Was ist Edge Computing und wie funktioniert es?

Edge Computing

Am Anfang der elektronischen Datenverarbeitung standen zentrale Rechensysteme, die mit mehreren Terminals verbunden waren. Alle Datenübertragungen liefen dabei über einen Zentralrechner. Edge Computing arbeitet komplett anders. Die Anwendungen, Dienste und Daten werden weg von einem zentralen Knoten, dem so genannten Zentralrechner, direkt zu den Rechnern verlegt und dort verarbeitet, wo sie benötigt werden. Man könnte auch sagen, die Datenverarbeitung und eine Speicherung findet nicht mehr in einem zentralen Rechner in der Mitte eines Netzwerkes statt, sondern an dessen Rändern, daher auch der Begriff „Edge“ für Rand oder Kante.

Warum weg von der zentralen Datenverarbeitung?

Das Ziel bei der Datenverarbeitung mittels Edge Computing besteht darin, die Datenströme möglichst ressourcenschonend zu verarbeiten, indem sie direkt am jeweiligen Endgerät verarbeitet werden und nicht erst zu oder von einem zentralen Rechner übertragen werden müssen. Ein weiteres wichtiges Ziel besteht darin, eine Datenverarbeitung in Echtzeit wesentlich effektiver umzusetzen, beispielsweise in Geräten mit intelligenten Anwendungen oder mobilen Endgeräten, die dennoch mit einem Netzwerk verbunden sind. Findet die Datenverarbeitung in den betroffenen Endgeräten statt, können Verzögerungen durch eventuelle Programm- oder Datenänderungen vermieden werden.

Die Funktionsweise vom Edge Computing

Das Hauptprinzip des Edge Computing besteht darin, dass eine Verarbeitung von in einer Anwendung anfallenden Daten quasi am Rande eines Netzwerkes stattfindet statt in einem Rechenzentrum oder auf einem Zentralrechner. Dieser Punkt im Rande des Netzwerkes kann zum Beispiel ein mobiles Endgerät sein, auf dem eine Anwendung läuft und somit auch eine Auswertung von Daten stattfinden muss. Während in anderen Szenarien die durch das Endgerät ermittelten Daten erst an eine zentrale Stelle geleitet und dort verarbeitet werden müssen, findet hier die Datenverarbeitung direkt an Ort und Stelle statt. Eine Verbindung zum Netzwerk besteht natürlich trotzdem, weshalb zum Beispiel Daten bei Bedarf an andere Netzwerkkomponenten weitergeleitet werden können, damit andere Prozesse (beispielsweise Fertigungsprozesse in einem Industrieunternehmen) die vom Endgerät ermittelten Daten bei Bedarf nutzen und verarbeiten können, beispielsweise für Optimierungen innerhalb von Fertigungsprozessen.

Welche Rollen spielen dabei Edge Device und Edge Gateway?

Als Edge Device könnte das bereits erwähnte mobile Endgerät bezeichnet werden, also das Endgerät, welches Daten generiert, beispielsweise innerhalb einer Fertigungsstraße in einem Industriebetrieb. Es verarbeitet diese Daten selbst, um zum Beispiel einen Fertigungsprozess am Laufen zu halten. Es kann aber genauso gut auch ein Endgerät wie ein Smartphone, ein autonomes Fahrzeug sowie ein beliebiges anderes (mobiles) Endgerät sein. Die andere wichtige Komponente besteht aus einem so genannten Edge Gateway, welcher quasi zwischen dem Edge Device und dem eigentlichen Netzwerk installiert wurde. Er nimmt die Daten vom Endgerät entgegen, sorgt für eine lokale Datenverarbeitung und selektiert sowie verschickt Daten an andere Netzwerkkomponenten wie zum Beispiel zentrale Rechenzentren oder Computer. Dabei handelt es sich in der Regel um solche Daten, die nicht direkt in Echtzeit verarbeitet werden müssen, beispielsweise zentrale Speicherungsdienste (gegebenenfalls auch in einer Cloud). Um mit mobilen Endgeräten kommunizieren zu können, besitzen die Edge Gateways verschiedene Schnittstellen, darunter auch drahtlose Schnittstellen zu den Edge Devices sowie zu den Clouds in privaten sowie öffentlichen Netzwerken.

Die Vorteile vom Edge Computing

Gegenüber zentralisierten Computersystemen sowie Netzwerken bietet das Edge Computing einige Vorteile wie beispielsweise die dezentrale Datenverarbeitung, durch die eine Verringerung der zu übertragenen Datenmengen erfolgen kann. Die gibt aber noch einige weitere Vorteile dieses Systems:

  • die Datenverarbeitung direkt in der Nähe der Datenquellen
  • dadurch geringere Übertragungszeiten und Antwortzeiten
  • eine Kommunikation in Echtzeit
  • eduzierung von Datendurchsatz und Bandbreitenbelegung im Netz
  • Vermeidung von Datenengpässen zu zentralen Rechensystemen
  • Aufrechterhaltung von vielen Funktionen auch beim Ausfall von Teilen eines Netzwerkes
  • keine Notwendigkeit, sensible Daten über Netzwerke zu versenden, sondern ausschließlich in einem begrenzten Bereich
  • flexible skalierbare Technologie mit mehr intelligenten Endgeräten

Es gibt auch einige Nachteile

Einer der Hauptnachteile dieses Systems besteht darin, dass es sehr schnell zu einer kaum noch zu überschauenden Komplexität der gesamten Architektur kommen kann. Die gesamte Netzwerkumgebung setzt sich aus sehr vielen unterschiedlichen Geräten zusammen, meist noch von verschiedenen Herstellern. Dadurch können Probleme mit Schnittstellen oder mit der Kompatibilität von Übertragungsprotokollen auftreten. Außerdem benötigt die Technologie viele auf den jeweiligen Geräten zu installierende Anwendungen, was unter anderem auch die Administration und den Betrieb der Netzwerkumgebung deutlich aufwendiger macht. Zudem ist eine Erhaltung der notwendigen Betriebssicherheit nur dann gewährleistet, wenn für alle dezentralen Geräte entsprechende Sicherheitskonzepte entwickelt wurden. Der Aufwand für diese Maßnahme steigt durch die Vielzahl verschiedener Gerätearten wesentlich.

Die notwendigen technischen Grundlagen für Edge Computing

Wenige technische Grundlagen müssen geschaffen werden, damit Edge Computing funktionieren kann. Zum einen ist es eine Netzwerkarchitektur mit ausreichenden Kapazitäten, die zur Verfügung stehen muss. Dies gilt sowohl für die verdrahtete Netzwerkarchitektur als auch für die drahtlose Datenübertragung, die kompatible Protokolle für alle beteiligten Endgeräte zur Verfügung stellen muss und natürlich ausreichende Kapazitäten. Kritisch kann es da an verschiedenen Stellen werden wie beispielsweise bei einer Datenübertragung über die Mobilfunknetze, gerade dann, wenn es zu sehr umfangreichen Datenübertragungen kommt. Diese Schwierigkeiten bestehen besonderes bei der Anwendung des Edge Computing im Bereich mobiler Kommunikation, beispielsweise beim autonomen Fahren.

Edge Computing in Industrie 4.0 und Internet der Dinge (Internet of Things, kurz IoT)

Edge Computing spielt in vielen Bereichen eine wichtige Rolle, darunter auch in der Industrie 4.0 und im Bereich Internet der Dinge. Es bietet die idealen Bedingungen für Anwendungen, in denen große Datenmengen anfallen, die in Echtzeit verarbeitet werden müssen, wie diese auch in immer stärker automatisierten Prozessen innerhalb der Industrie 4.0 anfallen. Das Internet der Dinge, also die Verknüpfung von Endgeräten verschiedenster Art über das Internet, ist ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich des Edge Computing, da auch hier Daten unter Umständen über das Internet übertragen werden müssen, beispielsweise bei der Kommunikation von mobilen Endgeräten mit lokalen Netzwerken bzw. den darin vernetzten Rechnern. Hier geht es darum, Daten auch in größeren Mengen nahezu überall verfügbar zu machen bzw. von überall aus aufrufen zu können, und das mit nur möglichst geringen Latenzzeiten. Das Edge Computing ist heute eine wichtige Grundvoraussetzung geworden, die verfügbaren zentralen Datendienste mit Clouds zu verbinden bzw. über diese auch an anderen Stellen bereitzustellen.

Edge Computing und Cloud Computing wachsen zusammen

Edge Computing arbeitet nicht mit zentralisierten Servern wie beim klassischen Cloud-Computing, was es auch für das Internet der Dinge und die automatisierten Prozesse der Industrie 4.0 interessant macht, nicht zuletzt wegen der in Echtzeit möglichen Verarbeitung auch größerer Datenmengen. Dabei ist es dennoch möglich, dass das Edge Computing vom Cloud Computing und dessen Vorteilen profitiert, indem beispielsweise die Edge Devices und die Edge Gateways die für die zentralen Dienste vorgesehenen Daten über ein Netzwerk an die Rechenzentren weiterleiten, welche nicht direkt verarbeitet werden müssen.

Einige wichtige Anwendungsbereiche des Edge Computing

Ein paar wichtige Anwendungsbereiche wurden bereits genannt. Hier ist eine Übersicht wichtiger Anwendungsbereiche, in denen das Edge Computing schon eine wichtige Rolle spielt oder in denen es immer wichtiger wird:

Fertigungsprozesse im Bereich der Industrie 4.0
Verknüpfung von zentralen Netzwerken mit mobilen Endgeräten, Fertigungsmaschinen und deren Steuereinheiten sowie anderen, mit dem Internet verbundenen elektronischen Geräten (Internet der Dinge)
im Bereich des autonomen Fahrens
intelligente Fertigungsprozesse durch Datenaustausch optimieren
effektive Datenübertragung bei gleichzeitiger Einsparung von Übertragungskapazitäten
einsetzbar in unterschiedlichsten Bereichen wie zum Beispiel autonome Mobilität, Einsätze im Gesundheitsbereich, zunehmende Automatisierung sowie alle Bereiche der Industrie

Edge Computing in Deutschland und ein Fazit

Die bereits heute anfallenden Datenmengen stellen nur einen Bruchteil von dem dar, was in den nächsten Jahren zu erwarten ist. Auch in Deutschland finden zur Zeit bereits ungeheure Mengen an Datenübertragungen statt. Hier gilt es, die Vorteile moderner Technologien zu nutzen, um die massiven Datenmengen möglichst effektiv zu nutzen und nicht notwendige Datenübertragungen zu vermeiden. Das Edge Computing ermöglicht es, Daten direkt am Ort des Geschehens in Echtzeit zu verarbeiten, damit Geräte, Maschinen oder Roboter untereinander kommunizieren können, um bestimmte Aktionen auszuführen. Dies ist leider noch längst nicht jedem Teil Deutschlands möglich, da die Datensätze hier sehr schnell an ihre Grenzen stoßen. Umso wichtiger ist es, die momentan zur Verfügung stehenden Ressourcen möglichst effektiv zu nutzen. Es gibt aber noch jede Menge Handlungsbedarf, gerade was die Bereitstellung der notwendigen Kapazitäten für die Datenübertragungen angeht.

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