Como dimensionar IoT às necessidades do negócio

Há apenas alguns anos, muitos esperavam que toda a Internet das Coisas (IoT) migrasse para a nuvem – e grande parte de IoT conectada ao consumidor realmente se encontra lá. No entanto, um dos princípios básicos do projeto de criação de IoT em escala corporativa é fazer um uso equilibrado de computação de borda e nuvem – a maior parte dessas soluções exige agora uma combinação balanceada entre as duas. Comparadas às ferramentas somente em nuvem, a união dessas soluções pode aliviar a latência, aumentar a flexibilidade e aprimorar o acesso a informações, promovendo uma tomada de decisão mais rápida e assertiva nas organizações.

Para isso, é preciso que a complexidade introduzida pela computação de borda justifique os objetivos da empresa, como escala, velocidade e resiliência, para não incorrer em dificuldades e despesas operacionais substanciais. Cada empresa deve levar em consideração a gama completa de fatores que reflitam seus próprios objetivos ao projetar e construir uma solução de IoT.

Neste artigo, analisamos quando e como as empresas podem otimizar o uso de computação de borda e de nuvem em suas soluções de IoT. Explicamos os papéis desempenhados pelos diferentes tipos de computação e algumas das complexidades da computação de borda, além de mostrar casos de uso.

A explosão de computação em nuvem e o desafio da latência: a entrada da computação de borda

Tivemos uma verdadeira explosão na adoção de computação em nuvem na última década – a estrutura de TI de muitas empresas modernas existe exclusivamente, ou em grande parte, na nuvem. Entre os muitos benefícios da infraestrutura de nuvem, estão relação custo-benefício, escala, automação do autoatendimento, interoperabilidade com os sistemas de backoffice tradicionais e funcionalidade centralizada.

Ao mesmo tempo, a quantidade de dados gerados por sensores também cresceu muito, e espera-se que essa tendência continue nos próximos anos. Como os dados podem perder seu valor logo após serem gerados, muitas vezes em milésimos de segundos, a velocidade com que as organizações convertem dados em percepções – e depois em ação – é uma variável crítica. Portanto, ter a menor latência possível entre a geração de dados e a decisão ou ação subsequente pode ser fundamental para preservar a agilidade de uma organização. No entanto, como a velocidade da transmissão de dados é inevitavelmente limitada pela velocidade da luz, esse desafio só pode ser mitigado, ou evitado, com a redução da distância que os dados devem percorrer. Em um mundo apenas de nuvem, os dados acabam viajando centenas ou até milhares de quilômetros. Assim, quando a latência é crítica para uma organização, a computação de borda torna-se essencial.

Estima-se que 55% dos dados de IoT poderão em breve ser processados perto da fonte, no próprio dispositivo ou por meio da computação de borda. A escala desempenha um papel importante nessa mudança – as demandas crescentes de dados devem focar na latência, e a redução da latência poderá melhorar muito o tempo de resposta, economizando tempo e dinheiro.

O que é computação de borda?

A computação de borda é uma funcionalidade de arquitetura distribuída, como processamento e armazenamento, localizada mais perto ou na própria fonte dos dados. Os exemplos incluem câmeras com processamento de imagem no dispositivo e dispositivos médicos portáteis que enviam dados para um telefone celular via bluetooth. Diante dessas qualidades, o uso balanceado da computação de borda e de nuvem agora é considerado um requisito essencial para projetar e criar soluções de IoT em escala corporativa.

Muito além da latência

A latência é apenas um dos muitos motivos para impulsionar a adição de funcionalidades de borda a uma solução de IoT. Ao dar vida à computação de borda e em nuvem, ter uma compreensão de casos reais é extremamente importante. A constante evolução da tecnologia, como a eventual disponibilidade de 5G, costuma afetar a equação entre custo/latência/equilíbrio. Dessa forma, é pertinente considerar as atuais condições na tomada de decisões ao invés de simplesmente deixar de lado as opções anteriores. Estar atento a todos os determinantes ao projetar uma solução de IoT é essencial, pois diferentes drivers podem ser aplicados em uma mesma situação.

Potenciais benefícios da computação de borda

• Disponibilidade e uso da largura de banda – A largura de banda (capacidade de transmissão de dados de um ponto para outro em um determinado tempo) para comunicações de longa distância pela internet está melhorando, mas a quantidade de dados gerados também está crescendo exponencialmente – e pode superar a capacidade disponível em breve. Aproximar o processamento da fonte dos dados ajuda no balanceamento da equação – o processamento local (incluindo compactação, filtragem e priorização) pode ajudar a fazer uso efetivo e eficiente da largura de banda disponível.
• Conectividade de rede – Ter a funcionalidade mais próxima ajuda a garantir que os aplicativos não sejam interrompidos quando ocorrerem problemas de conectividade de rede. Por exemplo, aplicativos críticos usados em uma plataforma de perfuração offshore, onde o risco de uma interrupção na conectividade da rede é alto, podem se beneficiar do processamento de borda.
• Segurança de rede – Usar uma forma de arquitetura de nuvem/borda do tipo hub-and-spoke auxilia na localização ou compartimentação de segredos de dispositivos (tokens, chaves, certificados etc) em vez de armazená-los todos em um só lugar, ajudando a aprimorar a segurança.
• Autonomia – Muitas soluções de IoT exigem autonomia, com terminais que operam sozinhos ou com um gateway e um servidor de borda, fornecendo capacidade de processamento e armazenamento suficiente para monitorar, gerenciar e responder em nível local. Exemplos comuns incluem veículos autônomos, monitores cardíacos e dispositivos médicos similares e usinas de energia, em que o sistema deve continuar funcionando autonomamente, mesmo se a conectividade for perdida.
• Privacidade de dados – Cada ponto de dados possui requisitos significativos de privacidade, segurança e regulamentação, enquanto muitos pontos de dados precisam ser contidos perto de onde são gerados. Isso é possível por meio da computação de borda. É especialmente relevante em certas verticais em que a privacidade é fundamental (assistência médica) e/ou a regulamentação sobre a movimentação de dados é rigorosa (como na Alemanha).
• Normalização / homogeneização de dados – Conforme os dados são criados, eles devem ser interpretados. Há um grande número de protocolos que precisam ser suportados e uma ampla variedade de dispositivos. Para gerenciar efetivamente essa escala de variedade, os dados de sensores precisam ser normalizados, usando a conversão para os padrões de mensagens. A homogeneização pode ser feita de maneira mais eficaz na borda, geralmente em um gateway, e não na nuvem, onde os recursos de processamento são melhor aplicados em funções direcionadas à obtenção de valor dos dados. Essa normalização ou homogeneização de dados na borda costuma ser acoplada à filtragem e a outras funções de “compactação” de dados, ajudando também a fazer um uso mais eficiente da largura de banda disponível.
• Filtragem/priorização de dados – Normalmente, apenas uma parte da imensa quantidade de dados gerados pelos dispositivos de IoT é relevante. Portanto, filtrar dados redundantes ou inúteis reduz não apenas os custos de transferência e a largura de banda necessária, mas também limita os custos de computação em nuvem e armazenamento. Em muitos casos, filtragem e priorização também significam a transformação dos dados brutos do sensor. A computação de borda pode evitar que as empresas armazenem e/ou transmitam dados desnecessários.
• Dispositivos mais simples e baratos – Gateways e servidores de borda permitem dispositivos mais simples e baratos, pois o armazenamento e o processamento de dados são transferidos para eles em vez de serem incorporados no sensor ou dispositivo.
• Latência – A velocidade com que as organizações convertem dados em percepções e depois em ação é frequentemente crítica – especialmente nos casos que envolvem segurança. Além da limitação teórica imposta pela velocidade da luz, existem as limitações de eficiência muito mais práticas que os hops (caminho da rede de computador entre origem e destino) e equipamentos de rede podem impor quando grandes quantidades de dados precisam percorrer longas distâncias. A computação de borda pode ajudar a resolver esse desafio, aproximando o processamento da fonte dos dados.

Equilíbrio entre a computação em nuvem e de borda em soluções de IoT

A IoT pode ter um efeito significativo na capacidade de uma organização em ser mais ágil. A seguir, apresentamos algumas possibilidades pelas quais a computação de borda e em nuvem ajudam a agregar e transmitir dados em nome de empresas conectadas pela IoT.

Fábricas inteligentes – As empresas estão rapidamente se movendo em direção a uma arquitetura orientada a eventos e processos digitais automatizados em tempo real. Entretanto, quando você considera que muitas organizações têm fábricas em diferentes regiões geográficas – cada uma com características e requisitos funcionais específicos –, o desafio de manter uma capacidade exclusivamente centralizada de análise de dados na nuvem ou em um data center corporativo torna-se presente.

A computação em nuvem oferece vários benefícios e certamente tem um papel na fabricação inteligente. Com os dados na nuvem, um recurso centralizado de operações pode monitorar sistemas e processos em um grande portfólio, possivelmente global, além de possibilitar a realização de análises comparativas que podem determinar o potencial de otimizações. Ainda assim, uma arquitetura integrada de nuvem e de borda fornece uma conectividade rápida e praticamente sem impedimentos exigida pelas fábricas inteligentes.

Edifícios inteligentes – O surgimento de dispositivos de IoT inteligentes e a conectividade onipresente criaram uma oportunidade de transformar edifícios – sejam escritórios, lojas, fábricas ou hospitais – em ambientes econômicos e responsivos, proporcionando experiências incríveis aos seus ocupantes. Edifícios inteligentes são estruturas conectadas digitalmente que combinam automação predial e operacional otimizada com gestão inteligente de espaço para aprimorar a experiência do usuário, aumentar a produtividade, reduzir custos e mitigar riscos físicos e de segurança cibernética. Edifícios inteligentes e digitais abrangem diferentes setores e usos, mas todos eles podem fornecer os mesmos recursos básicos: conectar seres humanos; fornecer melhor controle das instalações e operações; oferecer maneiras de colaborar digitalmente; e permitir economia de recursos, incluindo espaço, energia, água e funcionários. Cada um desses quatro recursos pode formar a base para a criação de uma estratégia de edifício inteligente que possa oferecer benefícios mensuráveis.

Por exemplo, 75% a 80% dos custos do ciclo de vida de um edifício estão relacionados às suas operações. Todos os grandes edifícios comerciais e residenciais têm algum tipo de sistema de automação (ou gestão) que controla coisas como aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC). Para introduzir recursos de edifícios inteligentes, como iluminação inteligente com sensores de ocupação incorporados, e que interajam com o sistema principal, é necessário no mínimo um gateway com algum recurso adicional fornecido com um servidor de borda.

A computação de borda fornece dados (de ocupação, por exemplo) de sensores estrategicamente posicionados a um serviço hospedado na nuvem que realiza análises especializadas. Os resultados dessas análises podem ser enviados de volta, via gateway ou servidor de borda, para alterar os horários dos equipamentos conectados ao sistema principal a fim de otimizar as operações. Essa configuração também é necessária para obter uma visão geral do portfólio das operações e condições do edifício. A computação de borda e em nuvem permite uma gestão otimizada dos recursos.

Complexidades e desafios no dimensionamento de soluções de IoT usando computação de borda e em nuvem

Embora a computação de borda ofereça sólidos benefícios, também pode introduzir complexidades operacionais e de projeto. O processamento de borda é altamente distribuído e costuma incluir locais distantes e/ou de difícil acesso, incluindo sensores/atuadores e gateways em escritórios, fábricas, campus universitários, tubulações e locais remotos. Qualquer organização pode ter milhares de dispositivos e centenas de gateways associados. Cada um desses pontos possui uma classe específica de software (firmware), sistemas operacionais, alguma forma de virtualização e contêineres, além de softwares instalados – alguns fornecidos pelos fabricantes e outros pelos fornecedores de soluções. Eles precisam ser gerenciados e mantidos adequadamente pelo proprietário/gerente desses pontos, exigindo um enorme grau de automação (como backups, correções, atualizações e monitoramento).

O número de potenciais problemas é enorme e a solução de problemas pode ser muito desafiadora e complexa em um modelo altamente distribuído. Em muitos casos, os técnicos de serviço de campo precisam estar regularmente presentes no local para resolver problemas que ocorrem como resultado de atualizações ou mesmo manutenção geral. Esses drivers também tendem à necessidade de uma abordagem abrangente definida por software, pois esse tipo de atualização é mais fácil e conveniente do que as atualizações de hardware.

Atualização contínua – Apesar de seus desafios, a computação em nuvem evita preocupações com muitos dos principais problemas de TI, oferecendo um certo grau de autoatendimento e automação. O processamento de borda exige que operações comuns do data center (provisionamento, atualização, gestão de mudanças e monitoramento), além de outras funções de nível superior (gestão de dispositivos, atualização de modelos de aprendizado de máquina etc) sejam realizadas e replicadas para todos os pontos de borda e agrupamentos. Essa é uma tarefa pesada e exige que a empresa mude de certa forma o foco das necessidades de negócios.

Políticas e práticas – As políticas e práticas usadas nos data centers tradicionais geralmente não são prontamente aplicáveis às implementações de borda, que são distribuídas em vários locais e consideravelmente mais dinâmicas que os data centers tradicionais. A realização da gestão operacional de tal sistema é um desafio complexo.

Custo – Embora a computação em nuvem ofereça flexibilidade com base em demanda e seja prontamente configurável, automatizada e resiliente, fornecer esses recursos na borda pode ser caro e complexo. A flexibilização da expansão de uma implementação de borda existente para permitir um número maior de dispositivos e pontos de borda envolve investimentos significativos em hardware e software adicionais.

Segurança cibernética – Estender a nuvem e o data center até a borda com vários pontos e dispositivos aumenta exponencialmente a superfície para ataques cibernéticos. Pontos de saída inseguros, como dispositivos e nós de borda, podem ser usados como locais de acesso para ativos valiosos em uma rede corporativa, facilitando ataques de bloqueio de serviço. Manter a posição física e de segurança cibernética de todos os ativos na borda é um desafio complexo e crítico.

Como determinar a necessidade de processamento de borda em uma solução de IoT

Incrementar uma complexidade desnecessária a uma solução pode ser dispendioso, arriscado e envolver desperdício. Isso significa que adicionar um processamento de borda a uma solução de IoT é uma decisão que precisa ser tomada com cuidado, a partir de uma avaliação minuciosa de riscos e benefícios.

Em muitos casos, a borda é simplesmente uma parte necessária ou obrigatória da solução de IoT, dada a tecnologia operacional já existente. A adição de um componente hospedado na nuvem de uma solução de IoT requer algum grau de presença da computação de borda, mesmo que um gateway. Da mesma forma, o desejo de adicionar recursos inteligentes à infraestrutura existente do sistema de gestão de edifícios e fornecer uma visão de portfólio imobiliário com base na nuvem exige o uso de alguns recursos de processamento de borda.

Recursos e justificativas para considerar o processamento de borda em uma solução de IoT

• Autonomia e resiliência – A solução exige autonomia e não pode haver interrupções de conexão.
• Urgência e segurança – As velocidades nas quais as decisões e ações necessárias são importantes e a segurança é uma preocupação ou resultado importante.
• Privacidade, segurança, conformidade e obediência aos regulamentos – Os requisitos exigem que alguns dados sejam contidos perto de onde são gerados.
• Tecnologia operacional e outros protocolos – Esses protocolos existem devido à simplicidade ou à natureza dos dispositivos e normalmente exigem que pelo menos um gateway de borda seja usado.
• Volumes de dados e largura de banda – Fazer uso efetivo e econômico da largura de banda e dos recursos da nuvem ou do data center, principalmente quando os volumes são grandes e/ou parte significativa dos dados gerados é desnecessária, geralmente exige algum processamento local para filtrar, compactar ou transformar os dados antes da transmissão para a nuvem.

Desafios de dimensionamento de IoT com o uso de apenas computação de borda ou computação em nuvem

Projetar uma solução de IoT de grande porte que não faça nenhum uso de computação de borda e envia todos os dados para a nuvem com o objetivo de realizar a ação esperada apresenta desafios de escala relativos à capacidade da largura de banda. Nesses casos, é muito provável que haja a necessidade de atualizações na infraestrutura de rede. Além disso, à medida que aumenta o porte da solução, o uso exclusivo de computação em nuvem pode exigir a reconfiguração dos aplicativos de suporte (“ingestion engines”) e o balanceamento de carga por meio de intervenção manual.

As complexidades de uma arquitetura distribuída exclusivamente com base em computação de borda (especialmente uma que possa envolver processamento distribuído) não são menores e aumentam com a escala. A gestão de sistemas e aplicativos é altamente complexa e as ferramentas necessárias para isso ainda precisam amadurecer. Em muitos casos, as implementações de borda não consideram adequadamente a capacidade de expansão, complicando o suporte de mais dispositivos e mais dados.

Como começar

O primeiro passo é avaliar se a computação de borda é necessária. Pode ser que a melhor solução seja uma solução puramente em nuvem. A próxima etapa é determinar os recursos necessários para a computação de borda e, em seguida, determinar o modelo de implementação mais apropriado, considerando que o processamento de borda pode ser feito por dispositivos, gateways, servidores de borda, possivelmente em várias camadas ou micro centros de dados. Pode haver grandes variações nos recursos de computação, capacidade de resposta e localização.

Em alguns casos, soluções pré-configuradas, aplicadas em um único produto integrado, oferecem simplicidade, mas às custas da flexibilidade. A capacidade fornecida pela flexibilidade de autoconstrução a partir dos melhores componentes é atraente, apesar de custar desenvolvimento e estabilização de software/produto, o que prolonga o tempo necessário para fornecer uma solução e traz vários riscos inerentes.

Na hora de escolher a opção mais adequada para cada caso, é importante prestar atenção às mudanças no cenário da computação de borda e realizar um teste de conceito para o projeto de implementação.

Há outra variável que vale a pena considerar: o cenário dos fornecedores de computação de borda está passando por mudanças rápidas. A maioria dos fornecedores de infraestrutura ou plataforma de IoT reconhece que a computação de borda é uma parte importante de muitas soluções de IoT e hardware de entrega, como gateways ou servidores, com alguns recursos de processamento de dados, análises e armazenamento local. Esses fornecedores de hardware tendem a confiar em outros para gestão de dispositivos, manipulação de protocolo e conversão, além de outros recursos. É provável que ocorra uma consolidação significativa nesse espaço, pois os fornecedores procuram oferecer soluções completas.

Conclusões

Os dispositivos de IoT e os dados que eles fornecem estão transformando o mundo e a forma como interagimos. Grande parte do mundo da IoT para consumidores conectados reside principalmente na nuvem. No entanto, na maioria dos casos, uma eficiente solução de IoT envolve alguma combinação de computação de borda e em nuvem. A computação de borda pode reduzir a latência, melhorar a flexibilidade e aprimorar o acesso a informações para que decisões mais rápidas e acertadas possam ser tomadas, tornando, consequentemente, as empresas mais ágeis.

Ao decidir sobre a combinação equilibrada entre funcionalidades de borda e em nuvem em uma solução de IoT, é preciso ponderar que a computação de borda tem diversas configurações e cada uma traz seus próprios benefícios e desafios específicos. Complexidades e despesas operacionais significativas podem surgir em pouco tempo. Portanto, as empresas devem considerar uma ampla gama de fatores ao projetar e construir qualquer solução de IoT.

A solução de IoT precisa envolver o devido nível de complexidade, nem mais nem menos. Esses pontos aparentemente simples, mas essenciais, podem fazer toda a diferença no sucesso de uma solução.

Não há apenas uma resposta correta na avaliação nuvem versus borda em um contexto de IoT. Cada situação é única. Está claro, no entanto, que uma combinação equilibrada entre a computação em nuvem e de borda constituirá a arquitetura da IoT do futuro.

*Sobre os autores:

Ken Carrol é especialista da Deloitte em Internet das Coisas, cloud e edifícios inteligentes

Mahesh Chandramouli é gerente sênior da prática de Internet das Coisas da Deloitte Digital