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本文從組成部分和概念解析兩方面來說明邊緣計算系統(tǒng)。

• 組成部分：邊緣計算系統(tǒng)由云、邊、端三部分組成，每部分的解決方案不止一種。本文的云組成部分選擇Kubernetes，邊組成部分選擇KubeEdge，端組成部分選擇EdgeX Foundry。
• 概念解析：對組成邊緣計算系統(tǒng)的云、邊、端三部分涉及的相關概念進行說明。

01 邊緣計算系統(tǒng)的組成

1. 云——Kubernetes

Kubernetes是Google開源的大規(guī)模容器編排解決方案。整套解決方案由核心組件、第三方組件和容器運行時組成，具體如下所示。

1)核心組件

• Kube-apiserver：Kubernetes內(nèi)部組件相互通信的消息總線，對外暴露集群API資源的唯一出口
• Kube-controller：保證集群內(nèi)部資源的現(xiàn)實狀態(tài)與期望狀態(tài)保持一致
• Kube-scheduler：將需要調(diào)度的負載與可用資源最佳匹配
• Kube-proxy：為節(jié)點內(nèi)的負載訪問和節(jié)點間的負載訪問做代理
• Kubelet：根據(jù)Kube-scheduler的調(diào)度結(jié)果，操作相應負載

2)第三方組件

• Etcd：存儲集群的元數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)
• Flannel

集群的跨主機負載網(wǎng)絡通信的解決方案

需要對原來的數(shù)據(jù)包進行額外的封裝、解封裝，性能損耗較大

• Calico

集群的跨主機負載網(wǎng)絡通信的解決方案

純?nèi)龑泳W(wǎng)絡解決方案，不需要額外的封裝、解封裝，性能損耗較小

• CoreDNS：負責集群中負載的域名解析

3)容器運行時

• Docker：目前默認的容器運行時
• Containerd：比Docker輕量，穩(wěn)定性與Docker相當?shù)娜萜鬟\行時
• Cri-o

輕量級容器運行時

目前穩(wěn)定性沒有保證

• Frakti

基于Hypervisor的容器運行時

目前穩(wěn)定性沒有保證

2. 邊——KubeEdge

KubeEdge是華為開源的一款基于Kubernetes的邊緣計算平臺，用于將容器化應用的編排功能從云擴展到邊緣的節(jié)點和設備，并為云和邊緣之間的網(wǎng)絡、應用部署和元數(shù)據(jù)同步提供基礎架構(gòu)支持。KubeEdge使用Apache 2.0許可，并且可以免費用于個人或商業(yè)用途。

KubeEdge由云部分、邊緣部分和容器運行時組成，具體如下所示。

• 云部分 | CloudCore
  • 負責將云部分的事件和指令下發(fā)到邊緣端，同時接收邊緣端上報的狀態(tài)信息和事件信息
• 邊緣部分 | EdgeCore
  • 接收云部分下發(fā)的事件和指令，并執(zhí)行相關指令，同時將邊緣的狀態(tài)信息和事件信息上報到云部分
• 容器運行時 | Docker
  • 目前，KubeEdge默認支持Docker
  • 官方表示未來會支持Containerd、Cri-o等容器運行時

3. 端——EdgeX Foundry

EdgeX Foundry是一個由Linux基金會運營的開源邊緣計算物聯(lián)網(wǎng)軟件框架項目。該項目的核心是基于與硬件和操作系統(tǒng)完全無關的參考軟件平臺建立的互操作框架，構(gòu)建即插即用的組件生態(tài)系統(tǒng)，加速物聯(lián)網(wǎng)方案的部署。EdgeX Foundry使有意參與的各方在開放與互操作的物聯(lián)網(wǎng)方案中自由協(xié)作，無論其是使用公開標準還是私有方案。

EdgeX Foundry微服務集合構(gòu)成了4個微服務層及兩個增強的基礎系統(tǒng)服務。4個微服務層包含從物理域數(shù)據(jù)采集到信息域數(shù)據(jù)處理等一系列服務，兩個增強的基礎系統(tǒng)服務為4個微服務層提供服務支撐。

4個微服務層從物理層到應用層依次為設備服務(Device Service)層、核心服務(Core Service)層、支持服務(Supporting Service)層、導出服務(Export Service)層，兩個增強的基礎系統(tǒng)服務包括安全和系統(tǒng)管理服務，具體說明如下所示。

1)設備服務層

• Device-modbus-go：Go實現(xiàn)對接使用Modbus協(xié)議設備的服務
• Device-camera-go：Go實現(xiàn)對接攝像頭設備的服務
• Device-snmp-go：Go實現(xiàn)對接SNMP服務
• Device-mqtt-go：Go實現(xiàn)對接使用MQTT協(xié)議設備的服務
• Device-sdk-go

Go實現(xiàn)對接其他設備的SDK

SDK給設備接入提供了較大的靈活性

2)核心服務層

• Core-command：負責向南向設備發(fā)送命令
• Core-metadata：負責設備自身能力描述，提供配置新設備，并將它們與其擁有的設備服務配對的功能
• Core-data：負責采集南向設備層數(shù)據(jù)，并向北向服務提供數(shù)據(jù)服務
• Registry & Config：負責服務注冊與發(fā)現(xiàn)，為其他EdgeX Foundry微服務提供關于EdgeX Foundry的相關服務的信息，包括微服務配置屬性

3)支持服務層

• Support-logging：負責日志記錄
• Support-notification：負責事件通知
• Support-scheduler：負責數(shù)據(jù)調(diào)度

4)導出服務層

• Export-client：導出數(shù)據(jù)的客戶端
• Export-distro：導出數(shù)據(jù)的應用

5)兩個增強的基礎系統(tǒng)服務

• System-mgmt-agent：提供啟動、停止所有微服務的API
• Sys-mgmt-executor：負責啟動、停止所有微服務的最終執(zhí)行

02 概念解析

組成邊緣計算系統(tǒng)的云、邊、端三部分的相關概念如下。

• 云：涉及的概念包括Container、Pod、ReplicaSet、Service、Deployment、DaemonSet、Job、Volume、ConfigMap、NameSpace、Ingress等。
• 邊：目前邊緣系統(tǒng)的實現(xiàn)方式是通過對云原有的組件進行裁剪并下沉到邊緣，所以邊涉及的概念是云的子集，而且與云保持一致。
• 端：部署在邊上的一套微服務，目前沒有引入新的概念。

目前，邊和端都在沿用云的概念，所以本節(jié)主要是對云的概念進行解析。下面以圖解的形式對云涉及的相關概念進行說明。由圖1-1可知，Container(容器)是在操作系統(tǒng)之上的一種新的環(huán)境隔離技術(shù)。使用容器隔離出的獨立空間包含應用所需的運行時環(huán)境和依賴庫。在同一臺主機上，容器共享操作系統(tǒng)內(nèi)核。

▲圖1-1 Container解析

由圖1-2可知，Pod是由一組容器組成的，在同一個Pod內(nèi)的容器共享存儲和網(wǎng)絡命名空間。在邊緣計算系統(tǒng)中，Pod是最小的可調(diào)度單元，也是應用負載的最終載體。

▲圖1-2 Pod解析

由圖1-3可知，ReplicaSet用來管理Pod，負責讓Pod的期望數(shù)量與Pod真實數(shù)量保持一致。在邊緣計算系統(tǒng)中，ReplicaSet負責維護應用的多實例和故障自愈。

▲圖1-3 ReplicaSet解析

由圖1-4可知，Service作為一組Pod的訪問代理，在多個Pod之間做負載均衡。Pod的生命周期相對比較短暫，變更頻繁。Service除了為與之相關的Pod做訪問代理和負載均衡外，還會維護與Pod的對應關系。

▲圖1-4 Service解析

由圖1-5可知，Deployment是ReplicaSet的抽象，在ReplicaSet的基礎上增加了一些高級功能。其功能和應用場景與ReplicaSet相同。

▲圖1-5 Deployment解析

由圖1-6可知，DaemonSet負責讓指定的Pod在每個節(jié)點上都啟動一個實例。該功能一般用在部署網(wǎng)絡插件、監(jiān)控插件和日志插件的場景。

▲圖1-6 DaemonSet解析

由圖1-7可知，Job用來管理批量運行的Pod，該管理類型的Pod會被定期批量觸發(fā)。與Deployment管理的Pod不同，Job管理的Pod執(zhí)行完相應的任務后就退出，不會一直駐留。在邊緣計算系統(tǒng)中，一般用Job所管理的Pod來訓練AI模型。

▲圖1-7 Job解析

由圖1-8可知，Volume是用來給Pod提供存儲的，通過掛載的方式與對應Pod關聯(lián)。Volume分臨時存儲和持久存儲，臨時存儲類型的Volume會隨著Pod的刪除而被刪除，持久存儲類型的Volume不會隨著Pod的刪除而被刪除。

▲圖1-8 Volume解析

由圖1-9可知，ConfigMap作為Pod存儲配置文件的載體，通過環(huán)境變量(env)和文件卷的方式與Pod進行關聯(lián)。在邊緣計算系統(tǒng)中，以ConfigMap方式來管理配置信息會更方便。ConfigMap還可以對配置中的敏感信息進行加密，使配置信息更安全。

▲圖1-9 ConfigMap解析

由圖1-10可知，NameSpace是對Pod、Service、ConfigMap、Deployment、DaemonSet等資源進行隔離的一種機制，一般用在同一公司的不同團隊隔離資源的場景。邊緣計算系統(tǒng)使用NameSpace來對一個團隊可以使用的資源(CPU、內(nèi)存)和創(chuàng)建的負載所需要的資源進行限制。

▲圖1-10 NameSpace解析

由圖1-11可知，Ingress可作為集群內(nèi)與集群外相互通信的橋梁—將集群內(nèi)的服務暴露到集群外，同時可以對進入集群內(nèi)的流量進行合理的管控。在邊緣計算系統(tǒng)中，Ingress是一種資源對象，需要配合Ingress Controller和反向代理工作。

▲圖1-11 Ingress解析

關于作者：崔廣章，之江實驗室高級研究專員，資深云計算和邊緣計算技術(shù)工程師。從2014年接觸云計算以來，參與過多個云計算生產(chǎn)項目，其中代表性的項目有基于OpenStack進行定制開發(fā)的運營商私有云、政務云，基于開源容器云方案定制開發(fā)的面向運營商的數(shù)據(jù)中心操作系統(tǒng)(DCOS)，2018年開始從事邊緣計算相關研究與開發(fā)。

 

本文摘編自《深入理解邊緣計算：云、邊、端工作原理與源碼分析》，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。