التحديات الرئيسية في نشر شبكات الحاسوب

وقد برزت عملية حساب الفوج كهيكل تحويلي يدفع خدمات الحاسوب والتخزين والتواصل إلى مصادر البيانات - ولا سيما أجهزة الترميز - غير الاعتماد على مراكز البيانات السحابية البعيدة فقط، ومن خلال وضع الطاقة على حافة الشبكة، فإن حساب الضباب يخفض من درجة الحماسة، ويحافظ على النطاق الترددي، ويدعم اتخاذ القرارات في الوقت الحقيقي في تطبيقات تتراوح بين المدن الذكية والمركبات المستقلة.

وتبحث هذه المادة التحديات الرئيسية التي تواجه نشر شبكات حاسوبية للضباب، من تعقيد الهياكل الأساسية إلى الشواغل المتعلقة بالأمن والتشغيل المتبادل، ثم تقدم استراتيجيات عملية للتغلب على هذه الحواجز وتختتم بنظرة إلى المكان الذي يترأس فيه حساب الضباب.

التحديات الرئيسية في مجال نشر الحواسيب الفوجية

ويشمل نشر شبكة ضبابية تنسيق عدد كبير من المعاهد غير المتجانسة التي تنتشر في مختلف المواقع المادية، وتختلف قيود مواردها واحتياجاتها من الاتصال والملامح الأمنية عن مراكز البيانات السحابية التقليدية، وفيما يلي أهم التحديات التي تواجه توقعها ومعالجتها.

1 - تعقيد الهياكل الأساسية

وعلى عكس نظم السحب المركزية، يجب توزيع رموز الضباب عبر طابقين جغرافيين متعددين - طابقين، أو زوايا الشوارع، أو المركبات، أو الحقول الزراعية النائية، ويفرض كل موقع ظروفا بيئية فريدة، مثل درجات الحرارة القصوى، أو الاهتزاز، أو الغبار، أو توافر الطاقة المحدودة، ويعد تصميم المعدات التي يمكن أن تنجو من هذه الظروف مع الحفاظ على وصلات شبكية موثوقة عقبة هندسية كبيرة.

فبخلاف المعدات، فإن إدارة هذه الهياكل الأساسية الموزعة معقدة، فخلافا لمجموعة من مراكز البيانات السحابية، قد يشمل نشر الضباب مئات أو آلاف العوالق، ويتطلب توفير ورصد وتحديث البرمجيات، وتشويه المشاكل على هذا النطاق استخدام أدوات آلية قوية، واتباع نهج ناضج من أجهزة التعبئة مكيف لبيئة الحافة، ويمكن أن تتضاعف تكاليف النشر المادي والصيانة بسرعة إن لم يكن مخططا بعناية، بالإضافة إلى ضمان عدم وجود أي إضافة إلى ذلك.

2 - الشواغل الأمنية والمتعلقة بالخصوصية

ويوسع الحوسبة الفوج سطح الهجوم بشكل كبير مقارنة بنموذج السحاب المركزي، وتعالج البيانات عند الحافة، وغالبا ما تكون على أجهزة يمكن للمهاجمين المحتملين الوصول إليها ماديا، ويجب تأمين الاتصالات بين عوارض الضباب، والأجهزة الحافة، والسحب من النهاية، ومع ذلك فإن كثيرا من قطع الضباب لديها موارد مستهلكة محدودة تحد من استخدام الخوارزميات المشفرة الثقيلة.

كما أن الخصوصية هي ذات أهمية بالغة، ففي تطبيقات مثل الرعاية الصحية، والنقل الذكي، أو محللي التجزئة، يمكن تجهيز البيانات الشخصية الحساسة عند طبقة الضباب، حيث أن اللوائح مثل الناتج المحلي الإجمالي أو برنامج العمل الإنساني الدولي تفرض شروطاً صارمة على تحديد المواقع والمناولة، ويجب على المنظمات أن تطبق ضوابط صارمة على الوصول، وتسمية البيانات، ومسارات مراجعة الحسابات عبر نظام موزع، وهو ما هو أكثر صعوبة بكثير من إنفاذ هذه السياسات الإدارية في بيئة محكمة.

3 - قابلية التشغيل المتبادل والتوحيد القياسي

ويشتت النظام الإيكولوجي للضباب، إذ يقدم البائعون منابر وبروتوكولات وآليات رصد الملكية، مما يجعل من الصعب إدماج الأجهزة والخدمات من مختلف مقدمي الخدمات، ويعني عدم وجود معايير معتمدة على نطاق واسع أن على المهندسين في كثير من الأحيان بناء مكيفات مع الأعراف أو من خلال الإطار المتوسط لتمكين الاتصال بين المكونات، مما يزيد من وقت التنمية والرأس العام للعمليات ويخلق مخاطر على قفل البائعين.

وقد حاولت جهود مثل الهيكل المرجعي للشبكة المفتوحة (الذي أصبح الآن جزءا من اتحاد الإنترنت الصناعي ) وEEE 1934 توحيد أطر حساب الضباب، ولكن الاعتماد ما زال غير متكافئ، وتثير تحديات التشغيل المتبادل مشاكل خاصة في عمليات نشر المركبات الفضائية المتعددة، حيث تتطور المنظمات غير المتجانسة في مجال البرمجيات.

4- القدرة على العمل والقابلية للاعتماد على الشبكات

ومن الوعود الرئيسية التي تنطوي عليها الحوسبة الضبابية وجود تساهل شديد في التطبيقات في الوقت الحقيقي، مثل القيادة المستقلة أو مراقبة العمليات الصناعية، غير أن تحقيق درجة منخفضة من الرضا في شبكة موزعة غير متجانسة ليس أمراً تافهاً، ولا تزال تعطل الشبكات أو الازدحام أو القيود المفروضة على عرض النطاق الترددي تتسبب في تأخيرات، لا سيما عندما تكون هناك روابط خلفية مع السحابة معنية بالتنسيق أو دعم البيانات.

ويمكن أن تفشل أو تفصل العواصم الفوجية نفسها بسبب انقطاع الكهرباء أو الضرر المادي، وفي النظم الحرجة، لا ينبغي أن يؤدي فشل العشب الوحيد إلى تدهور الأداء العام، بل إن تصميم التجاوزات عبر العوارض المتناثرة جغرافياً يزيد من تعقيدها، كما أن القدرة على الاتصال الموثوق بها تتوقف على نوعية الهياكل الأساسية للشبكات المحلية - فاي، الخلية (5 زاي)، أو التليف اللاسلكي الذي يختلف اختلافاً واسعاً في مواقع النشر.

5 - القيود على الموارد والإدارة

وعادة ما تكون عقدات الفوج أقل قوة من الخواديم السحابية، مع وجود وحدة محدودة من وحدات التصوير المقطعي، والذاكرة، والتخزين، ويجب أن تدير خدمات التحليلات المحلية، والتشيخ، والاتصالات، مع ترك مجال العمل في المستقبل، ويستلزم تحقيق التوازن بين هذه الموارد المحدودة بين المهام المتنافسة تخصيص موارد ذكية - شيء ما زال مجالاً نشطاً للبحث، بينما يؤدي التقصير إلى تبديد الأداء وتفوي.

وكثيراً ما تُستخدم في إدارة دورة الحياة الكاملة للرسومات الضبابية - نشرها وتحديثها وتوسيعها وسحبها عبر آلاف القطع التي يحتمل أن تكون من التحديات التي تواجه مجموعة الديفو في المقام الأول، وكثيراً ما تُستخدم أدوات التشجير التقليدية (الناموسيات، ودوكر سوار) موارد وفرة ووصلات مستمرة، وهي ليست حالة العديد من عمليات نشر الضباب.

الاستراتيجيات الرامية إلى التغلب على التحديات

وفي حين أن هذه التحديات هائلة، فإنها ليست قابلة للتجاوز، فالجمع بين التخطيط الدقيق واعتماد المعايير الناشئة والاستثمار في الأدوات المناسبة يمكن أن يتيح النجاح في نشر شبكات الضباب.

الإطار الأمني القوي

وينبغي للمنظمات أن تعتمد نهجاً معمقاً في مجال الدفاع يشمل وحدات الأمن القائمة على المعدات (الآليات الأمنية، واللافئات الآمنة)، والتوثيق القوي باستخدام الشهادات أو الهوية القائمة على سلسلة من السلاسل، والتشفير النهائي حتى فيما يتعلق بالاتصالات الآلية - الملاحية، وينبغي تصنيف البيانات، وينبغي تجهيز البيانات الحساسة للخصوصية على أقرب مصدر ممكن - إيدياً على المبادئ الأساسية للكشف الآلي (الدليل)().

المشاركة النشطة في جهود توحيد المعايير

ولتقليل ألم التشغيل المتبادل، ينبغي للمنظمات أن تعتمد معايير مفتوحة وملحقات قياسية، حيثما أمكن ذلك، والمشاركة في اتحادات الصناعة مثل اتحاد الإنترنت الصناعي أو كونسورتيوم الحاسوب المتطور يساعد على وضع معايير المستقبل ويكفل أن تكون مقاييس الطرق الداخلية متسقة مع النظام الإيكولوجي الأوسع، وعند اختيار المعدات والبرامجيات، تعطي الأولوية للحلول التي تستند إلى البروتوكولات الموحدة (MQTT, APC UA, Himp/2).

تصميم الهياكل الأساسية القابلة للاتساع والمتكررة

:: البنية التحتية للخطط مع إعادة الإغراق في الاعتبار: نشر عُدد متعددة من الضباب في مناطق التغطية المتداخلة، واستخدام مسارات متنوعة للشبكات، وإدراج الطاقة الاحتياطية، والنظر في استخدام شبكات مراعية للوقت على وصلات سلكية أو 5G URLC على أساس سلكي، وينبغي أن يكون النشر المادي على شكل نظام متحرك لإضافة أو استبدال عقدة دون تعطيل النظام بأكمله.

التوجيه الذكي وإدارة الموارد

:: وضع أطر لتركيزات الوزن الخفيف المصممة للوقود الحافية المزودة بالموارد، مثل K3s (توزيع الفولوزن الخفيف) أو مؤسسة إدجكس، وتنفيذ سياسات لوضع عبء العمل الآلي استناداً إلى توافر الموارد من العقيدات، وبطاقة الشبكات، والاحتياجات من موقع البيانات، واستخدام نموذج للتشغيل الهرمي في الحالات التي لا يقوم فيها جهاز تنسيق مركزي بإدارة مجموعات تجميعية إقليمية، مما ينبغي أن يؤدي بدوره إلى إدارة عمليات البرمجيات المحلية

التوقعات المستقبلية

ومع أن الشبكات العاملة بخمسة جيات أصبحت أكثر انتشاراً، وتناقص تكاليف المعدات، فإن حساب الضباب من المحتمل أن يصبح هيكلاً قياسياً للعديد من تطبيقات التغيُّر والتأشيرات في الوقت الحقيقي، وستزيد التكنولوجيات الناشئة مثل استخدام تكنولوجيا المعلومات في الحافة والتعلم الاتحادي من قيمة عوارض الضباب، غير أن التحديات المذكورة أعلاه لن تختفي بين عشية وضحاها، كما أن مواصلة البحث في مخططات أمن الوزن الخفيف، وفي هياكل مرجعية موحدة، وأدوات قوية للتركيزة أمر بالغ الأهمية.

والمنظمات التي تبدأ في التصدي لهذه التحديات التي بدأت الآن - تبدأ بعمليات نشر تجريبية، تكون الهياكل الأساسية التي تختبر الإجهاد، والأمن، والقابلية للتشغيل المتبادل - في وضع أفضل لتصنيف شبكات الضباب بثقة، والمبالغ كبيرة: انخفاض مستوى الرطوبة، ووفورات النطاق الترددي، وتعزيز الخصوصية، والقدرة على إدارة التطبيقات الذكية التي تولد فيها البيانات.

For further reading on architecting fog solutions, the ]OpenFog Consortium (now part of the IIC) remains a valuable resource, as is the practical guidance in the IETF document on challenges and opportunities for fog computing.