Điện toán biên cho Internet of Everything

“

Tóm tắt:

- Mô hình điện toán biên: Điện toán đám mây di động; Điện toán biên di động; Điện toán sương mù; Điện toán hợp tác đám mây - biên - đầu cuối.

- Thách thức cơ bản của điện toán biên: Di chuyển dịch vụ; Bảo mật và bảo vệ quyền riêng tư; vấn đề triển khai.

- Tương lai của điện toán biên:

+ Sẽ được định hình bởi: Những tiến bộ trong các lĩnh vực: AI và học máy; 5G và các công nghệ tiếp theo; Tiêu chuẩn hóa và nền tảng nguồn mở; Cải thiện bảo mật và quyền riêng tư.

+ Hướng đến những đổi mới sâu rộng hơn: Tối ưu hóa và kiểm soát thời gian thực; Phân tích và hiểu biết dữ liệu nâng cao; Edge AI và ML.

Điện toán đám mây truyền thống bị giới hạn bởi các vấn đề về độ trễ và giới hạn băng thông, không thể đáp ứng nhu cầu này một cách hiệu quả. Gần đây, công nghệ điện toán biên nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn, đưa sức mạnh tính toán đến gần hơn với các nguồn dữ liệu tại biên mạng.

Bài viết này sẽ khái quát các khái niệm, lợi ích và thách thức của tiếp cận điện toán biên trong bối cảnh IoE, cũng như các hướng triển khai trong cuộc cách mạng công nghệ 5G/6G.

Giới thiệu chung

Internet of Everything (IoE) là một thế giới nơi mọi thứ đều kết nối với nhau qua mạng Internet. Điều này không chỉ làm cho cuộc sống của chúng ta trở nên thông minh và hiệu quả hơn, mà còn mở ra các cơ hội mới trong việc tạo ra giá trị từ dữ liệu, từ cách chúng ta làm việc đến cách chúng ta sống hàng ngày. Dự kiến có đến 29,42 tỷ thiết bị IoT được kết nối Internet trên toàn cầu, từ những thiết bị nhỏ nhất như cảm biến nhiệt độ đến những hệ thống lớn như nhà máy sản xuất [1]. Sự phát triển của công nghệ 5G và 6G đã giúp IoE trở nên khả thi hơn bao giờ hết, cung cấp tốc độ Internet nhanh chóng và ổn định. Ngoài ra, AI và học máy ngày càng phát triển, giúp máy móc có thể “học” và phản ứng một cách thông minh hơn.

Trong thế giới IoE, nơi mọi thứ đều kết nối với nhau, điện toán biên đóng vai trò quan trọng bằng cách xử lý dữ liệu ngay tại nơi nó được thu thập, thay vì phải gửi về các trung tâm dữ liệu xa với nguồn. Điều này mang lại nhiều lợi ích không thể phủ nhận, bao gồm:

Giảm độ trễ: Điện toán biên giúp xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, mang lại khả năng phản hồi tức thì cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như xe tự lái, lưới điện thông minh, hay tự động hóa công nghiệp.

Tiết kiệm băng thông: Điện toán biên giúp giảm lượng dữ liệu truyền qua mạng, giúp tiết kiệm chi phí và cải thiện hiệu quả sử dụng băng thông cho các ứng dụng sử dụng nhiều băng thông.

Nâng cao bảo mật: Điện toán biên giúp bảo vệ dữ liệu nhạy cảm khỏi bị đánh cắp hoặc lộ thông qua đường truyền, đặc biệt quan trọng đối với thông tin y tế hay tài chính.

Tăng cường khả năng mở rộng và linh hoạt: Điện toán biên giúp hệ thống có thể thích nghi với nhu cầu cụ thể của từng nơi, từng thiết bị, từng người dùng tại các biên mạng.

Cung cấp khả năng hoạt động ngoại tuyến: Điện toán biên giúp các thiết bị vẫn có thể hoạt động bình thường ngay cả khi không có Internet, đặc biệt quan trọng cho những tình huống cần hoạt động liên tục như giám sát từ xa hay trong trường hợp khẩn cấp như thảm họa, thiên tai.

Các mô hình điện toán biên

Với nhiều lợi ích như trên, điện toán biên đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng sôi động, mở ra cánh cửa cho những đổi mới công nghệ và giải pháp sáng tạo. Kết quả là nhiều mô hình điện toán biên khác nhau đã được phát triển để đáp ứng nhu cầu cụ thể:

Điện toán đám mây di động: MCC (Mobile Cloud Computing) chuyển xử lý dữ liệu và lưu trữ ra khỏi thiết bị di động lên các đám mây. Điều này cho phép người dùng chạy các ứng dụng trên điện thoại hoặc các thiết bị di động mà không lo lắng về việc hết dung lượng lưu trữ hay chậm trễ, đồng thời mở rộng phạm vi và khả năng của các ứng dụng.

Điện toán biên di động: MEC (Mobile Edge Computing) cung cấp khả năng điện toán đám mây giống như một trạm xử lý dữ liệu mini nhưng ngay tại biên mạng di động của bạn. Điều này không chỉ mở rộng môi trường ứng dụng được điện toán biên mà còn hỗ trợ ứng dụng yêu cầu bảo mật cao và thời gian gấp như xe tự lái hoặc các hệ thống an ninh.

Điện toán sương mù: Điện toán sương mù kết hợp ưu điểm của MCC và MEC để tạo ra một môi trường xử lý dữ liệu linh hoạt, nơi dữ liệu được xử lý gần hơn với nguồn phát sinh chúng - như máy tính, điện thoại, hay cảm biến.

Điện toán hợp tác đám mây - biên - đầu cuối: Mô hình này kết hợp điện toán biên và đám mây, là một mạng phi tập trung có cấu trúc bao gồm sự hợp tác biên - đám mây, biên - biên và biên - cuối. Nó tận dụng khả năng xử lý dữ liệu ngay lập tức của máy chủ biên và khả năng tích hợp thông tin đa dạng của máy chủ đám mây.

Mô hình này quan trọng trong nhiều kịch bản ứng dụng, từ Mạng Phân phối Nội dung CDN (Content Distribution Network) đến nhà thông minh và giao thông thông minh. Mỗi mô hình điện toán biên này đều đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa xử lý dữ liệu, giảm độ trễ và tăng cường bảo mật, phục vụ nhu cầu đa dạng của người dùng và hệ thống trong thời đại IoE [2].

Các thách thức cơ bản

Di chuyển dịch vụ

Di chuyển dịch vụ là một trong những yếu tố quan trọng cần xem xét trong điện toán biên. Khi người dùng di chuyển từ nơi này sang nơi khác, hệ thống điện toán biên cần quyết định liệu có nên và làm thế nào để chuyển dịch vụ mà người dùng đang sử dụng sang một máy chủ gần người dùng hơn.

Có bốn vấn đề chính cần giải quyết trong di chuyển dịch vụ:

Chọn máy chủ phù hợp: Hệ thống cần xác định máy chủ biên nào có thể cung cấp dịch vụ tốt nhất cho người dùng. Điều này không dễ dàng vì khu vực mới của người dùng có thể có nhiều máy chủ với khả năng và tài nguyên khác nhau.

Thời gian và chi phí di chuyển: Khi dịch vụ chuyển từ máy chủ này sang máy chủ khác, cần phải cân nhắc thời gian và chi phí liên quan. Đối với các ứng dụng nhạy cảm với thời gian, mọi sự chậm trễ đều có thể ảnh hưởng đến trải nghiệm của người dùng.

Dự đoán chuyển động người dùng: Không có một quy luật nào để dự đoán cách người dùng di chuyển. Sự không chắc chắn này làm tăng độ phức tạp trong việc đưa ra phương pháp lựa chọn máy chủ tối ưu.

Với sự đa dạng của ứng dụng và tính không đồng nhất của máy chủ biên, việc quản lý và chuyển dịch vụ trở nên phức tạp hơn.

Để giải quyết các vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một số phương pháp khác nhau. Một số phương pháp tập trung vào việc chọn máy chủ phù hợp, trong khi những phương pháp khác tập trung vào việc giảm thời gian và chi phí di chuyển. Một số phương pháp khác lại tập trung vào việc dự đoán chuyển động người dùng hoặc quản lý đa dạng ứng dụng và máy chủ biên.

Bảo mật và bảo vệ quyền riêng tư

Điện toán biên mang lại nhiều lợi ích về bảo mật và quyền riêng tư so với điện toán đám mây, vì dữ liệu nhạy cảm được xử lý tại rìa mạng. Tuy nhiên, điện toán biên cũng mở ra những thách thức mới về bảo mật và quyền riêng tư, bao gồm:

Thu thập thông tin nhạy cảm: Các thiết bị điện toán biên thường gần gũi với người dùng và có thể thu thập thông tin nhạy cảm như danh tính, vị trí và cách sử dụng ứng dụng. Điều này có thể làm tăng nguy cơ vi phạm bảo mật và quyền riêng tư.

Phương pháp bảo mật truyền thống không phù hợp: Các phương pháp bảo mật truyền thống như chứng chỉ và hệ thống xác thực cơ sở hạ tầng khóa công khai có thể không phù hợp với cơ sở hạ tầng điện toán biên. Trong môi trường thay đổi liên tục của mạng MEC, các nút cần phải xác minh lẫn nhau và từ chối các yêu cầu dịch vụ từ các nút độc hại.

Giao tiếp thiết bị không đảm bảo: Việc giao tiếp trong mạng MEC chủ yếu bao gồm giao tiếp giữa thiết bị IoT và nút MEC và giữa các nút MEC. Cần có bảo mật từ đầu đến cuối để đảm bảo an toàn thông tin.

Vấn đề vị trí dịch vụ: Việc đặt dịch vụ trong MEC nhằm cải thiện chất lượng dịch vụ cho người dùng di động có thể bao gồm thông tin cá nhân nhạy cảm như dữ liệu lịch sử, vị trí và nhu cầu cá nhân. Điều này đòi hỏi một chương trình bảo vệ quyền riêng tư hiệu quả.

Vấn đề triển khai

Điện toán biên mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc triển khai các nút điện toán biên cũng gặp phải một số thách thức, bao gồm:

Lựa chọn kinh doanh và kịch bản triển khai: Cần xác định nhu cầu kinh doanh và lựa chọn kịch bản triển khai phù hợp. Mô hình kinh doanh cần khả thi và phù hợp với năng lực của hệ thống.

Chỉ số mạng và lợi nhuận đầu tư: Cần xác định chi phí bảo trì và quản lý, liệu lợi nhuận từ việc triển khai có đáng với chi phí hay không.

Mô hình hoạt động và quản lý: Cần xác định mô hình hoạt động và quản lý phù hợp với từng loại doanh nghiệp.

Đảm bảo độ tin cậy: Cần đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật dữ liệu.

Triển khai gói ứng dụng và mô hình lập trình: Cần sử dụng các công nghệ và mô hình phù hợp để triển khai ứng dụng và dịch vụ.

Định hướng và phát triển tương lai

Điện toán biên đang nhanh chóng trở thành một công nghệ quan trọng, với khả năng biến đổi nhiều ngành công nghiệp. Tương lai của điện toán biên sẽ được định hình bởi những tiến bộ trong các lĩnh vực sau:

AI và học máy: Sự kết hợp của AI và học máy với điện toán biên sẽ mở rộng khả năng tự động hóa thông minh cho các ứng dụng, từ quản lý thông minh đến phản ứng nhanh chóng với các tình huống phức tạp.

5G và các công nghệ tiếp theo: Mạng 5G và các công nghệ tiếp theo sẽ tăng tốc độ và giảm độ trễ, làm cho điện toán biên trở nên mạnh mẽ hơn. Điều này tạo điều kiện cho việc truyền dữ liệu và xử lý thời gian thực, mở ra cánh cửa cho các ứng dụng mới và nâng cao hiệu suất tổng thể.

Tiêu chuẩn hóa và nền tảng nguồn mở: Việc phát triển và tiêu chuẩn hóa nền tảng nguồn mở sẽ làm cho điện toán biên trở nên dễ tiếp cận và ứng dụng rộng rãi hơn. Điều này sẽ thúc đẩy sự phát triển và sự chấp nhận của công nghệ điện toán biên.

Cải thiện bảo mật và quyền riêng tư: Trong thế giới ngày càng kết nối, việc bảo vệ dữ liệu và quyền riêng tư trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Sự tiến bộ trong các giao thức bảo mật sẽ đảm bảo rằng điện toán biên không chỉ hiệu quả mà còn an toàn và có trách nhiệm.

Ngoài những tiến bộ trên, tương lai của điện toán biên còn hướng đến những đổi mới sâu rộng hơn nữa, bao gồm:

Tối ưu hóa và kiểm soát thời gian thực: Điện toán biên sẽ cho phép xử lý dữ liệu ngay lập tức từ cảm biến và thiết bị trong các ngành công nghiệp, từ sản xuất đến giao thông. Điều này tạo ra cơ hội tối ưu hóa quy trình và hệ thống điều khiển, giúp cải thiện hiệu suất, năng suất và tiết kiệm năng lượng.

Phân tích và hiểu biết dữ liệu nâng cao: Việc xử lý dữ liệu ở biên cũng sẽ mở ra khả năng phân tích và tạo ra thông tin chi tiết gần như ngay lập tức. Điều này giúp ra quyết định nhanh chóng và phản ứng kịp thời với các tình huống, từ bảo trì dự đoán trong công nghiệp đến chăm sóc sức khỏe cá nhân.

Edge AI và ML: Sự xuất hiện của Edge AI và ML sẽ biến các thiết bị biên thành các trung tâm thông minh tự trị, có thể đưa ra quyết định mà không cần phụ thuộc vào đám mây. Điều này mở ra các ứng dụng mới như tự động hóa thông minh và hệ thống an ninh phi tập trung.

Tương lai của điện toán biên là một lĩnh vực đầy hứa hẹn, có tiềm năng biến đổi cách chúng ta sống, làm việc và tương tác với thế giới xung quanh. Khi công nghệ tiếp tục tiến bộ, điện toán biên sẽ trở nên mạnh mẽ hơn, linh hoạt hơn và có khả năng thích ứng hơn với nhu cầu và tình huống cụ thể. Điều này không chỉ định hình tương lai của IoE mà còn mở ra một kỷ nguyên mới của sự thông minh và kết nối.

Kết luận

Điện toán biên đang định hình lại cách thức các ngành công nghiệp sản xuất và tiêu thụ dữ liệu. Trong các ngành công nghiệp như công nghệ thông tin, chăm sóc sức khỏe và sản xuất công nghiệp, điện toán biên đang được sử dụng để cải thiện hiệu quả, năng suất và trải nghiệm người dùng. Tương lai của điện toán biên hứa hẹn sẽ mang lại sự chuyển mình mạnh mẽ cho ngành công nghiệp và xã hội.

Chúng ta có thể mong đợi một thế giới nơi các thiết bị thông minh và tự động hóa không chỉ tăng cường hiệu quả và năng suất mà còn nâng cao trải nghiệm sống của chúng ta. Sự hợp nhất của điện toán biên với các công nghệ khác sẽ tạo ra các hệ thống kinh doanh linh hoạt và trí tuệ kinh doanh có thể hành động. Điều này sẽ mở ra cánh cửa cho một tương lai thông minh, kết nối và dựa trên dữ liệu. Điện toán biên không chỉ là một xu hướng công nghệ, mà còn là một phần không thể thiếu trong việc xây dựng tương lai của chúng ta trong thế giới IoE./.

“

Tài liệu tham khảo:

1. https://www.statista.com/stati...,2023

2. https://www.spiceworks.com/tec...

3. G. Carvalho, B. Cabral, V. Pereira và J. Bernardino, “Edge computing: Current trends, research challenges, and future directions,” Computing, vol. 103, no. 5, phương pháp. 993- 1023, 2021.

(Bài viết đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 12 tháng 12/2023)