Điện toán đám mây (Cloud computing), Điện toán Sương mù (fog computing) và Điện toán biên (edge computing) là gì

Các thiết bị Internet of Things (IoT) đang tràn ngập thế giới. Trên thực tế, các nghiên cứu cho thấy chúng ta có thể mong đợi hơn 75 tỷ thiết bị IoT sẽ hoạt động vào năm 2025. Từ trợ lý giọng nói thông minh đến đèn hiệu trong cửa hàng, các thương hiệu đang thử nghiệm các điểm tiếp xúc để cải thiện trải nghiệm của khách hàng và thu thập dữ liệu theo những cách mới và sáng tạo.

Vấn đề duy nhất là dòng dữ liệu khổng lồ được thu thập từ mỗi thiết bị. Làm thế nào (và ở đâu) số lượng dữ liệu lớn và lâu dài như vậy có thể được xử lý ? Điện toán đám mây (cloud computing) đã quá quen thuộc với chúng ta, thế nhưng thuật ngữ điện toán biên (edge computing)  và điện toán Sương mù (Fog) (Fog Computing) lại là 2 thuật ngữ dễ gây nhầm lẫn. Nhưng chúng lại là hai giải pháp tiềm năng trong tương lai của IoT, vậy thì hai công nghệ này là gì và sự khác biệt giữa hai công nghệ này là gì? Bài viết này sẽ giúp các bạn có thông tin so sánh dễ hiểu nhất.

Các lớp xử lý dữ liệu trong IoT

Điện toán đám mây (Cloud Computing)

Hầu hết các doanh nghiệp đều quen thuộc với điện toán đám mây vì giờ đây nó là một tiêu chuẩn thực tế trong nhiều ngành công nghiệp. Sương mù (Fog) và điện toán biên (edge computing) là cả hai phần mở rộng của mạng cloud, là tập hợp các máy chủ bao gồm một mạng phân tán. Một mạng lưới như vậy có thể cho phép một tổ chức vượt quá nhiều tài nguyên có sẵn cho nó, giải phóng các tổ chức khỏi yêu cầu giữ cơ sở hạ tầng. Ưu điểm chính của các hệ thống dựa trên cloud là chúng cho phép thu thập dữ liệu từ nhiều site và thiết bị, có thể truy cập ở mọi nơi trên thế giới.

Phần cứng nhúng lấy dữ liệu từ các thiết bị IIoT on-premise và chuyển nó đến lớp Sương mù (Fog). Dữ liệu quan trọng sau đó được chuyển đến lớp cloud, thường ở một vị trí địa lý khác. Do đó, lớp cloud có thể hưởng lợi từ các thiết bị IIoT bằng cách nhận dữ liệu của chúng thông qua các lớp khác.  Các tổ chức thường đạt được kết quả vượt trội bằng cách tích hợp nền tảng cloud với mạng Sương mù (Fog) on-premise hoặc các thiết bị biên (edge). Hiện nay hầu hết các doanh nghiệp hiện đang chuyển sang cơ sở hạ tầng Sương mù (Fog) hoặc biên (edge) để tăng việc sử dụng các thiết bị IIoT và người dùng cuối của họ.

Mục tiêu cơ bản của Internet vạn vật (IoT) là thu thập và phân tích dữ liệu từ các tài sản trước đây bị ngắt kết nối với hầu hết các công cụ xử lý dữ liệu.

Dữ liệu này được tạo bởi các tài sản vật chất hoặc những thứ được triển khai ở rìa mạng, như động cơ, bóng đèn, máy phát điện, máy bơm và rơ le, thực hiện các nhiệm vụ cụ thể để hỗ trợ quá trình kinh doanh. Internet of Things là về việc kết nối các thiết bị (vật) không được kết nối này và gửi dữ liệu của chúng lên cloud hoặc Internet để được phân tích.
IIoT bao gồm các lớp kiến ​​trúc biên (edge), Sương mù (Fog) và cloud, sao cho các lớp biên (edge) và Sương mù (Fog) bổ sung cho nhau. Điện toán Sương mù (Fog) sử dụng một hệ thống tập trung tương tác với các gateway công nghiệp và hệ thống máy tính nhúng trên mạng cục bộ, trong khi điện toán biên (edge computing) thực hiện phần lớn việc xử lý trên các nền tảng điện toán nhúng giao tiếp trực tiếp với các cảm biến và bộ điều khiển. Tuy nhiên, sự khác biệt này không phải lúc nào cũng rõ ràng, vì các tổ chức có thể rất khác nhau trong cách tiếp cận xử lý dữ liệu của họ.

Điện toán Sương mù (Fog computing)

Điện toán Sương mù (Fog) và điện toán biên (edge computing) xuất hiện tương tự nhau vì cả hai đều liên quan đến việc đưa trí thông minh và xử lý gần hơn với việc tạo ra dữ liệu . Tuy nhiên, sự khác biệt chính giữa hai nằm ở vị trí của trí thông minh và sức mạnh tính toán được đặt. Một môi trường Sương mù (Fog) đặt thông tin  tại mạng cục bộ (LAN).

Kiến trúc này truyền dữ liệu từ các điểm cuối đến một gateway, sau đó nó được truyền đến các nguồn để xử lý và truyền trở lại. điện toán biên (edge computing) đặt trí thông minh và sức mạnh xử lý trong các thiết bị như bộ điều khiển tự động nhúng.

Ví dụ, thử nghiệm động cơ phản lực tạo ra một lượng lớn dữ liệu về hiệu suất và tình trạng của động cơ rất nhanh. Các gateway công nghiệp thường được sử dụng trong ứng dụng này để thu thập dữ liệu từ các thiết bị biên (edge), sau đó được gửi đến mạng LAN để xử lý.

Trong điện toán sương mù, việc vận chuyển dữ liệu từ mọi thứ lên cloud đòi hỏi nhiều bước.

1. Đầu tiên, tín hiệu điện từ mọi thứ theo truyền thống được nối với các điểm I / O của bộ điều khiển tự động hóa (PLC hoặc PAC). Bộ điều khiển tự động thực hiện một chương trình hệ thống điều khiển để tự động hóa mọi thứ.
2. Tiếp theo, dữ liệu từ chương trình hệ thống điều khiển được gửi đến máy chủ OPC hoặc gateway giao thức, giúp chuyển đổi dữ liệu thành giao thức mà các hệ thống Internet hiểu, như MQTT hoặc HTTP.
3. Sau đó, dữ liệu được gửi đến một hệ thống khác, chẳng hạn như nút sương mù hoặc gateway IoT trên mạng LAN, thu thập dữ liệu và thực hiện xử lý và phân tích cấp cao hơn. Hệ thống này lọc, phân tích, xử lý và thậm chí có thể lưu trữ dữ liệu để truyền lên đám mây hoặc mạng WAN vào một ngày sau đó.

Điện toán biên (Edge computing)

Điện toán biên (edge computing) là một phần mở rộng của các công nghệ cũ hơn như mạng ngang hàng, dữ liệu phân tán, công nghệ mạng tự phục hồi và các dịch vụ cloud từ xa. Nó được hỗ trợ bởi phần cứng yếu tố hình thức nhỏ với các mảng lưu trữ flash cung cấp hiệu suất được tối ưu hóa cao. Các bộ xử lý được sử dụng trong các thiết bị điện toán biên (edge computing) cung cấp bảo mật phần cứng được cải thiện với yêu cầu năng lượng thấp.

Điện toán biên (edge computing) cung cấp nhiều lợi thế so với các kiến ​​trúc truyền thống như tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên trong một hệ thống điện toán đám mây. Việc thực hiện các tính toán ở rìa mạng giúp giảm lưu lượng mạng, giúp giảm nguy cơ tắc nghẽn dữ liệu. điện toán biên (edge computing) cũng cải thiện bảo mật bằng cách mã hóa dữ liệu gần lõi mạng hơn, đồng thời tối ưu hóa dữ liệu xa hơn từ lõi để thực hiện.

Trong điện toán biên, các tài sản vật lý như máy bơm, động cơ và máy phát điện một lần nữa được kết nối vật lý vào một hệ thống điều khiển trong đó PAC tự động hóa chúng bằng cách thực hiện chương trình hệ thống điều khiển trên tàu. PAC thông minh với khả năng tính toán biên thu thập, phân tích và xử lý dữ liệu từ các tài sản vật lý mà chúng được kết nối với tập tin đồng thời đang chạy chương trình hệ thống điều khiển. PAC sau đó sử dụng khả năng tính toán biên để xác định dữ liệu nào sẽ được lưu trữ cục bộ hoặc gửi lên đám mây hoặc fog để phân tích thêm.

Khác biệt cơ bản giữa Cloud Computing – Fog computing và Edge computing

Trong kiến ​​trúc cloud IoT truyền thống, tất cả dữ liệu từ tài sản vật chất hoặc vật thể được chuyển đến cloud để lưu trữ và phân tích nâng cao. Khi ở trên cloud, dữ liệu được sử dụng cho tiên lượng nhận thức (nghĩa là bảo trì dự đoán, phân tích lỗi pháp y và tối ưu hóa quy trình).

Điện toán sương mù và điện toán cạnh trong các ứng dụng sản xuất và tự động hóa là các kiến ​​trúc mạng và hệ thống cố gắng thu thập, phân tích và xử lý dữ liệu từ các tài sản này hiệu quả hơn kiến ​​trúc cloud truyền thống. Những kiến ​​trúc này có chung mục tiêu:

• Để  giảm lượng dữ liệu được gửi lên cloud
• Để  giảm độ trễ mạng và Internet
• Để  cải thiện thời gian đáp ứng hệ thống trong các ứng dụng quan trọng từ xa.

Tuy nhiên, có một sự khác biệt chính giữa hai khái niệm. Cả điện toán sương mù và điện toán biên đều liên quan đến việc đẩy trí thông minh và khả năng xử lý xuống gần hơn với nơi dữ liệu bắt nguồn từ biên mạng. Sự khác biệt chính giữa hai kiến ​​trúc là chính xác nơi trí tuệ và sức mạnh tính toán được đặt.

• Điện toán sương mù đẩy trí thông minh xuống mức kiến ​​trúc mạng cục bộ (LAN), xử lý dữ liệu trong nút sương mù hoặc gateway IoT.
• Điện toán biên đẩy trí thông minh, sức mạnh xử lý và khả năng giao tiếp của gateway biên hoặc thiết bị trực tiếp vào các thiết bị như PAC (bộ điều khiển tự động hóa lập trình).