O material certo para a computação de borda no espaço

AWS Snowball + SpaceX Starlink + Couchbase Capella = Mais tempo de atividade, menor latência e melhor uso da largura de banda na borda

Os aplicativos devem ser sempre rápidos e estar sempre ativos

Suponha que você opere clínicas pop-up em vilarejos rurais e locais remotos onde não há Internet. Você precisa capturar e compartilhar dados em toda a clínica para fornecer assistência médica vital, mas se os aplicativos que você usa exigirem uma conexão com a Internet para funcionar, eles não poderão operar nessas áreas.

Ou talvez você seja um operador de petróleo e gás que precisa analisar dados críticos de alerta de um sensor de pressão em uma plataforma no Mar do Norte. Se os dados precisarem ser processados em data centers na nuvem, eles terão que percorrer distâncias incríveis - com grandes custos - em redes não confiáveis. Isso acarreta altos graus de latência, ou lentidão da rede, de modo que, quando um resultado é enviado de volta à plataforma, pode ser tarde demais para tomar qualquer medida.

Esses tipos de casos de uso representam uma classe crescente de aplicativos que exigem tempo de atividade 100% e velocidade em tempo real, garantidos - independentemente de onde estejam operando no mundo.

Um desafio fundamental para atender a esses requisitos continua sendo a rede - ainda há grandes áreas do globo com pouca ou nenhuma Internet, o que significa que os aplicativos que dependem da conectividade não podem operar nessas áreas. Os avanços emergentes na tecnologia de rede estão fechando essas lacunas, mas, independentemente da cobertura, da confiabilidade ou da velocidade de uma rede, ela inevitavelmente sofrerá lentidão e interrupções que afetarão os aplicativos que dependem dela, resultando em uma experiência ruim para o usuário e em tempo de inatividade para os negócios.

A escolha do desenvolvimento responsável

Como você garante a disponibilidade e a latência ultrabaixa dos aplicativos, especialmente quando operam em zonas mortas da Internet? Isso é possível ao compreender os desafios da conectividade de rede e trabalhar para contorná-los. 

A opção de desenvolvimento responsável é arquitetar e criar aplicativos que:

• • Ainda pode operar quando a conectividade de rede é interrompida ou não está disponível.
  • Pode fazer o uso mais eficiente da conectividade de rede quando ela estiver disponível, pois ela pode ser efêmera e nem sempre rápida.

Para isso, é preciso levar a infraestrutura de processamento e computação de dados para o lado mais próximo da rede, ou seja, para a borda literal, como na van da clínica pop-up ou na plataforma de petróleo, reduzindo as dependências de data centers em nuvem distantes.

Levando-o ao limite

Arquitetura de nuvem

Uma arquitetura de computação em nuvem pressupõe que o armazenamento e o processamento de dados sejam hospedados na nuvem. Nessa representação, os serviços de aplicativos e o banco de dados são hospedados e executados na nuvem, acessados a partir de dispositivos de borda por meio de chamadas REST:

A arquitetura de nuvem depende da Internet para que os aplicativos funcionem adequadamente. Se houver lentidão ou interrupção na rede, os aplicativos ficarão lentos ou pararão. 

Arquitetura de borda

As arquiteturas de computação de borda levam o processamento de dados para a borda, perto dos aplicativos, o que os torna mais rápidos porque os dados não precisam percorrer todo o caminho até a nuvem e voltar. E isso os torna mais confiáveis porque o processamento local de dados significa que eles podem operar mesmo sem a Internet. Não se trata de se livrar da nuvem; você ainda precisa desse eventual ponto de agregação. Trata-se de estender a nuvem para o lado mais próximo da rede. As arquiteturas de borda usam a rede para sincronização, em que os dados são sincronizados em todo o ecossistema de aplicativos quando a conectividade está disponível.

E é importante observar que, por "sincronização", queremos dizer algo mais do que apenas usar a rede para replicar dados. Trata-se também de usar a preciosa e efêmera largura de banda da forma mais eficiente possível quando ela estiver disponível.

A tecnologia Sync oferece compactação de registros cruzados, compactação delta, agrupamento, filtragem, capacidade de reinicialização e muito mais - e, devido a essas eficiências, ela transmite menos dados pelo cabo, o que é fundamental em redes lentas, não confiáveis ou com largura de banda compartilhada.

Em resumo, uma arquitetura de borda permite que você:

• • Capturar, armazenar e processar dados onde eles acontecem, fornecendo disponibilidade e velocidade.
  • Sincronize dados de forma segura e eficiente em todo o ecossistema de aplicativos, conforme a conectividade permitir, fornecendo consistência.

Agora vamos explorar como adotar uma arquitetura de borda.

Tudo o que você precisa fazer é ASC

Nos últimos dois anos, observamos um crescimento das tecnologias de última geração projetadas para tornar os aplicativos mais disponíveis em mais lugares e para mais usuários do que nunca. Esses avanços estão diminuindo o padrão e facilitando a adoção de arquiteturas de borda pelas organizações para garantir velocidade, tempo de atividade e uso eficiente da largura de banda para aplicativos, especialmente aqueles que operam em locais remotos e zonas mortas da Internet.

Para criar uma arquitetura de borda, você precisa de quatro componentes fundamentais do sistema:

1. 1. Um ambiente de computação em nuvem.
   2. Um ambiente de computação de borda.
   3. Uma rede que conecta a nuvem e a borda.
   4. Um banco de dados que sincroniza da nuvem para a borda.

Aqui, combinamos três tecnologias de última geração para criar uma arquitetura de ponta que pode operar em alta velocidade, o tempo todo, em qualquer lugar do planeta.

Nós o chamamos de ASC pilha:

• • ABola de neve WS
  • SpaceX Starlink
  • Couchbase Capella

O que é o AWS Snowball?

Bola de neve da AWS é um serviço que fornece dispositivos seguros, portáteis e robustos (chamados de dispositivos AWS Snowball Edge) que executam a infraestrutura da AWS para alimentar aplicativos na borda. 

Dispositivo de borda AWS Snowball (Fonte: Amazon)

Os dispositivos têm o tamanho aproximado de uma mala e oferecem computação local, processamento e armazenamento de dados para ambientes desconectados, como navios, minas, plataformas de petróleo, clínicas de campo e instalações de fabricação remotas. Onde quer que a infraestrutura AWS seja necessária, mas inviável devido à falta de Internet confiável, o Snowball oferece uma solução portátil.

Descrito em termos mais simples, o Snowball é um "data center do AWS em uma caixa" que chega à sua porta pré-configurado com os serviços do AWS e pronto para funcionar. Ele é compatível com AWS S3, EC2, Lambda, EBS e muito mais. Você o conecta e, em seguida, acessa e gerencia o ambiente por meio do plano de controle da AWS em redes locais.

Ao fornecer uma infraestrutura portátil, familiar e baseada em padrões, o AWS Snowball facilita para qualquer pessoa a configuração e a execução de data centers de borda sem se preocupar com a conectividade com a Internet.

O que é o SpaceX Starlink?

Starlink é um serviço de internet via satélite de última geração da SpaceX. Ele é formado por "constelações" de milhares de pequenos satélites em órbita terrestre baixa - cerca de 340 milhas no espaço. Isso se opõe aos satélites geoestacionários tradicionais de grande escala que orbitam em um local fixo a cerca de 22.000 milhas de altitude.

Devido à menor distância física entre a antena parabólica do cliente e o satélite, a Starlink pode fornecer latência de 20 a 50 milissegundos em média, o que é muito mais rápido do que a Internet via satélite tradicional (que, devido à maior distância, pode sofrer latências de até 600 milissegundos ou mais).

A órbita mais baixa e a tecnologia de rede inteligente permitem que a Starlink ofereça um desempenho comparável ao das redes terrestres. Seu serviço "Business" oferece velocidades de download de até 350 Mbps e latência de 20 a 40 ms.

Embora a Starlink forneça conectividade vital à Internet em áreas com poucas ou nenhuma outra opção, ela não é infalível. As conexões podem sofrer lentidão durante horários de pico quando é provável que a maioria dos usuários em uma determinada célula esteja compartilhando a largura de banda, ou se a antena parabólica tiver interferência de eletrodomésticos próximos, luzes fluorescentes ou outras redes Wi-Fi. E obstruções como nuvens, galhos de árvores ou paredes grossas podem interromper a conexão.

Por isso, é importante desenvolver aplicativos que possam suportar a lentidão e as interrupções intermitentes e permanecer totalmente disponíveis. Para isso, você deve maximizar o uso eficiente desse precioso recurso de rede compartilhada, movendo a menor quantidade possível de dados, em sua forma mais compacta.

O que é o Couchbase?

O Couchbase é uma plataforma de banco de dados em nuvem NoSQL com velocidade na memória, familiaridade com SQL e flexibilidade JSON. Ele oferece suporte nativo à arquitetura de borda, fornecendo:

• • Couchbase Capella: Um banco de dados como serviço (DBaaS) em nuvem totalmente gerenciado.
  • Serviços de aplicativos Capella: Serviços totalmente gerenciados para armazenamento de arquivos, sincronização bidirecional, autenticação e controle de acesso para aplicativos móveis e de borda.
  • Couchbase Lite: Uma versão leve e incorporável do banco de dados Couchbase.

O Capella App Services sincroniza os dados entre o banco de dados de nuvem backend e os bancos de dados de borda conforme a conectividade permite, enquanto que durante as interrupções de rede os aplicativos continuam a operar graças ao processamento de dados local.

Com o Couchbase, você pode criar arquiteturas de borda de várias camadas para dar suporte a qualquer requisito de velocidade, disponibilidade ou baixa largura de banda.

O Couchbase oferece sincronização integrada para dar suporte a arquiteturas de borda complexas de várias camadas

Testando a pilha

A Couchbase Engineering queria determinar uma linha de base para que a pilha ASC funcionasse melhor em conjunto, com cada tecnologia trabalhando para aprimorar e aumentar a funcionalidade da outra.

Para isso, configuramos a pilha em um local remoto em uma arquitetura de borda clássica:

• • O AWS Snowball Edge fornece infraestrutura de computação na borda.
  • O Couchbase é implantado no dispositivo Snowball Edge para armazenamento e processamento de dados locais.
  • O Couchbase Capella funciona como DBaaS de back-end hospedado na nuvem.
  • O Starlink fornece a rede do dispositivo Snowball Edge para o Couchbase Capella.
  • O Couchbase Capella App Services fornece sincronização segura entre o banco de dados de borda e o banco de dados em nuvem.

Couchbase em execução no AWS Snowball usando o Starlink para sincronizar com o Capella

Com essa arquitetura básica de borda implementada, decidimos medir sua eficácia na redução da latência e do consumo de largura de banda em comparação com uma arquitetura de nuvem em que o aplicativo lê e grava no Starlink via REST.

Executamos quatro cenários de teste:

Teste 1 era escrever 1.000 novos documentos no Snowball Edge em uma rede local com fio (LAN) e medir a quantidade de dados transferidos e a latência por operação.

Teste 2 era sincronizar os 1.000 novos documentos do Snowball para o Capella pelo Starlink e medir a quantidade de dados transferidos e o tempo total de transferência.

Teste 3 era escrever 1.000 novos documentos no Capella pelo Starlink e medir a quantidade de dados transferidos e a latência por operação.

Teste 4 era sincronizar os 1.000 novos documentos do Capella para o Snowball pelo Starlink e medir a quantidade de dados transferidos e o tempo total de transferência.

Os testes usaram um conjunto de dados de catálogo de produtos do mundo real (1.000 produtos), com 650 bytes por registro, em média. 

Os resultados

Comparação de latência

Os aplicativos que acessam o banco de dados Couchbase em execução no dispositivo Snowball local apresentaram latência significativamente reduzida em comparação com o acesso ao banco de dados na nuvem.

Para leituras e gravações, os resultados mostraram que a arquitetura de borda reduziu a latência em 98% em comparação com a arquitetura de nuvem:

Comparação de largura de banda

Ao comparar a arquitetura de borda e a arquitetura de nuvem quanto ao uso da largura de banda, os resultados mostraram que o volume total de dados enviados pela Starlink diminuiu substancialmente na arquitetura de borda. 

Devido às eficiências possibilitadas pela sincronização, como compactação de registros cruzados, compactação delta, agrupamento, filtragem, capacidade de reinicialização e muito mais, a arquitetura de borda faz o melhor uso da largura de banda compartilhada, o que é essencial para períodos de pico, ao se conectar sob nuvens pesadas ou em áreas remotas, como florestas ou selvas, onde as obstruções podem impedir a velocidade e a taxa de transferência.

A sincronização de atualizações na arquitetura de borda reduz a quantidade de dados transferidos pelo Starlink em 42% em vez de usar chamadas REST para uma arquitetura de nuvem.

Esses resultados de teste estabelecem uma linha de base conservadora para melhorias de latência e largura de banda que podem ser observadas ao usar a pilha ASC para uma arquitetura de borda básica. Em um ambiente de produção grande, é provável que as melhorias sejam mais substanciais.

O limite está mais próximo do que você pensa

O Couchbase tem um longo histórico de ajudar os clientes a atender aos requisitos críticos de velocidade em tempo real e tempo de atividade 100% para seus aplicativos. E, com a pilha ASC, o Couchbase une forças com o AWS Snowball e o SpaceX Starlink para ajudar as organizações a adotar a computação de borda com mais rapidez, facilidade e em mais lugares do que nunca.

E a melhor parte é que a pilha é tão portátil que você pode literalmente levá-la com você para onde quer que vá!

Dispositivo AWS Snowball Edge e prato Starlink reais usados nos testes do Couchbase

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