From Cloud to Fog –
Machbarkeit einer
dezentralen IT-Architektur

Durchführung: Sommer 2018

Ausgangssituation

Cloud-Computing-Dienste stehen vor neuen Herausforderungen mit dem Potenzial, den Markt mit neuen technologischen Ansätzen zu durchschlagen. Dies liegt einfach an der schieren Menge der erzeugten Daten, die in Cloud-Rechenzentren verarbeitet werden müssen. Gartner prognostiziert bis 2020, dass zirka 21 Millliarden Geräte Teil des Internet of Things sein werden, mit einem Potenzial von über drei Billionen US-Dollar Umsatz.

Intelligente Geräte werden immer leistungsfähiger, aber ihre Potenziale werden nicht effizient genutzt. Neue Technologien führen zu neuen architektonischen Mustern. Fog Computing ist ein solches Muster, das dezentrale Rechenleistung nutzt.

Fog Computing als architektonisches Muster wird die Cloud auf Offshore-Plattformen, Smart Cities und das Wohnzimmer aller Menschen erweitern. Fog Computing nutzt IoT-Geräte und allgemeine Rechenleistung, um Kapazität und Verfügbarkeit genau dort anzubieten, wo Sie sie benötigen. 

Im Rahmen des GreenLabs analysierten wir das Potenzial von Fog Computing und bewerteten eine bestehende Fog-Computing-Plattform, um mehr Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie ein solcher neuer Ansatz Geschäftsmodelle beeinflussen könnte.

Strategischer Ansatz

Datengesteuerte Anwendungen und die große Zahl der angeschlossenen Geräte stellen heute die Forderung nach neuen Paradigmen des Computings und der Vernetzung auf. Dies liegt einfach an der schieren Menge der erzeugten Daten, die in Cloud-Rechenzentren verarbeitet werden müssen. Gartner prognostiziert bis 2020, dass zirka 21 Millliarden Geräte Teil des Internet of Things sein werden, mit einem Potenzial von über drei Billionen US-Dollar Umsatz. Laut Wang et al. „eine unhaltbare Lösung, da die Häufigkeit und Latenz der Kommunikation zwischen Anwendergeräten und geografisch weit entfernten Rechenzentren über das hinausgehen wird, was mit der bestehenden Kommunikations- und Recheninfrastruktur bewältigt werden kann“. (Edge-centric Computing: Vision and Challenges, 2015) 

Wie groß ist das Potenzial von Fog Computing in naher Zukunft im Allgemeinen? Welche Maßnahmen können heute ergriffen werden, um auf neue technologische Ansätze vorbereitet zu sein, die die Kosten deutlich senken können? 

Unsere Arbeit beleuchtet relevante Anwendungsfälle, das Potenzial von Fog Computing sowie existierende Plattformen. Damit wollen wir eine Antwort auf die zentrale Frage finden, ob Cloud Computing durch Fog Computing ersetzt werden wird.

Unsere Hypothese: Fog Computing wird Cloud Computing ersetzen! 

Im Rahmen unseres GreenLabs wollen wir unsere Hypothese mit drei zentralen Fragen bewerten.

  • Wie groß ist das Potenzial des Fog Computing bis 2022? (Analyse)
  • Welches sind relevante Anwendungsfälle von Fog Computing? (Analyse)
  • Woran können wir das Potenzial des Fog Computing veranschaulichen? (Demo-Case)

Umsetzung

Was ist Fog Computing? Fog Computing ist eine horizontale Architektur auf Systemebene, die Computer-, Speicher-, Steuerungs- und Netzwerkfunktionen näher an den Benutzern entlang eines Cloud-to-Device-Kontinuums verteilt. (Liang Zheng, 2018)

Fog Computing stellt das fehlende Glied im Cloud-to-Device-Kontinuum dar. Es ist ein wichtiges Architektur-Pattern für die heutige vernetzte Welt, da es eine geringe Latenz und einen zuverlässigen Betrieb ermöglicht und die Notwendigkeit einer persistenten Cloud-Konnektivität überflüssig macht, um aufkommende Anwendungsfälle in Internet of Things (IoT), 5G, Artificial Intelligence (AI) und Virtual Reality zu adressieren. Fog Computing rückt Berechnung, Speicherung, Kommunikation, Steuerung und Entscheidungsfindung selektiv näher an die Netzwerkkante, an der Daten erzeugt und verwendet werden. Dadurch werden die Einschränkungen bestehender Infrastruktur aufgehoben, um geschäftskritische, datenintensive Anwendungsfälle zu ermöglichen. Fog Computing ist eine Erweiterung des traditionellen Cloud-basierten Computing-Modells, bei dem Implementierungen der Architektur auf mehreren Ebenen der Netzwerkhierarchie liegen.

Anwendungsfall Smart Building

Die heutigen Smart Buildings beginnen, das industrielle Internet für bessere Geschäftsergebnisse zu nutzen, wie z.B. eine höhere Energieeffizienz, ein besseres Nutzererlebnis und niedrigere Betriebskosten. Sie können Tausende von Sensoren enthalten, die verschiedene Gebäudebetriebsparameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Belegung, Energieverbrauch, Keycard-Leser, Parkraumbelegung, Feuer, Rauch, Überschwemmung, Sicherheit, Aufzüge und Luftqualität messen.

Diese Sensoren erfassen gemeinsam riesige Datenmengen, die übertragen, gespeichert, analysiert und bearbeitet werden müssen – oft in Echtzeit, um ein wirklich intelligentes Gebäudeerlebnis zu ermöglichen. Diese Aktionen erfordern Tausende von Sensoren, die in der Lage sind, eine feingranulare Steuerung von Beleuchtung, Umwelt, Sicherheit und Gebäudetechnik durchzuführen.

Die Fog-Computing-Architektur gibt Technologie-Anbietern für Smart Buildings die Flexibilität, mit ihren Kunden zusammenzuarbeiten, um gezieltere, ergebnisorientierte Lösungen zu entwickeln. Durch die Verlagerung von Berechnung, Vernetzung und Speicherung an Orte innerhalb des Gebäudes entfällt die Einschränkung, ganz am Rande nur im lokalen Bereiche zu arbeiten, oder ganz in der Cloud mit unzureichenden Echtzeitantworten – was mit vielen Vorteilen verbunden ist.

Marktanalyse

Die Marktforschung prognostiziert, dass sich Fog Computing auf einem Wachstumspfad befindet und eine entscheidende Rolle in IoT, 5G und anderen fortschrittlichen, verteilten und vernetzten Systemen spielen wird. Fog Computing wird in 2022 ein Marktvolumen von 18 Milliarden US-Dollar einnehmen und damit auf das Vierfache anwachsen. Die Hauptmärkte, auf denen Fog Computing eine Rolle spielen wird, sind Landwirtschaft, Gesundheit, Industrie, Militär, intelligente Gebäude, intelligente Städte und Wearables. In der gleichen Zeit erwartet man beim Cloud Computing jedoch mehr als eine Verdoppelung des Marktvolumens. (Research, 2017)

Obwohl der Fog-Computing-Markt zunehmen wird, wird er innerhalb des gesamten Cloud-Computing-Marktes nur eine geringe Rolle spielen. (For13) 

 

Potenzial einer Fog-Computing-Plattform

Wir haben die SONM-Plattform als potenziellen Kandidaten identifiziert, um das Potenzial bestehender Fog-Computing-Plattformen zu bewerten. Wieso SONM?

  • SONM ist ein aktives Mitglied des OpenFog-Konsortiums. Das OpenFog-Konsortium ist das relevante Konsortium im Zusammenhang mit Fog Computing auf globaler Ebene.
  • SONM verspricht, die am besten geeignete Plattform für unsere Bewertung zu sein.
  • SONM bietet einen dezentralen Marktplatz, auf dem Verbraucher Rechenleistung mit Lieferanten austauschen können.

SONM könnte eine sinnvolle Alternative zu Cloud-Lösungen und -Diensten sein, da es eine Fog Computing-Struktur verwendet.

Ergebnisse

Im Rahmen des GreenLabs konnten wir die drei zentralen Fragestellungen beantworten.

Wie groß ist das Potenzial des Fog Computing bis 2022?
Es gibt einen 18 Milliarden US-Dollar-Markt für Fog Computing. Um sein Potenzial voll auszuschöpfen, müssen jedoch branchenweite Standards gesetzt werden. Im Vergleich zu Cloud Computing wird es nur eine Nischenrolle einnehmen.

Welches sind relevante Anwendungsfälle von Fog Computing?
Fog Computing ist besonders interessant, wenn lokale Daten aggregiert werden müssen, während Latenz und Sicherheit eine wichtige Rolle spielen.

Woran können wir das Potenzial des Fog Computing veranschaulichen?
Aufgrund der aktuell noch bestehenden Funktionseinschränkung der SONM-Plattform (Launch: Sommer 2018), konnten wir keinen Fog-Computing-Prototypen aufbauen, aber die Plattform erfolgreich testen.

Unsere Untersuchung zeigt, dass Fog Computing das Cloud Computing nicht vollständig ersetzen wird. Damit ist unsere Hypothese widerlegt. Fog Computing ist eher eine Ergänzung für Cloud-Systeme und wird zukünftig eine immer wichtigere Rolle einnehmen. Folglich arbeitet Fog mit der Cloud, um die Anforderungen ausgewählter Anwendungsfälle zu erfüllen. Bestimmte Funktionen sind natürlich vorteilhafter, wenn sie in Fog-Systemen ausgeführt werden, während andere besser für die Cloud geeignet sind. Die traditionelle Backend-Cloud wird auch in Zukunft ein wichtiger Bestandteil der Computersysteme bleiben, im Zuge der Fortentwicklung von Fog Computing.

Unser GreenLab Team

Interviews - Bonusmaterial

Igor Lebedev

Which potential do you see in providing a decentralized approach for computational services?
Decentralization is not the value on its own. We need to understand what do we get along with it and what we pay for it. In our case, a decentralized base brings up yet unreachable resources from around the network, from a global pool. Now, not only in datacenters, but from everywhere. A big army of resources stands ready to handle more computing load that was yet imaginable. This is what is decentralization potential is about.

Which impact to the cloud computing market do you expect considering the potential of your solution?
Our solution indeed may impact cloud market in a way, that it will pull SOME Customers from cloud paradigm onto the Fog. Mission critical consistent databases will stay in the cloud, while intensive auxilary payloads will look for other solutions with better global scalability, on-places availability and more efficient price. So cloud market will split into cloud and fog.

What is the linkage between Sonm and fog computing, from your point of view?
There are some links: Sonm is itself an example of Fog computing application. Sonm runs on many devices around, this is foggy. At the same time Sonm provides a platform for other applications to run fog computing.

What are the biggest challenges for your platform to be successful?
The biggest challenges are in business - the adoption by Customers. In technology data privacy and computation verification/validity. Here we have intensive research and development and see some solutions possible.

Why do you think providers and consumers should use your marketplace?
The marketplace itself is not a value for customers, I don’t think they care about whether this is a marketplace, an exchange or a centralized shop. What they may be interested in, is the product itself: the computing foundation, the IaaS. As benefits we bring: Times lower price, global availability and a large pool of GPUs for compute-intensive tasks.

Which actions will be necessary to convince providers and customers to switch to your platform?
I think we need to show successful examples - show cases, use cases. We work to help first Sonm adopters to launch and adopt their software. Then we want to show case them and help others. I think examples and help is a way to go - to start the disruptive wave.

Igor, thanks for taking your time and sharing your thoughts.

Igor Lebedev
CTO SONM

Oleg Lyubimov

Oleg Lyubimov

Oleg, thanks for having me. Could you describe what Selectel aims at regarding the announced partnership with Sonm?

Hello! The idea of partnership between Selectel and Sonm is pretty straightforward. We are going to use decentralized Sonm resources as a backend for our existing and future cloud services. At the first stage we plan to make storage solutions: object storage and file storage. According to our vision, such solution can be really cost-effective and not hard to implement and maintain. At the second stage we plan to research the possible computing solutions based on Sonm.

Do you think the cost reduction will be worth it? What are the next steps?

Yes, we believe Selectel services based on Sonm can be few times cheaper compared to AWS prices. As for the roadmap, first storage solutions are easy to implement – we can encrypt everything on our side and provide fault tolerance by erasue coding and multi-replication. Computing solutions require more research regarding privacy. Selectel team will not be involved in Sonm development directly, but we will develop our services with option to use Sonm resources as a backend instead of servers in data centers. Our goal is to integrate Sonm resources in such a way that it is not noticeable for the end customer if he uses data center service or Sonm network service.

Oleg, thanks for taking your time and sharing your thoughts.

Oleg Lyubimov
former CEO Selectel,
today COO of SOMN

Literatur:
Consortium, OpenFog. 2018. IEEE adopts OpenFog Reference Architecture as official standard for fog computing. OpenFog Consortium. [Online] 26. June 2018. [Zitat vom: 29. June 2018.] https://www.openfogconsortium.org/news/ieee-adopts-openfog-reference-architecture-as-official-standard-for-fog-computing/

Edge-centric Computing: Vision and Challenges. P. Garcia Lopez, A. Montresor, D. Epema, A. Datta, T. Higashino, A. Iamnitchi, M. Barcellos, P. Felber, and E. Riviere. 2015. 45, September 2015, SIGCOMM Computer Communication Review, pp. 37-42.

Forecast: Connected "Things" in Use, Internet of Things Endpoint Spending by Category, 2014-2020. Gartner. [Online] [Zitat vom: 2018. 06 13.] https://www.gartner.com/newsroom/id/3871416

Forecast: Public Cloud Services, Worldwide, 2015-2021, 4Q17 Update. Gartner. [Online] [Zitat vom: 2018. 06 13.] https://www.gartner.com/newsroom/id/3871416

Incl, Cisco Systems. 2015. Computing Overview. Cisco Globald. [Online] 1. May 2015. https://www.cisco.com/c/dam/en_us/solutions/trends/iot/docs/computing-overview.pdf

Liang Zheng, Carleen Joe-Wong. 2018. Fogonomics. Open Fog Consortium. [Online] 30. Juni 2018. https://www.openfogconsortium.org/fogonomics-pricing-and-incentivizing-fog-computing.

OpenFog. 2017. OpenFog Reference Architecture Executive Summary. OpenFog Confortium. [Online] 8. February 2017. [Zitat vom: 29. June 2018.] https://www.openfogconsortium.org/wp-content/uploads/OpenFog-Reference-Architecture-Executive-Summary.pdf

OpenFog, Consortium. 2017. OpenFog Reference Architecture. OpenFog. [Online] 8. February 2017. https://www.openfogconsortium.org/wp-content/uploads/OpenFog-Reference-Architecture-Executive-Summary.pdf

Research, 451. 2017. 451-Research-report-on-5-year-Market-Sizing-of-Fog-Oct-2017. 451research.com. [Online] 2017. [Cited: 2018 06 11.] https://www.openfogconsortium.org/news/fog-computing-global-market-will-exceed-18-billion-by-2022/