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By Dr. Stephan Rinck and Christian Wied

Wenn irgendwo auf der Welt der kleine autonome Staubsaugerroboter seinen Dienst verweigert, weil plötzlich die Cloud ausgefallen ist, ärgern sich seine Besitzer zwar abends über den immer noch schmutzigen Boden, allerdings ist dies sicherlich kein Weltuntergang. In vielen anderen Bereichen, vor allem in der Industrie, kann das schon wesentlich schmerzhafter sein. Steht plötzlich eine komplette Produktion still, werden autonom fahrende Transportfahrzeuge auf einem Werksgelände lahmgelegt oder werden Teile der heute oft komplexen Lieferketten außer Gefecht gesetzt, hat das nicht nur Auswirkungen auf das Unternehmen selbst. Vielmehr sind alle damit verbundenen Stellen betroffen. Das reicht bis hin zum Endverbraucher, der möglicherweise Versorgungsengpässe erleidet oder sogar Gefahrensituationen ausgesetzt werden kann, wenn eine sicherheitsrelevante Cloud-Funktion ausfällt. Klar ist: die Cloud-Technologie ist das starke Rückgrat der Zukunft, wenn es um vernetzte Infrastrukturen, Datenräume, Fabriken oder zahlreiche Anwendungen des täglichen Lebens geht. Und künftig wird die Technologie durch den Einsatz von 5G noch relevanter und in größerem Umfang eingesetzt.: Mit dem weiteren Wachstum von 5G-Infrastrukturen, vor allem in der produzierenden Industrie, an Hochschulen und anderen Forschungseinrichtungen, im Versorgungsbereich und vielen weiteren Institutionen mit teils eigenen Campus-Netzwerken wird der weltweite Mobilfunkdatenverkehr deutlich zunehmen. Laut McKinsey wird allein der Verkauf von 5G-Modulen (Funkantennen komponenten) für das Internet der Dinge bis zum Jahr 2030 bei etwa 250 Millionen Einheiten landen, wobei sich der Hardware-Umsatz verfünzigfachen wird. Den Großteil davon werden Industrie-Anwendungen ausmachen, gefolgt von Smart Cities als weiterer wichtiger Wachstumsbereich. Gleichzeitig werden die Diskussionen über Verfügbarkeit und Stabilität der Mobilfunkanbindung lauter.

Edge Computing ist zur Stelle, wenn die Cloud ausfällt

Vor Cloud-Ausfällen ist heutzutage niemand gefeit. Vom einfachen technischen Fehler bis hin zur größeren Naturkatastrophe – es gibt zu viele Szenarien, die einen vollständigen Schutz selbst durch gute Backup-Systeme unmöglich machen. Zudem wächst mit zunehmender Vernetzung auch die Anzahl der weltweiten Cyberangriffe auf Cloud-Infrastrukturen. In der hochvernetzten industriellen Welt, in der zahlreiche Daten teils in Echtzeit virtuell durch Fabriken und über Standorte und Regionen hinweg gejagt werden und die Betriebsabläufe steuern, ist ein Ausfall zentraler Cloud-Funktionen jedoch ein Szenario, das man sich nicht vorstellen möchte.

Benötigt wird somit eine alternative Architektur als Plan B für die Cloud, die alle Anwendungen an einem bestimmten Ort weiterlaufen lässt, die aber notfalls auch ohne die übliche Mobilfunkanbindung funktioniert. Der Lösungsansatz findet sich im Bereich Edge Computing. Diese Technologie ist schon länger als feste Industrie 4.0-Komponente im Einsatz. Sie dient dazu das Unternehmensnetzwerk zu entlasten und Latenzzeiten bei Analyse und Folgeaktionsinitiierung zu umgehen, in dem ein Teil der Datenverarbeitung dorthin verlagert wird, wo diese Daten auch anfallen. Der Edge Computing-Ansatz bildet nun aber auch die Basis für eine echte Alternative beim Ausfall der Cloud. Resilient Edge Computing (REC) lautet das Stichwort.

Offline-First-Prinzip ist entscheidend

Lange Zeit gab es keine Infrastrukturlösung, bei der nicht zumindest ein kleiner Teil des Übertragungsweges von oben nach unten oder andersherum über die Cloud laufen musste, ganz gleich welches Angebot im Markt gewählt wurde. Während beispielsweise die untersten Ebenen einer Produktionsumgebung, die Maschinen und Anlagen mitsamt ihren Sensoren und Aktoren noch mit den darüber liegenden Systemen wie dem Manufacturing Execution System (MES)-System verdrahtet werden konnten, wurde jegliche Kommunikation darüber – die Verwaltung und das Monitoring der Edge Devices – zum großen Teil über die Cloud geregelt, oft dazu noch in Echtzeit und / oder standortübergreifend. Mit eigenen 5G-Netzwerken wird die Übertragung „durch die Luft“ noch einmal völlig neue Dimensionen erreichen und flexiblere und schnellere Einsatzszenarien ermöglichen, da Produktionsstraßen und ihre Komponenten eben nicht mehr aufwändig mit Feldbussen vernetzt werden müssen. Genau hierin besteht jedoch die Abhängigkeit von einer durchgängigen und stabilen Mobilfunkverbindung, ganz gleich ob nach außen hin oder innerhalb der Fabrik.

Sollte es hier eine Unterbrechung der „Befehlskette von oben“ geben, kann resilientes Edge Computing die Lösung sein, dass z.B. die Produktion trotzdem lokal weiterlaufen kann. Grundlage hierfür ist der IBM Edge Application Manager, der auf dem Open Source Framework „Open Horizon“ basiert und auf Red Hat OpenShift läuft. Er kann sowohl in einer Cloud installiert werden und externe Edge Devices managen. Er kann aber auch „cloud agnostisch“, also ohne jegliche Cloudverbindung, containerisierte Anwendungen auf Edge Devices verteilen, managen, monitoren und betreiben. Auch wenn danach diese Devices die Verbindung zum IBM Edge Application Manager verlieren sollten, laufen sie autonom weiter. Somit schafft er die Voraussetzung für das Offline-First-Prinzip, welches wiederum die Grundlage für Resilient Edge Computing darstellt. Sprich eine intelligente und flexible Plattform, die Funktionen für das autonome Verwalten von Anwendungen für das Edge Computing bereitstellt.

Für die Edge Devices gibt es keine einheitlichen Anforderungen. Sie reichen von einfachen Geräten auf der Basis von ARM (z.B. RaspBerry PI) oder ARM64 (z.B. Jetson Xavier) Prozessoren über Rechner mit kleineren Intel X86 Prozessoren mit Windows 10 oder Linux bis hin zu größeren, leistungsfähigen Servern, je nach Anwendungsfall. Sobald auf einem Edge Device der Open Horizon-Agent installiert ist, können Anwendungscontainer darauf übertragen, verwaltet und überwacht werden. Auf diese Weise können Hundertausende von Edge Devices aktiv verwaltet werden – resilient gegenüber jeglichen Einflüssen. Zudem entscheidet der Anwender welche Daten das Edge Device verlassen sollen und welche nicht.

Das Resilient Edge Computing-Konzept als eine Art Backup-Lösung für bestehende Cloud- und die wachsenden 5G-Infrastrukturen erfüllt eine Reihe von wichtigen Kriterien für den Anwender: eine standardisierte Infrastruktur, Dezentralität, Offlinefähigkeit, Datenhoheit und Nutzerfreundlichkeit. Vor allem die Datenhoheit ist ein entscheidender Punkt für viele Unternehmen, den diese bleibt an der untersten Stelle – der Fertigungsstraße. Sie können stets selbst entscheiden, wann welche Daten wohin geschickt werden.

Resilient Edge Computing als notwendige Erweiterung des Cloud Computings

Das Resilient Edge Computing wird zunehmend zu einer zwingenden Ausbaustufe des Cloud Computings in Industrieunternehmen oder im Versorgungssektor werden. Überall da, wo die Cloud heute schon eine wichtige Rolle spielt und sich Ausfälle kritisch auf Produktion, Lieferketten oder regionale Versorgung auswirken können, zieht Resilient Edge Computing eine zusätzliche Sicherheitsebene ein. Selbstverständlich wird die Cloud auch in Zukunft die Hauptlast des Datenverkehrs stemmen. Sollte sie jedoch ausfallen, ganz gleich bei welcher Cloud-Architektur, werden es die Unternehmen,