多圖詳解邊緣計(jì)算系統(tǒng)的組成及概念

作者：崔廣章

來(lái)源：大數(shù)據(jù)DT（ID：hzdashuju）

本文從組成部分和概念解析兩方面來(lái)說(shuō)明邊緣計(jì)算系統(tǒng)。

1. 組成部分：邊緣計(jì)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。
2. 概念解析：對(duì)組成邊緣計(jì)算系統(tǒng)的云、邊、端三部分涉及的相關(guān)概念進(jìn)行說(shuō)明。

01 邊緣計(jì)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(yùn)行時(shí)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(duì)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(shí)狀態(tài)與期望狀態(tài)保持一致
• Kube-scheduler：將需要調(diào)度的負(fù)載與可用資源最佳匹配
• Kube-proxy：為節(jié)點(diǎn)內(nèi)的負(fù)載訪問和節(jié)點(diǎn)間的負(fù)載訪問做代理
• Kubelet：根據(jù)Kube-scheduler的調(diào)度結(jié)果，操作相應(yīng)負(fù)載

2）第三方組件

• Etcd：存儲(chǔ)集群的元數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)
• Flannel
  集群的跨主機(jī)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)通信的解決方案
  需要對(duì)原來(lái)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行額外的封裝、解封裝，性能損耗較大
• Calico
  集群的跨主機(jī)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)通信的解決方案
  純?nèi)龑泳W(wǎng)絡(luò)解決方案，不需要額外的封裝、解封裝，性能損耗較小
• CoreDNS：負(fù)責(zé)集群中負(fù)載的域名解析

3）容器運(yùn)行時(shí)

• Docker：目前默認(rèn)的容器運(yùn)行時(shí)
• Containerd：比Docker輕量，穩(wěn)定性與Docker相當(dāng)?shù)娜萜鬟\(yùn)行時(shí)
• Cri-o
  輕量級(jí)容器運(yùn)行時(shí)
  目前穩(wěn)定性沒有保證
• Frakti
  基于Hypervisor的容器運(yùn)行時(shí)
  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(jì)算平臺(tái)，用于將容器化應(yīng)用的編排功能從云擴(kuò)展到邊緣的節(jié)點(diǎn)和設(shè)備，并為云和邊緣之間的網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用部署和元數(shù)據(jù)同步提供基礎(chǔ)架構(gòu)支持。KubeEdge使用Apache 2.0許可，并且可以免費(fèi)用于個(gè)人或商業(yè)用途。

KubeEdge由云部分、邊緣部分和容器運(yùn)行時(shí)組成，具體如下所示。

• 云部分 | CloudCore
• 負(fù)責(zé)將云部分的事件和指令下發(fā)到邊緣端，同時(shí)接收邊緣端上報(bào)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(guān)指令，同時(shí)將邊緣的狀態(tài)信息和事件信息上報(bào)到云部分

• 容器運(yùn)行時(shí) | Docker
• 目前，KubeEdge默認(rèn)支持Docker
• 官方表示未來(lái)會(huì)支持Containerd、Cri-o等容器運(yùn)行時(shí)

3. 端——EdgeX Foundry

EdgeX Foundry是一個(gè)由Linux基金會(huì)運(yùn)營(yíng)的開源邊緣計(jì)算物聯(lián)網(wǎng)軟件框架項(xiàng)目。該項(xiàng)目的核心是基于與硬件和操作系統(tǒng)完全無(wú)關(guān)的參考軟件平臺(tái)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(wú)論其是使用公開標(biāo)準(zhǔn)還是私有方案。

EdgeX Foundry微服務(wù)集合構(gòu)成了4個(gè)微服務(wù)層及兩個(gè)增強(qiáng)的基礎(chǔ)系統(tǒng)服務(wù)。4個(gè)微服務(wù)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(wù)，兩個(gè)增強(qiáng)的基礎(chǔ)系統(tǒng)服務(wù)為4個(gè)微服務(wù)層提供服務(wù)支撐。

4個(gè)微服務(wù)層從物理層到應(yīng)用層依次為設(shè)備服務(wù)（Device Service）層、核心服務(wù)（Core Service）層、支持服務(wù)（Supporting Service）層、導(dǎo)出服務(wù)（Export Service）層，兩個(gè)增強(qiáng)的基礎(chǔ)系統(tǒng)服務(wù)包括安全和系統(tǒng)管理服務(wù)，具體說(shuō)明如下所示。

1）設(shè)備服務(wù)層

• Device-modbus-go：Go實(shí)現(xiàn)對(duì)接使用Modbus協(xié)議設(shè)備的服務(wù)
• Device-camera-go：Go實(shí)現(xiàn)對(duì)接攝像頭設(shè)備的服務(wù)
• Device-snmp-go：Go實(shí)現(xiàn)對(duì)接SNMP服務(wù)
• Device-mqtt-go：Go實(shí)現(xiàn)對(duì)接使用MQTT協(xié)議設(shè)備的服務(wù)
• Device-sdk-go
  Go實(shí)現(xiàn)對(duì)接其他設(shè)備的SDK
  SDK給設(shè)備接入提供了較大的靈活性

2）核心服務(wù)層

• Core-command：負(fù)責(zé)向南向設(shè)備發(fā)送命令
• Core-metadata：負(fù)責(zé)設(shè)備自身能力描述，提供配置新設(shè)備，并將它們與其擁有的設(shè)備服務(wù)配對(duì)的功能
• Core-data：負(fù)責(zé)采集南向設(shè)備層數(shù)據(jù)，并向北向服務(wù)提供數(shù)據(jù)服務(wù)
• Registry & Config：負(fù)責(zé)服務(wù)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)，為其他EdgeX Foundry微服務(wù)提供關(guān)于EdgeX Foundry的相關(guān)服務(wù)的信息，包括微服務(wù)配置屬性

3）支持服務(wù)層

• Support-logging：負(fù)責(zé)日志記錄
• Support-notification：負(fù)責(zé)事件通知
• Support-scheduler：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)調(diào)度

4）導(dǎo)出服務(wù)層

• Export-client：導(dǎo)出數(shù)據(jù)的客戶端
• Export-distro：導(dǎo)出數(shù)據(jù)的應(yīng)用

5）兩個(gè)增強(qiáng)的基礎(chǔ)系統(tǒng)服務(wù)

• System-mgmt-agent：提供啟動(dòng)、停止所有微服務(wù)的API
• Sys-mgmt-executor：負(fù)責(zé)啟動(dòng)、停止所有微服務(wù)的最終執(zhí)行

02 概念解析

組成邊緣計(jì)算系統(tǒng)的云、邊、端三部分的相關(guān)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(shí)現(xiàn)方式是通過對(duì)云原有的組件進(jìn)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(wù)，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(duì)云的概念進(jìn)行解析。下面以圖解的形式對(duì)云涉及的相關(guān)概念進(jìn)行說(shuō)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(dú)立空間包含應(yīng)用所需的運(yùn)行時(shí)環(huán)境和依賴庫(kù)。在同一臺(tái)主機(jī)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(gè)Pod內(nèi)的容器共享存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)命名空間。在邊緣計(jì)算系統(tǒng)中，Pod是最小的可調(diào)度單元，也是應(yīng)用負(fù)載的最終載體。

▲圖1-2 Pod解析

由圖1-3可知，ReplicaSet用來(lái)管理Pod，負(fù)責(zé)讓Pod的期望數(shù)量與Pod真實(shí)數(shù)量保持一致。在邊緣計(jì)算系統(tǒng)中，ReplicaSet負(fù)責(zé)維護(hù)應(yīng)用的多實(shí)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(gè)Pod之間做負(fù)載均衡。Pod的生命周期相對(duì)比較短暫，變更頻繁。Service除了為與之相關(guān)的Pod做訪問代理和負(fù)載均衡外，還會(huì)維護(hù)與Pod的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

▲圖1-4 Service解析

由圖1-5可知，Deployment是ReplicaSet的抽象，在ReplicaSet的基礎(chǔ)上增加了一些高級(jí)功能。其功能和應(yīng)用場(chǎng)景與ReplicaSet相同。

▲圖1-5 Deployment解析

由圖1-6可知，DaemonSet負(fù)責(zé)讓指定的Pod在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都啟動(dòng)一個(gè)實(shí)例。該功能一般用在部署網(wǎng)絡(luò)插件、監(jiān)控插件和日志插件的場(chǎng)景。

▲圖1-6 DaemonSet解析

由圖1-7可知，Job用來(lái)管理批量運(yùn)行的Pod，該管理類型的Pod會(huì)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(yīng)的任務(wù)后就退出，不會(huì)一直駐留。在邊緣計(jì)算系統(tǒng)中，一般用Job所管理的Pod來(lái)訓(xùn)練AI模型。

▲圖1-7 Job解析

由圖1-8可知，Volume是用來(lái)給Pod提供存儲(chǔ)的，通過掛載的方式與對(duì)應(yīng)Pod關(guān)聯(lián)。Volume分臨時(shí)存儲(chǔ)和持久存儲(chǔ)，臨時(shí)存儲(chǔ)類型的Volume會(huì)隨著Pod的刪除而被刪除，持久存儲(chǔ)類型的Volume不會(huì)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(chǔ)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(jìn)行關(guān)聯(lián)。在邊緣計(jì)算系統(tǒng)中，以ConfigMap方式來(lái)管理配置信息會(huì)更方便。ConfigMap還可以對(duì)配置中的敏感信息進(jìn)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(duì)Pod、Service、ConfigMap、Deployment、DaemonSet等資源進(jìn)行隔離的一種機(jī)制，一般用在同一公司的不同團(tuán)隊(duì)隔離資源的場(chǎng)景。邊緣計(jì)算系統(tǒng)使用NameSpace來(lái)對(duì)一個(gè)團(tuán)隊(duì)可以使用的資源（CPU、內(nèi)存）和創(chuàng)建的負(fù)載所需要的資源進(jìn)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(wù)暴露到集群外，同時(shí)可以對(duì)進(jìn)入集群內(nèi)的流量進(jìn)行合理的管控。在邊緣計(jì)算系統(tǒng)中，Ingress是一種資源對(duì)象，需要配合Ingress Controller和反向代理工作。

▲圖1-11 Ingress解析

關(guān)于作者：崔廣章，之江實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究專員，資深云計(jì)算和邊緣計(jì)算技術(shù)工程師。從2014年接觸云計(jì)算以來(lái)，參與過多個(gè)云計(jì)算生產(chǎn)項(xiàng)目，其中代表性的項(xiàng)目有基于OpenStack進(jìn)行定制開發(fā)的運(yùn)營(yíng)商私有云、政務(wù)云，基于開源容器云方案定制開發(fā)的面向運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)中心操作系統(tǒng)（DCOS），2018年開始從事邊緣計(jì)算相關(guān)研究與開發(fā)。

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

延伸閱讀《深入理解邊緣計(jì)算》

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