1. Каскад точно нужен.
2. Лучше UDP, ws такое себе для этой цели.
3. Можно считать в пределах ноды среднее и потом в одно место скидывать, где будет аггрегат по всем нодам. Не обязательно считать прям все данные в одном месте, цифра получится +- та же самая. Downstream будет иметь по 1 соединению с каждой upstream ноды.
4. Имплементация по желанию конечно, но стандартный стек на tcp + nodejs будет уныло медленным. С WS вообще будет больно в любом случае.