詳解邊緣計(jì)算系統(tǒng)邏輯架構(gòu)：云、邊、端協(xié)同

01 邊緣計(jì)算系統(tǒng)邏輯架構(gòu)簡(jiǎn)介

由圖3-1可知，邏輯架構(gòu)側(cè)重邊緣計(jì)算系統(tǒng)云、邊、端各部分之間的交互和協(xié)同，包括云、邊協(xié)同，邊、端協(xié)同和云、邊、端協(xié)同3個(gè)部分。

▲圖3-1 邊緣計(jì)算系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

1. 云、邊協(xié)同：通過(guò)云部分Kubernetes的控制節(jié)點(diǎn)和邊部分KubeEdge所運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)共同實(shí)現(xiàn)。

2. 邊、端協(xié)同：通過(guò)邊部分KubeEdge和端部分EdgeX Foundry共同實(shí)現(xiàn)。

3. 云、邊、端協(xié)同：通過(guò)云解決方案Kubernetes的控制節(jié)點(diǎn)、邊緣解決方案KubeEdge和端解決方案EdgeX Foundry共同實(shí)現(xiàn)。

02 云、邊協(xié)同

云、邊協(xié)同的具體實(shí)現(xiàn)如圖3-2所示。

▲圖3-2 邊緣計(jì)算系統(tǒng)中云、邊協(xié)同邏輯架構(gòu)

Kubernetes控制節(jié)點(diǎn)沿用云部分原有的數(shù)據(jù)模型，保持原有的控制、數(shù)據(jù)流程不變，即KubeEdge所運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)在Kubernetes上呈現(xiàn)出來(lái)的是一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)。Kubernetes可以像管理普通節(jié)點(diǎn)一樣管理KubeEdge所運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)。

KubeEdge之所以能夠運(yùn)行在資源受限、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不可控的邊緣節(jié)點(diǎn)上，是因?yàn)镵ubeEdge在Kubernetes控制節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上通過(guò)云部分的CloudCore和邊緣部分的EdgeCore實(shí)現(xiàn)了對(duì)Kubernetes云計(jì)算編排容器化應(yīng)用的下沉。

云部分的CloudCore負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)Kubernetes控制節(jié)點(diǎn)的指令和事件下發(fā)到邊緣部分的EdgeCore，同時(shí)將邊緣部分的EdgeCore上報(bào)的狀態(tài)信息和事件信息提交給Kubernetes的控制節(jié)點(diǎn)；邊緣部分的EdgeCore負(fù)責(zé)接收云部分CloudCore的指令和事件信息，并執(zhí)行相關(guān)指令和維護(hù)邊緣負(fù)載，同時(shí)將邊緣部分的狀態(tài)信息和事件信息上報(bào)給云部分的CloudCore。

除此之外，EdgeCore是在Kubelet組件基礎(chǔ)上裁剪、定制而成的，即將Kubelet在邊緣上用不到的富功能進(jìn)行裁剪，針對(duì)邊緣部分資源受限、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不佳的現(xiàn)狀在Kubelet的基礎(chǔ)上增加了離線計(jì)算功能，使EdgeCore能夠很好地適應(yīng)邊緣環(huán)境。

03 邊、端協(xié)同

邊、端協(xié)同的具體實(shí)現(xiàn)如圖3-3所示。

▲圖3-3 邊緣計(jì)算系統(tǒng)中邊、端協(xié)同邏輯架構(gòu)

1. KubeEdge作為運(yùn)行在邊緣節(jié)點(diǎn)的管理程序，負(fù)責(zé)管理在邊緣節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用負(fù)載的資源、運(yùn)行狀態(tài)和故障等。在一些的邊緣計(jì)算系統(tǒng)中，KubeEdge為EdgeX Foundry服務(wù)提供所需的計(jì)算資源，同時(shí)負(fù)責(zé)管理EdgeX Foundry端服務(wù)的整個(gè)生命周期。

2. EdgeX Foundry是由KubeEdge管理的一套IoT SaaS平臺(tái)。該平臺(tái)以微服務(wù)的形式管理多種物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備。同時(shí)，EdgeX Foundry可以通過(guò)所管理的微服務(wù)采集、過(guò)濾、存儲(chǔ)和挖掘多種物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)所管理的微服務(wù)向多種物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備下發(fā)指令來(lái)對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行控制。

由圖3-4可知，KubeEdge的解決方案由MQTT代理和對(duì)接支持各種協(xié)議設(shè)備的服務(wù)組成。

▲圖3-4 KubeEdge端解決方案邏輯架構(gòu)

1. MQTT代理：作為各種物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備和KubeEdge節(jié)點(diǎn)之間的一個(gè)通信管道，負(fù)責(zé)接收終端設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到已經(jīng)訂閱MQTT代理的KubeEdge節(jié)點(diǎn)上。

2. 對(duì)接支持各種協(xié)議設(shè)備的服務(wù)：負(fù)責(zé)與支持相應(yīng)協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行交互，能夠采集設(shè)備的數(shù)據(jù)并發(fā)送給MQTT代理，能夠從MQTT代理接收相關(guān)指令并下發(fā)到設(shè)備。

通過(guò)上述分析可知，KubeEdge的端解決方案還比較初級(jí)。

1. KubeEdge的端解決方案支持的負(fù)載類型還比較單一，目前只能通過(guò)MQTT代理支持一些物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，對(duì)視頻處理和使用AI模型進(jìn)行推理的應(yīng)用負(fù)載還不支持。

2. 對(duì)接支持各種協(xié)議設(shè)備的服務(wù)目前還比較少，只支持使用Bluetooth和Modbus兩種協(xié)議的設(shè)備。

基于上述原因，我們的邊緣計(jì)算系統(tǒng)的端解決方案沒(méi)有使用KubeEdge的端解決方案，而是使用EdgeX Foundry這款功能相對(duì)完善的IoT SaaS平臺(tái)。

04 云、邊、端協(xié)同

邊緣計(jì)算系統(tǒng)中云、邊、端協(xié)同的理想效果如圖3-5所示。

▲圖3-5 邊緣系統(tǒng)中云、邊、端協(xié)同的理想效果

由圖3-5可知，云、邊、端協(xié)同包括兩層，即云、邊協(xié)同和云、邊、端協(xié)同。

1. 云、邊協(xié)同：云作為控制平面，邊作為計(jì)算平臺(tái)。

2. 云、邊、端協(xié)同：在云、邊協(xié)同的基礎(chǔ)上，管理終端設(shè)備的服務(wù)作為邊上的負(fù)載。云可以通過(guò)控制邊來(lái)影響端，從而實(shí)現(xiàn)云、邊、端協(xié)同。

云、邊、端協(xié)同是通過(guò)Kubernetes的控制節(jié)點(diǎn)、KubeEdge和EdgeX Foundry共同實(shí)現(xiàn)的，Kubernetes的控制節(jié)點(diǎn)下發(fā)指令到KubeEdge的邊緣集群，操作EdgeX Foundry的服務(wù)，從而影響終端設(shè)備。目前，我們還不能通過(guò)Kubernetes的控制節(jié)點(diǎn)與終端設(shè)備直接交互。

05 小結(jié)

本文對(duì)整個(gè)邊緣計(jì)算系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)及云、邊、端之間的邏輯關(guān)系和現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)梳理。

1. 從云、邊協(xié)同的架構(gòu)切入，對(duì)目前云、邊協(xié)同的架構(gòu)和原理進(jìn)行了梳理，同時(shí)對(duì)邊解決方案的一些特性進(jìn)行了說(shuō)明。

2. 從邊、端協(xié)同的架構(gòu)切入，對(duì)目前邊、端協(xié)同的架構(gòu)和原理進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，并對(duì)KubeEdge自有的端解決方案的架構(gòu)、原理和現(xiàn)狀進(jìn)行了說(shuō)明。

3. 從云、邊、端協(xié)同的架構(gòu)切入，主要對(duì)云、邊、端協(xié)同的理想效果進(jìn)行了說(shuō)明。