. Al igual que un enrutador, la RAN proporcionará y distribuirá el acceso a la red celular. Proporcionan conectividad a los dispositivos de los usuarios finales mediante el uso de un transceptor para establecer una conexión con la red central móvil, que ahora utiliza conexiones 5G New Radio. La provisión de la red 5G es más compleja que la de las generaciones anteriores debido a su provisión incorporada de comunicaciones masivas de tipo máquina para redes IoT. Esto añade complejidades de conmutación que dependen de algoritmos y de una importante potencia de procesamiento para proporcionar una prestación de servicios competente.

Por esta razón, muchas partes de las redes celulares 5G están virtualizando su RAN. La virtualización se basa en la computación periférica para proporcionar el procesamiento requerido cerca de cada torre celular para un servicio de baja latencia.

[D] Computación periférica + IoT para la gestión del tráfico

A medida que la agenda de las ciudades inteligentes cobra impulso, los desarrolladores están explorando cómo se puede integrar la computación periférica en los sistemas de transporte inteligentes y las redes de carreteras. Para que este tipo de redes de IoT sean seguras y efectivas, la baja latencia es clave. La computación periférica procesa los datos cercanos a los vehículos, semáforos, señalización, conductores y peatones que los generan. Tiene la capacidad de coincidir con los tiempos de respuesta humana, lo que es ventajoso para alertas y notificaciones rápidas de peligros. Utilizando recursos informáticos locales, en lugar de la nube, la computación periférica también puede aprovechar los datos de los sensores que monitorean el flujo de tráfico y otros parámetros en el sistema de transporte para controlar las aperturas de carriles, los semáforos y los desvíos de efectos.

[E] Computación periférica + IoT para hogares inteligentes

La computación periférica ya se utiliza como una solución para gestionar eficazmente el gran volumen de datos generados por los sensores domésticos inteligentes. Los datos de los sensores, como la temperatura ambiente, la iluminación o la posición de las cerraduras, se desvían cada vez más del procesamiento central basado en la nube a los centros locales ubicados dentro de la casa. Un ejemplo de esto es el asistente personal Amazon Alexa que se puede utilizar para controlar dispositivos certificados ZigBee. El asistente Alexa ahora puede funcionar como un concentrador, recibiendo entradas de datos de dispositivos ZigBee y enviando instrucciones a los dispositivos en red en el hogar. Operando como un dispositivo periférico, Alexa puede cumplir su función de monitoreo y control incluso si hay una pérdida de conectividad a Internet.

Una conectividad inalámbrica robusta y fiable es esencial para el rendimiento óptimo de todas las soluciones de computación periférica + IoT

Para la mayoría de los dispositivos IoT, la transferencia de datos de alta velocidad será inalámbrica. Esto significa que uno de los componentes más críticos de un producto o solución de IoT son las antenas. Como uno de los principales proveedores y distribuidores de equipos de redes inalámbricas de Southwest, contamos con la calidad y la experiencia necesarias para suministrar antenas, cables y otros equipos de redes de IoT de alto rendimiento que hacen que su solución funcione de manera óptima. Con un inventario casi completo que proporciona cobertura de espectro de radio de banda ancha, podemos suministrar antenas para soluciones de IoT que utilizan las tecnologías inalámbricas líderes, que incluyen:

• Celular: GSM, 2G, 3G, 4G y nuevas antenas 5G,  incluido CBRS
• GPS
• Conexión Wi-Fi
• Bluetooth
• ZigBee
• Lora
• SigFox