Der Computing-Dreiklang – Fog- Edge- und Cloud-Computing

Ohne Glasfaser kein Edge Computing

| Autor / Redakteur: Karin Winkler (Red.: Ulrike Ostler) / Andreas Donner

Autonomes Fahren, IoT, Industrie 4.0, Digitalisierung – die Megatrends erfordern extrem performante, echtzeitfähige Glasfasernetze.
Autonomes Fahren, IoT, Industrie 4.0, Digitalisierung – die Megatrends erfordern extrem performante, echtzeitfähige Glasfasernetze. (Bild: andré walther)

Im Fahrwasser des Internet of Things (IoT) respektive Industrial Internet of Things (IIoT), aber auch im Zusammenhang mit der fortschreitenden digitalen Transformation fallen immer häufiger die Schlagworte Fog- und Edge-Computing. Ist das tatsächlich ein neuer Ansatz oder doch mehr ´alter Wein in neuen Schläuchen`? In welchen Anwendungsbereichen wird dieser Ansatz tatsächlich gebraucht?

Daten, Daten und noch mehr Daten. Industrie 4.0, die Smart Factory sowie IoT und IIoT tragen maßgeblich zum exponentiellen Wachstum der Datenberge bei. Auch gesellschaftliche Veränderungen treiben das Datenwachstum. Schon heute lebt gut die Hälfte der Menschheit in Städten – ein Ende dieser Entwicklung ist nicht abzusehen.

Das verlangt nicht zuletzt nach modernen Verkehrskonzepten, damit es im urbanen Umfeld nicht zum Verkehrskollaps kommt. Die Smart City der Zukunft braucht eine Kombination von Lösungen, die einen attraktiven öffentlichen Nahverkehr (ÖPNV) mit dem Individualverkehr sowie autonomen Fahrzeugen koppelt. Auch Radfahrer und Fußgänger müssen in die Überlegungen für zukunftsweisende Verkehrskonzepte mit einbezogen werden.

Das erfordert eine schnelle und individuelle Datenerhebung und -verarbeitung am Ort des Geschehens. Nur so können alle Beteiligten von den Konzepten für die moderne Stadt profitieren. Flächendeckend verfügbare, schnelle Glasfasernetze und das kommende 5G-Mobilfunknetz sind die Voraussetzung für diese Applikationen.

Das Datenwachstum

Nach Einschätzung führender Analystenhäuser wird das Volumen der Neu-Daten bis zum Jahr 2025 auf mehr als 160 Zettabyte anwachsen. Hinzu kommen die bereits vorhandenen Daten, die sich durch neue Anwendungen und Prozesse permanent verändern.

Dreh- und Angelpunkt für die Verarbeitung, Verwaltung und Speicherung dieser Daten sind und bleiben die Rechenzentren. Es sind aber nicht länger nur interne Daten, die hier zusammenlaufen. Vielmehr liefern auch externe und mobile Datenquellen weitere Informationen zu. Hier wirft das IoT bereits seine Schatten voraus. Das massive Datenvolumen führt im klassischen Rechenzentrum oft zu verzögerten Reaktionszeiten, denn von vielen verteilten oder mobilen Ressourcen sind die zentralen Knoten geografisch einfach zu weit entfernt, um noch vertretbare Latenzzeiten zu garantieren, wie sie für viele Abläufe erforderlich sind. Die Beeinträchtigung für Geschäfts- und Produktionsprozesse kann hoch sein.

Echtzeit spielt die Schlüsselrolle

Aber gerade moderne Prozesse im geschäftlichen Umfeld und/oder in der Fertigung erfordern nicht nur immer mehr und differenzierte Daten. Vielmehr spielt deren Echtzeit-Verfügbarkeit und -Verarbeitung im Umfeld von autonomem Fahren und Industrie 4.0 zunehmend eine entscheidende Rolle. Entwicklungen wie IoT und IIoT tragen maßgeblich dazu bei, die Belastung konventioneller Rechenzentren weiter zu steigern. Gleiches gilt auch für die digitalisierten Verkehrskonzepte der Zukunft.

Abhilfe sollen Fog- respektive Edge-Computing bieten. Die International Data Group (IDG) beispielsweise prognostiziert, dass bis 2019 etwa 43 Prozent der Daten, die das IoT generiert, in so genannten Edge-Computing-Systemen, am „Rande“ des herkömmlichen Netzwerks verarbeitet werden. Unternehmen wird geraten, die zunehmende Datenflut bereits am Rande ihrer herkömmlichen Netzwerke zu zähmen, um die konventionellen Datacenter zu entlasten.

Das wird notwendig sein, weil die Zahl der IoT-Devices in den kommenden Jahren weiter rasant ansteigt. Die Analysten der Gartner-Group erwarten, dass bis 2020 weltweit rund 20,4 Milliarden IoT-Geräte im Einsatz sind, die über eine IP-Adresse miteinander kommunizieren. Hinzu kommen weitere physische Objekte, die sich über integrierte aktive oder passive Sensoren via Bluetooth, Laser oder Infrarot auch ohne IP ablesen lassen.

Datenverarbeitung am Entstehungsort

Um zeitkritische Daten verzögerungsfrei zu verarbeiten, gilt Edge-Computing als adäquate Lösung. Autonome Fahrzeuge, Applikationen der Smart City, die auf Echtzeitdaten basieren oder mobiles IoT sind ohne Edge-Computing und 5G Mobilfunk nicht realisierbar. Im industriellen IoT gibt es bereits zahlreiche mögliche Szenarien. Manchmal reicht es, Sensordaten lediglich zusammenzuführen.

Ein anderes Mal wiederum müssen sie anhand bestimmter Kriterien auch gefiltert werden. Und gelegentlich ist sogar die Kapazität eines „Minirechenzentrums“ gefragt. Ein Beispiel dafür sind autonome Fahrzeuge. Beim selbstfahrenden Auto wird die gesamte Datenverarbeitung an Bord erledigt. Der Wagen muss innerhalb von Millisekunden reagieren können, etwa um Unfälle zu verhindern. Ohne Datenverarbeitung in Echtzeit nicht denkbar.

Der Dreiklang

Und hier kommt Edge-Computing ins Spiel. Das minimiert Latenzzeiten und verhindert Flaschenhälse im Datenfluss. Edge-Computing sorgt für die Echtzeitverfügbarkeit von Daten und schafft die Voraussetzungen für die Digitalisierung verteilter, kritischer Infrastrukturen.

Glasfaser-Technik erlaubt derzeit die schnellste Datenverbindung.
Glasfaser-Technik erlaubt derzeit die schnellste Datenverbindung. (Bild: Rosenberger OSI)

Durch den Brückenschlag zu den klassischen operativen Rechenzentrums-Technologien sowie zu Anwendungen in der Public Cloud können Unternehmen lokale Computerlösungen einsetzen, die sich je nach Bedarf beliebig skalieren lassen. Dies optimiert die Virtualisierung von Ressourcen und unterstützt Echtzeit-Anwendungen.

Edge-Computer integrieren Computer- sowie Speicher- und Netzwerkdienste und schlagen eine Brücke zur Cloud und den im Netzwerk eingesetzten Endgeräten. Sie können allerdings in der Regel nicht isoliert arbeiten, sondern werden mit dem so genannten „Fog Computing“ kombiniert.

Fog erweitert die Funktionalität von Edge-Computern, indem es die Cloud auf die lokale Ebene führt. Dabei werden sowohl zentralisierte als auch verteilte Computing-Ressourcen in einer einzigen Architektur kombiniert. Auf diese Weise wird es möglich, dass Edge-Geräte problemlos miteinander und mit der zentralisierten Cloud kommunizieren. Das OpenFog-Konsortium sagt, dass die Fog-Architektur das Edge-Computing-Modell ideal ergänze, da sie ein Bindeglied bereitstellt, das notwendig ist, um Daten in die Cloud zu übertragen oder zu entscheiden, was lokal verarbeitet werden sollte.

Edge und Fog

Edge-Server und Fog-Server reduzieren gemeinsam Latenzprobleme und optimieren die Reaktionsfähigkeit vom Anwendungen deutlich. Dazu wird ein Großteil der Datenverarbeitung, -steuerung und -verwaltung von lokalen Applikationen in der unmittelbaren Nähe von Sensoren oder Geräten durchgeführt. Das beschleunigt die Echtzeitverarbeitung unternehmenskritischer Daten, wie sie beispielsweise notwendig sind, um Alarme oder Warnmeldungen auszulösen.

Das kann der Fall sein, wenn kritische Situationen auftreten oder zeitnah die Wartung von Maschinen in der Produktion notwendig ist, um die Wertschöpfungskette nicht zu unterbrechen. Weniger kritische Dateninformationen werden – wie bisher - zur Verarbeitung und Analyse weiter an die Cloud oder das klassische Rechenzentrum übertragen.

Damit der Datenfluss ungebremst fließen kann, ist allerdings ein massiver Ausbau der vorhandenen Glasfaserinfrastruktur notwendig. Die Breitbandversorgung und der Aufbau zum Gigabit-Netz mit 5G ist die Voraussetzung dafür, dass Unternehmen das IoT produktiv für ihre Anwendungen nutzen können. Wesentlicher Bestandteil einer modernen Glasfaserinfrastruktur sind die Antennen der Mobilfunkmasten und Small-Cell Antennen bis hin zu LWL-Verkabelungssystemen die zu den Rechenzentren hinführen und dort auch als interne Infrastruktur zum Einsatz kommen.

Glasfaserverbindungen sichern hohen Datendurchsatz

Außergewöhnliche Rechenleistungen erfordern eine entsprechende Infrastruktur. Dies gilt explizit für die Verkabelung von Rechenzentren, aber auch die Anbindung externer Niederlassungen. Glasfaserkabel gelten unter Fachleuten hier als erste Wahl. Der Umbruch, den die kommenden Trendthemen von der Verkabelungsinfrastruktur verlangen, ist nur mit den schnellen und zuverlässigen Lichtwellenleitern zu bewerkstelligen.

Von der Stange gibt es diese Lösungen aber nicht. Vielmehr sollten Unternehmen sich bei der Planung und Realisierung solcher Lösungen auf das Know-How etablierter Spezialisten, wie Rosenberger OSI verlassen.

Das Angebot von Rosenberger OSI
Das Angebot von Rosenberger OSI (Bild: Rosenberger OSI)

Ergänzend zu Verbindungen mit Glasfaserkabeln kommen für moderne Anwendungen wie autonomes Fahren oder IoT auch drahtlose Übertragungstechnologien zum Einsatz. Bei den Sendemasten für die drahtlose Datenübertragung setzt die Telekommunikationsindustrie bereits seit Jahren weltweit auf Fiber-to-the-Antenna (FTTA) Verkabelungssysteme, wie sie Rosenberger Site Solutions im Portfolio hat.

Diese Technologie erfüllt alle Anforderungen, die in diesem Umfeld an die Infrastruktur gestellt werden. Dazu gehören neben Qualität und Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb auch eine hohe Resistenz gegen widrigste Umwelteinflüsse wie Hitze oder Kälte sowie extreme Temperaturschwankungen.

Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Verbindungen minimieren in großen Datacenter-Umgebungen die Latenzzeiten und sorgen für eine Echtzeit-Datenverarbeitung, wie sie für IoT, die smarte Fabrik oder vor allem auch das autonome Fahren notwendig sind. Verkabelungsspezialisten, die über das entsprechende Know-how verfügen, sind auch in der Lage, kundenspezifische LWL-Lösungen für Spezialaufgaben zu entwickeln, wozu auch die Einbindung von Geräten für das Edge-Computing gehört.

5G Mobilfunk als Enabler für autonomes Fahren und IoT

Als Enabler für autonomes Fahren, IoT und IIoT betrachten Fachleute die flächendeckende Einführung der nächsten Mobilfunkgeneration 5G. Sie wird mit neuen Standards die Voraussetzungen für die Echtzeitkommunikation schaffen, wie sie für zukunftsweisende Anwendungen in Verbindung mit Edge-Computing benötigt wird.

Aufgrund seiner erheblich höheren Datenkapazität sowie der extrem geringen Reaktionszeiten werde 5G den Weg in die vollständig vernetzte Gesellschaft umfassender erfüllen, als bisherige Technologien, schätzen die Experten. Damit könne die Basis für neue Anwendungen intelligenter Mobilität und nicht zuletzt für das IoT gelegt werden.

Nach seiner flächendeckenden Verfügbarkeit, mit der das Bundesministerium für Verkehr und digitale Technologien 2020 rechnet, habe 5G das Potenzial, Anwendungen aus dem Bereich Industrie 4.0, der Logistik und oder des vernetzten Fahrens voranzutreiben, heißt es. Über 5G werde auch die Steuerung einzelner Produktionsmittel erfolgen.

Auf der Basis entsprechender Hard- und Software ermögliche das Lösungen für die `Smart Factory` und die Kommunikation der dafür notwendigen Komponenten (Machine-to-Machine), so das Ministerium. Um den kontinuierlichen Datenaustausch, die Aktualisierung von Informationen und die Ausarbeitung notwendiger Handlungsempfehlungen zeitnah und konsistent zu garantieren, wird kein Weg an der leistungsstarken 5G-Technologie vorbeiführen.

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