エッジコンピューティング解明：仕組み、アーキテクチャ、実用例

ITエッジは、エンドデバイスがネットワークに接続してデータを配信し、中央サーバー（データセンターまたはクラウド）から指示を受け取る場所です。このモデルは過去には機能しましたが、現代のデバイスは大量のデータを生成するため、最適なパフォーマンスを維持するには高価な設備が必要です。

エッジコンピューティングは、データを生成するデバイスの近くに処理を移すことでこの問題を解決します。データが処理のために中央サーバーに移動する必要がないため、レイテンシーや帯域幅の問題が発生しません。

この記事はエッジコンピューティングの入門ガイドです。エッジコンピューティングとは何か、潜在的なユースケースを議論し、このテクノロジーがいかに安価で信頼性の高いデータ処理を実現するかを示します。

エッジコンピューティングとは？

エッジコンピューティングは、ネットワークのエッジ付近で行われるコンピューティングの一種です。処理はデバイス内または近くで行われるため、中央サーバーに移動するデータが少なくなります。ほとんどの操作がデータソース近くでリアルタイムに実行されるため、以下が実現されます：

• レスポンス時間の改善
• 帯域幅可用性の向上
• より信頼性の高いシステム洞察
• より包括的で迅速なデータ分析
• 高可用性

エッジコンピューティングは、ワークロードを最新に保ち、データプライバシーを確保し、HIPAA、GDPR、PCIなどのデータ保護法の遵守にも役立ちます。この処理モデルは、人工知能と機械学習によるさらなるイノベーションも可能にします。

エッジデバイスはデータを収集・保存し、情報をオンプレミスのエッジサーバーに送信します。このサーバーは以下の活動を処理します：

• リアルタイムデータ処理
• データ可視化と分析
• キャッシングとバッファリング
• データフィルタリング

エッジセンターは、最も複雑な処理リクエスト（ビッグデータ操作とビジネスロジック）をデータセンターまたはクラウドに送信します。中央専用サーバーの必要性は依然としてありますが、ローカル操作とプリソートされたデータにより、企業はレイテンシーをリスクにさらすことなく、より低速で安価な接続をセットアップできます。

エッジコンピューティング vs クラウドコンピューティング

エッジとクラウドコンピューティングの主な違いは、処理がどこで行われるかです：

• クラウドコンピューティングでは、すべてのデータ操作が集中化された場所で発生します。
• エッジコンピューティングでは、ほとんどのデータ関連プロセスがローカル（環境のエッジ）で発生します。

エッジコンピューティングは、意思決定のために時間に敏感なデータの処理に依存するユースケースに最適です。エッジコンピューティングがクラウドソリューションより優れているもう一つのユースケースは、インターネットへの接続がほとんどない、または全くないリモートロケーションでの操作です。

しかし、エッジコンピューティングはクラウドの代替ではありません。これらのテクノロジーは交換可能ではなく、エッジコンピューティングはクラウドを補完し、両テクノロジーが特定のユースケースでより良いパフォーマンスを保証します。

エッジコンピューティングアーキテクチャの解説

エッジエコシステムを形成する主要コンポーネントは以下の通りです：

• エッジデバイス： 限られたコンピューティング能力を持つ特殊目的の機器。
• エッジノード： エッジコンピューティングを実行するデバイス、サーバー、ゲートウェイ。
• エッジサーバー： エッジデバイスに近い施設にあるコンピューター。アプリケーションワークロードと共有サービスを実行するため、エッジデバイスより多くのコンピューティング能力が必要。
• エッジゲートウェイ： トンネリング、ファイアウォール管理、プロトコル変換、ワイヤレス接続などのネットワーク機能を実行するエッジサーバー。ゲートウェイはアプリケーションワークロードをホストすることもできます。
• クラウド： アプリケーションや機械学習モデルなどのコンテナ化されたワークロードのリポジトリとして機能するパブリックまたはプライベートクラウド。エッジノードを管理・実行するアプリもホストします。

エッジコンピューティングには3つの主要ノードがあります：デバイスエッジ、ローカルエッジ、クラウド。

デバイスエッジは、エッジデバイスがオンプレミスで実行される物理的な場所です（カメラ、センサー、産業機械など）。これらのデバイスはデータを収集・送信する処理能力を持ちます。

ローカルエッジは、アプリケーションとネットワークワークロードをサポートするシステムです。ローカルエッジには2つのレイヤーがあります：

• エッジデバイスではフットプリントが大きすぎて処理できないアプリを実行するアプリケーションレイヤー（複雑なビデオ分析、IoT処理など）
• ルーターやスイッチなどの物理または仮想化ネットワークコンポーネントを実行するネットワークレイヤー

クラウド（またはネクサス）は、他のエッジノードでは処理できないアプリケーションとネットワークワークロードを管理・実行します。名前にもかかわらず、このエッジレイヤーは社内データセンターまたはクラウドのいずれかとして実行できます。

以下の図は、より詳細なアーキテクチャと各エッジノードに関連するコンポーネントを示しています。

業界ソリューションとアプリケーションは、特定のワークロードがデバイスエッジまたはローカルエッジにより適しているため、複数のノードに存在し得ます。その他のワークロードも、特定の状況下でノード間を動的に移動できます（手動または自動）。

仮想化は、大規模エッジコンピューティングセットアップの重要な要素です。このテクノロジーにより、エッジサーバーで多数のアプリケーションをデプロイ・実行しやすくなります。

エッジコンピューティングのメリット

以下は、エッジコンピューティングを使用する最も顕著なビジネスメリットです。

レイテンシーの削減

エッジコンピューティングは、レイテンシーを削減することでネットワークパフォーマンスを改善します。デバイスがデータをネイティブに、またはローカルエッジセンターで処理するため、情報は標準的なクラウドアーキテクチャほど遠くまで移動しません。

例えば、同じビル内の2人の同僚がメールをやり取りする場合、標準ネットワークでは遅延を経験しやすいです。各メッセージはビルの外にルーティングされ、遠隔サーバーと通信し、受信者の受信トレイに戻ってきます。このプロセスがエッジで発生し、会社のルーターが社内メールを処理する場合、その遅延は発生しません。

エッジコンピューティングは「ラストマイル」ボトルネック問題も解決します。すべての移動データは目的地に到達する前にローカルネットワーク接続を通過しなければなりません。このプロセスは、インフラストラクチャの品質に応じて10〜65ミリ秒のレイテンシーを引き起こす可能性があります。エッジセンターを持つセットアップでは、トラフィックが集中型システムよりもはるかに少ないため、ボトルネック問題が発生しません。

より安全なデータ処理

従来のクラウドセットアップは、分散型サービス拒否（DDoS）攻撃と停電に対して脆弱です。エッジコンピューティングは処理とストレージを分散するため、システムは中断とダウンタイムに対してより強靭です。このセットアップは単一障害点に苦しみません。

また、ほとんどのプロセスがローカルで発生するため、ハッカーは転送中のデータを傍受できません。単一のコンピューターがデータ漏洩を経験しても、攻撃者が侵害できるのはローカルデータのみです。

コスト効率の良い拡張性

エッジコンピューティングは、IoTデバイスとエッジサーバーの組み合わせで企業がキャパシティを拡張できるようにします。リソース追加に、構築・維持・拡張が高価なプライベートデータセンターへの投資は不要です。代わりに、企業は地域エッジサーバーを設置してネットワークを迅速かつコスト効率よく拡張できます。

エッジコンピューティングの利用は、各新デバイスがネットワーク全体に更なる帯域幅要求を追加しないため、成長コストも緩和します。

新市場へのシンプルな展開

企業はローカルエッジデータセンターと提携して、新市場へ迅速に展開・テストできます。展開には新しい高価なインフラストラクチャは不要です。代わりに、企業はエッジデバイスを設置するだけで、レイテンシーなしで顧客にサービスを提供開始できます。市場が望ましくない場合、アンインストールプロセスも同様に迅速かつ低コストです。

このメリットは、接続性が限られた地域への迅速な展開を必要とする業界にとって不可欠です。

一貫したユーザー体験

エッジサーバーがエンドユーザーの近くで動作するため、遠隔地のネットワーク問題が顧客に影響を与える可能性は低くなります。ローカルセンターで停電が発生しても、エッジデバイスは重要な機能をネイティブに処理する能力があるため、動作を継続できます。システムはデータを他の経路に再ルーティングして、ユーザーがサービスへのアクセスを維持できるようにします。

エッジコンピューティングのデメリット

エッジコンピューティングは、ネットワークの全体的な攻撃対象領域を拡大します。エッジデバイスは、攻撃者が悪意のあるソフトウェアを注入してネットワークを感染させるエントリーポイントとして機能し得ます。

残念ながら、分散環境で適切なセキュリティを設定するのは困難です。ほとんどのデータ処理が中央サーバーとセキュリティチームの直接的な視線の外で行われます。新しい機器を追加するたびに攻撃対象領域も拡大します。

エッジコンピューティングのもう一つの一般的な問題はコストです。ローカルエッジパートナーと提携しない限り、インフラストラクチャのセットアップは高コストで複雑です。メンテナンスコストも通常高く、チームはさまざまな場所の多数のデバイスを良好な状態に保つ必要があります。

最後に、現在の標準が急速に進化しているため、企業はセットアップを最新に保つことに苦労する可能性があります。新しいデバイスとソフトウェアが定期的に登場するため、機器がすぐに陳腐化する可能性があります。

エッジコンピューティングの例とユースケース

以下は、さまざまな業界におけるエッジコンピューティングの最も有望なユースケースとアプリケーションです。

5Gとエッジコンピューティング

5Gの登場により、20Gbpsを超えるデータ速度と、平方マイルあたり100万デバイス以上の遅延なし接続が約束されています。この新興テクノロジーはエッジコンピューティングを新たなレベルに押し上げ、さらに低いレイテンシー、より高速な速度、向上した効率を可能にします。

企業は間もなく5Gを使用してネットワークエッジを拡張できるようになります。オーバーラップするネットワークにより、ビジネスはさらに多くのデータをエッジデバイスに保持できます。アプリケーションはネットワークとのリアルタイム通信にも依存できるようになり、IoTの拡大において重要な機能となるでしょう。

ビデオ監視

ビデオデータを中央サーバーに送信するのは遅く、高コストです。エッジコンピューティングは、カメラが初期ビデオ分析を実行し、関心のあるイベントを認識できるようにすることでこのプロセスを高速化します。デバイスはフィルタリングされた映像をローカルエッジに送信してさらなる分析を行います。

例えば、エッジカメラを備えたビルで火災が発生した場合、デバイスは炎の中の人間を識別できます。カメラが危険にある人物を検知すると、映像はレイテンシーなしでローカルエッジに送られます。ローカルエッジは映像をデータセンターに送って貴重な時間を失う代わりに、当局に連絡できます。

ヘルスケアの機会

患者監視用のエッジデバイスを設置することで、病院はデータプライバシーを確保し、患者ケアを改善できます。スタッフは患者により迅速かつ良質なケアを提供でき、病院はネットワークを流れるデータ量を削減し、中央サーバーの過負荷を回避できます。

エッジソリューションの導入は、携帯型心電図デバイス、温度監視センサー、グルコースモニターなど、重要な医療機器の運用方法を改善できます。高速データ処理は、リモート患者監視で貴重な秒数を節約できます。

コネクテッドカー

エッジデバイスを搭載した車は、さまざまなセンサーからデータを収集し、路上の状況にリアルタイムで対応できます。この機能は自律走行車の開発で不可欠になります。

エッジコンピューティングは自動車両隊列も可能にします。車やトラックのグループが互いに近接して隊列走行し、燃料を節約し渋滞を減らせます。先頭車両のみドライバーが必要で、残りの車両は先頭を追従し、レイテンシーなしで通信できます。

石油・ガス業界での監視

エッジコンピューティングは石油・ガスプラントの障害防止に役立ちます。これらのプラントは通常リモートロケーションで運用されるため、エッジセンターは遠隔サーバーやクラウドよりも優れた選択肢です。デバイスはリアルタイム分析を使用してシステムを監視し、災害発生前に機械をシャットダウンできます。

オンラインゲーミング

オンラインマルチプレイヤーゲームは、テクノロジーがラグを削減するためエッジコンピューティングの恩恵を受けます。プレイヤーはパフォーマンスに影響を与えることなく大規模マッチを開催できます。

クラウドゲーミングもエッジコンピューティングの恩恵を受けます。このタイプのオンラインゲーミングは、ビデオゲームのライブフィードをユーザーデバイスに直接ストリーミングします。データセンターがこれらのゲームを処理・ホストするため、ユーザーは一般的にレイテンシー問題を経験します。

クラウドゲーミング企業がゲーマーの位置に近いエッジサーバーを設置すれば、ストリームにレイテンシーがなくなり、ゲームプレイが完全にレスポンシブになります。

スマートファクトリー

製造プロセスへのリアルタイム対応は、工場内での製品欠陥削減と生産性向上に不可欠です。分析アルゴリズムは各機器の稼働状況を監視し、運用パラメータを調整して効率を改善します。

エッジデバイスは、障害が発生しそうなタイミングを検知・予測し、コストのかかる工場ダウンタイムを削減できます。企業はクラウドのような方法でプロセスを管理しながら、オンプレミスセットアップの信頼性を維持できます。

オンラインショッピング

レイテンシーの削減により、小売店は顧客に豊かでインタラクティブなオンライン体験を提供できます。店舗オーナーはシームレスなパフォーマンスでオンラインショッピングの拡張現実を作成し、買い物客が自宅から商品を購入できるようにします。

実店舗小売業者も、エッジコンピューティングを使用して店舗にバーチャルリアリティショッピングアシスタントを設置できます。

台頭するテクノロジー

専門家は、2025年までにデータ処理の75%が従来のデータセンターやクラウドの外で行われると予測しています。エッジコンピューティングに早期に取り組み、新たなビジネス機会を発見し、運用効率を向上させ、顧客に信頼性の高い体験を提供してください。