Was ist Edge-Caching? Definition, Funktionsweise und Anwendungsfälle

Edge-Caching bezeichnet die Verlagerung von Speicher oder Caches näher an den Rand des Netzwerks, anstatt alles an einem zentralen Ort zu speichern. 

Wenn Endnutzer auf Daten in diesen Edge-Caches zugreifen, können sie diese wesentlich effizienter abrufen, als wenn die Daten das gesamte Netzwerk durchqueren müssten. Diese zusätzliche Effizienz reduziert letztlich die Gesamtauslastung und Latenz des Netzwerks und entlastet das Rechenzentrum.

Hier kommt Edge-Caching ins Spiel. Wird eine digitale Ressource, temporäre Daten oder eine Datei auf einem Edge-Server zwischengespeichert, wird sie bei einer entsprechenden Anfrage direkt aus dem Cache ausgeliefert, anstatt die Anfrage am Edge oder auf einem entfernten Server zu verarbeiten. 

Um Edge-Caching zu verstehen, ist es wichtig, die globale digitale Welt und die Technologie zu verstehen, die sie ermöglicht. Dieser Artikel erläutert die Grundlagen von Edge-Servern und Edge-Computing, die Funktionsweise von Edge-Caching sowie dessen Vor- und Nachteile und nennt abschließend einige Beispiele dafür, wo Edge-Caching in den heutigen Netzwerken zum Einsatz kommt.

Was ist Edge-Computing?

Edge-Computing ist ein verteiltes Netzwerkmodell, bei dem Anbieter von Serververarbeitung und Anwendungsdiensten die Verarbeitung so nah wie möglich an die Endnutzer verlagern. 

Leistungsfähige entfernte Rechenzentren sind seit Langem unverzichtbar für das digitale Ökosystem. Die Entfernung zwischen diesen Rechenzentren und den darauf zugreifenden Nutzern kann jedoch zu Netzwerkunterbrechungen, Bandbreitenbeschränkungen und Latenzproblemen führen – insbesondere im Zeitalter von Big Data und Content Delivery Networks (CDNs).

Edge-Computing löst dieses Problem, indem es näher am Nutzer gelegene Edge-Rechenzentren schafft, die Latenz reduziert und Leistung sowie Sicherheit erhöht.  

Obwohl Edge-Computing ein jahrzehntealtes Netzwerkkonzept ist, das mit Remote-Computing verbunden ist, wurde sein Wert erst im neuen Jahrtausend erkannt. Die Verbreitung von Mobilgeräten und Geräten des Internets der Dinge (IoT) sowie deren Funktionen war nur dank zusätzlicher Speicher- und Verarbeitungsressourcen am Netzwerkrand möglich. 

Als kommerzielle Branche bieten Edge-Computing-Anbieter Lösungen für den Aufbau verteilter Netzwerke, die lokale Rechenleistung ermöglichen und die Konnektivität mit Endnutzern verbessern.

Was sind Edge-Server?

Ein Edge-Server ist ein physisches Hardwaregerät, das strategisch am Rand eines Netzwerks platziert ist. Typischerweise handelt es sich um einen kleinen, Rack-Server mit leistungsfähigen Rechenressourcen wie einer leistungsstarken CPU und GPU. Er kann jedoch auch auf anderen kleineren Geräten bereitgestellt werden. 

Edge-Server sind darauf ausgelegt, Daten zu verarbeiten und zu speichern, die am Rand des Netzwerks erzeugt werden, etwa von IoT-Geräten, Kameras und Sensoren. Um die Daten näher zum Nutzer zu bringen, werden Edge-Server typischerweise als Netzwerkknoten bereitgestellt.  

Edge-Server sind möglicherweise kleiner als Cloud-Rechenzentren, erfüllen aber denselben Zweck: Daten zu speichern und zu verarbeiten. Während Cloud-Rechenzentren zudem zentral für ein System sind, sind Edge-Server verteilt. Zu den führenden Anbietern von Edge-Servern und Edge-Computing gehören Microsoft, IBM, Amazon Web Services (AWS), Google Cloud Platform, NVIDIA, Dell und andere.   

Arten von Edge-Servern

• Device-Edge: Komponenten oder Erweiterungen eines Endgeräts
• On-Premises-Edge: Physisch im Netzwerk oder in der Einrichtung befindliche Knoten
• Network-Edge: Netzwerkspezifische Knoten wie Basisstationen und Telekommunikationsrechenzentren 
• Regional Edge: Herkömmliche Rechenzentren, die die größten geografischen Regionen versorgen

Wie funktioniert Edge-Caching?

Edge-Caching verlagert regelmäßig abgerufene Ressourcen näher zu den Endnutzern, die darauf zugreifen, und reduziert dadurch redundanten Netzwerkverkehr und beschleunigt die Ladezeiten.

Dazu arbeiten Rechenzentren, Edge-Server und lokale Speicherkomponenten zusammen, um eine Speicherhierarchie zu bilden. 

Herkömmliche Rechenzentren verfügen zwar über die größte Kapazität, aber ihre Ressourcen werden in der Edge-Computing-Landschaft von den Netzwerk-Endnutzern am seltensten abgerufen. Edge-Server haben dagegen eine geringere Kapazität, speichern aber häufiger verwendete Ressourcen. 

Lokaler Speicher verfügt schließlich über den geringsten Speicherplatz, enthält aber die Inhalte und Ressourcen, die am häufigsten benötigt werden. 

Bei effektiver Implementierung verbessert Edge-Caching die Leistung der Endpunkte und entlastet gleichzeitig entfernte Rechenzentren durch Lastverteilung.

Caching in der Praxis: Webbrowser

Für die meisten Endnutzer sind Webbrowser das sichtbarste Beispiel für den Einsatz von Caches. Caches beim Surfen im Web, einschließlich Edge-Caching, arbeiten typischerweise nach den folgenden Schritten:

1. Der Endnutzer ruft eine bestimmte Website oder Anwendung auf.
2. Der Webbrowser lädt Inhalte herunter, um sie dem Nutzer anzuzeigen.
3. Der Nutzer besucht dieselbe Website zu einem späteren Zeitpunkt erneut.
4. Der Browser ruft die Inhalte der ursprünglichen Website aus dem Cache-Speicher ab, anstatt alle Daten erneut herunterladen zu müssen.
5. Der Browser durchsucht die Webseite nach neuen Inhalten und aktualisiert die Ressource bei Bedarf.

Anstatt die statischen Inhalte einer Webseite bei jedem Besuch des Nutzers neu zu laden, ermöglichen Caches die adaptive Aktualisierung neuer, dynamischer Inhalte. Dieselben Prinzipien kommen beim Edge-Caching zum Einsatz. 

Vorteile von Edge-Caching 

Von Geschwindigkeit und Effizienz bis hin zu Sicherheit und Zuverlässigkeit bietet Edge-Caching zahlreiche Vorteile. 

Edge-Caching kann: 

• die Leistung verbessern und die Latenz reduzieren. 
• Echtzeitreaktionen für verschiedenste Anwendungen ermöglichen – von autonomen Fahrzeugen über Livestreaming und soziale Medien bis hin zum E-Commerce.
• die Bandbreite reduzieren und die Sicherheit verbessern. 
• Effiziente Algorithmen einsetzen, um die zu übertragende Datenmenge zu reduzieren. 
• Datenstrukturen optimieren, um die Leistung von Abfragen zu verbessern. 
• Parallele Verarbeitung und verteiltes Computing nutzen, um die Skalierbarkeit von Edge-Computing-Systemen zu verbessern.

Nachteile von Edge-Caching 

Edge-Caching ist eine hervorragende Möglichkeit, die Leistung und Skalierbarkeit eines Netzwerks zu verbessern, bringt aber auch einige Nachteile mit sich. 

Zu den häufigsten Herausforderungen von Edge-Caching gehören:

• Speicher und Konfiguration: Caches unterliegen Speicherbeschränkungen und können komplex zu konfigurieren sein. Administratoren oder Nutzer müssen in der Regel Speicherplatz freigeben oder den Cache neu konfigurieren, um nach einer Fehlfunktion die Funktionsfähigkeit wiederherzustellen.
• Höhere Kosten: Edge-Caching erfordert die Bereitstellung zusätzlicher Hard- und Software, wodurch die Kosten eines Netzwerks steigen können.
• Höhere Komplexität: Edge-Caching kann ein Netzwerk komplexer machen und dadurch Verwaltung und Wartung erschweren.
• Weniger Kontrolle: Edge-Caching kann die Kontrolle eines Netzwerkadministrators über das Netzwerk einschränken, da Entscheidungen über das Caching am Netzwerkrand getroffen werden.

Wo und wie wird Edge-Caching eingesetzt?

Edge-Caching wird über verschiedene Arten von Edge-Servern eingesetzt – darunter CDN-, Wireless- und IoT-Server – und kommt in unterschiedlichsten Branchen zum Einsatz, von intelligenten Produktionsstätten über Einzelhandelsstandorte bis hin zu Gesundheitszentren.

Edge-Caching-Server

Zu den häufigsten Arten von Edge-Servern gehören:

• CDN-Edge-Server: CDN-Edge-Server werden verwendet, um Inhalte wie Webseiten, Videos und Bilder an Endnutzer auszuliefern. Sie befinden sich typischerweise an strategisch wichtigen Standorten weltweit, an denen die Nutzer des CDN besonders stark konzentriert sind.
• Wireless-Edge-Server: Wireless-Edge-Server werden eingesetzt, um drahtlosen Geräten wie Smartphones, Tablets und Laptops Konnektivität und Rechenressourcen bereitzustellen. Sie befinden sich typischerweise am Rand eines Mobilfunknetzes.
• IoT-Edge-Server: IoT-Edge-Server werden verwendet, um Daten von IoT-Geräten wie Sensoren und Aktoren zu erfassen und zu verarbeiten. Sie befinden sich in der Nähe der IoT-Geräte.
• Edge-Computing-Server: Edge-Computing-Server führen rechenintensive Aufgaben am Rand des Netzwerks aus. Sie befinden sich in der Nähe der Endnutzer..

Welche Art von Edge-Server für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist, hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die Art der auszuliefernden Inhalte, der Standort der Endnutzer und die Leistungsanforderungen der Anwendung.

Branchen, die Edge-Caching einsetzen

Zu den Branchen und neuen Technologien, die Edge-Caches nutzen, gehören: 

• Intelligente Fabriken und Produktionsstätten
• Lagerhäuser
• KI und maschinelles Lernen (ML)
• Biometrie (Gesichts- und Fingerabdruckerkennung)
• Agrartechnologie
• Erweiterte und virtuelle Realität (AR und VR)
• Intelligente Städte
• Robotik, IoT und industrielles IoT
• Einzelhandelsstandorte
• Energie
• 5G und Open RAN
• Gesundheitswesen
• Verteidigung

Hardware- und Software-Edge-Caches

Darüber hinaus kann Edge-Caching physisch in Form von Hardware-Caches oder virtuell als Software-Cache realisiert werden – jeweils mit eigenen Vor- und Nachteilen. 

Entwickler müssen Kosten, Komplexität, Sicherheit und Leistung von Software- und Hardware-Caches bewerten, bevor sie entscheiden, welche Lösung für ihren Anwendungsfall am besten geeignet ist. 

Beispiele für Software-Caches sind: 

• Betriebssysteme
• Domain Name Systems (DNS)
• Datenbanken
• Webanwendungsserver

Hardware-Caches können sein: 

• CPU oder GPU
• Festplattenlaufwerke (HDDs)
• SSDs

Fazit: Edge-Caches ermöglichen moderne Netzwerke

Ohne Edge-Computing würde die digitale Welt, wie wir sie kennen, ebenso wenig existieren wie die Onlinedienste, die Milliarden Menschen täglich nutzen. Wo Daten gespeichert sind und wie schnell sie verarbeitet und übertragen werden können, ist für unsere Gesellschaft von entscheidender Bedeutung – und Edge-Caching trägt maßgeblich dazu bei. 

Da die weltweit erzeugte Datenmenge weiter zunimmt, werden Edge-Computing und Edge-Caching für unser hochinnovatives digitales Ökosystem immer wichtiger. Der Ausbau der Edge-Infrastrukturen wird die Caching-Kapazitäten weiter erhöhen und eine noch schnellere und zuverlässigere Bereitstellung ermöglichen.

Sam Ingalls hat zu diesem Leitfaden beigetragen.

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