谐云课堂 | 边缘计算KubeEdge基础框架与实践

KubeEdge在边缘计算中是个非常实用的利器。

——谐云研发工程师林健

第一期谐云课堂内容分享终于和大家见面啦！

本期课堂由谐云研发工程师林健作为讲师，分享《边缘计算KubeEdge基础框架与实践》，为大家解读KubeEdge的优点、框架等内容，满满技术干货。

什么是Kubernetes？

Kubernetes（K8s）是一款由谷歌开源的容器集群管理系统。它基于容器技术，为容器化的应用提供部署运行、资源调度、服务发现和动态伸缩等一系列功能。

什么是KubeEdge？

KubeEdge做的是基于k8s构建，并将容器化的应用编排和设备管理扩展到端上的主机。它由云端和边缘端组成，为网络、应用的部署以及云和边缘之间的元数据同步提供架构支持。 KubeEdge理论上还是k8s的一个插件，它完成了k8s没有完成的事情，就是连接边缘、设备与云 。

KubeEdge的优点

1. 离线模式 ：k8s在云端与node节点断连时，node节点恢复后就需要重新list-watch，但是在KubeEdge中，每个节点的Metadata被持久化，重启时不需要重新list-watch。2. 基于k8s : 借助KubeEdge，用户可以在Edge节点上编排应用，管理设备并监视应用和设备状态，就像云中的传统Kubernetes集群一样 大量的应用： 可以轻松地将现有的复杂机器学习，图像识别，事件处理和其他高级应用程序部署和部署到Edge。3. 可扩展 ：各个模块较为独立且轻量，我们可以通过更改或增减模块的办法，来扩展KubeEdge。4. 资源优化 ：边缘端的资源较少，而KubeEdge可以将一些不必要的模块关闭，减少资源的消耗，优化在边缘节点上资源的利用。5. 跨平台 ：兼容性极强，它不需要区分自己在什么云中，无论是私有云、公有云还是混合云，它都可以完美运行。6. 多架构 ：无论是x86还是arm架构，都可以运行KubeEdge。7. 开发简单 ：在添加设备和应用部署的方法上，KubeEdge还支持SDK，这样大大缩减了开发的流程。开发人员可以编写基于常规http或mqtt的应用程序，对其进行容器化，然后在Edge或Cloud中的任何位置运行它们中的更合适的一个。8. 易于维护 ：k8s所具有的升级、回滚、监控、警报等功能，KubeEdge也都拥有。这样更有利于维护方便。

2. 支持边缘节点间的通信 ：通过在Edge上运行的业务逻辑，可以在生成数据的本地保护和处理大量数据。这减少了网络带宽需求以及边缘和云之间的消耗。这样可以提高响应速度，降低成本并保护客户的数据隐私。

   KubeEdge基础概念

   KubeEdge分三个部分，分别是云、边、端。 云负责应用和配置的校验和下发，由k8s组件和CloudCore组成，是整个系统的中枢大脑。边负责运行应用和管理接入的设备，由EdgeCore和数据库SQLite组成，是系统中有一定自治能力的功能节点。端代表设备。 所有Kubernetes的组件和指令，都可以在KubeEdge中执行 。包括kubectl logs、kubectl create等指令，还有deployment、daemonset、statefulset、crd等资源对象，都可以在KubeEdge中使用。

   KubeEdge架构

   K8s组件

1.K8S API Server:提供k8s各类寺院对象的增删改查及watch等HTTP的REST借口，是整个系统的数据总线和数据中心。

云端组件

1.EdgeController: 管理Edge节点。 一种扩展的Kubernetes控制器，它管理边缘节点和pod元数据，来定义边缘节点。

2.DeviceController: 负责设备管理。一种扩展的Kubernetes控制器，用于管理设备，以便设备元数据/状态数据可以在边缘和云之间同步。

3.CloudHub: 云中的通信接口模块。一个Web套接字服务器，负责监视云端的更改、缓存和向EdgeHub发送消息。

边缘端组件

1.EdgeHub: Edge上负责与云服务交互的Web套接字客户端。 负责与用于边缘计算(如KubeEdge体系结构中的EdgeController)云服务交互的Web套接字客户端，。这包括同步云端资源更新到边缘，以及报告边缘端主机和设备状态对云的更改。

2.MetaManager:是Edged与EdgeHub之间的消息处理器，还负责将原数据存储到轻量级数据库（SQLite）或从中检索元数据。

3.DeviceTwin: 负责存储设备状态，处理设备属性，处理DeviceTwin操作，在边缘设备和边缘节点之间创建成员关系， 将设备状态同步到云以及在边缘和云之间同步DeviceTwin信息。它还为应用程序提供查询接口。

4.ServiceBus:充当用于发送/接收有关HTTP协议消息的接口

5.EventBus: 使用MQTT处理内部边缘通信。MQTT客户端与MQTT服务器(MQTT服务器)交互，为其他组件提供发布和订阅功能。

6.Edged: 管理节点生命周期的边缘节点模块。它可以帮助用户在边缘节点上部署容器化的工作负载或应用程序。

端组件

1.MQTT Broker:实质上EventBus就是一个MQTT Broker，它负责接收publisher的消息，并发送给相应的subscriber。

2.Mapper:设备上报到MQTT broker的一个中间组件，用于接收与转发设备消息。

数据库组件

1.NodeLevel DataStore:主要是SQLite

总结

KubeEdge作为K8s的一个拓展性插件，它依然依赖于K8s本身，不同于K3s，它对边缘端和设备端的支持，是通过对边缘与设备的强适应来完成的，而不是通过裁剪k8s本身。插件化也保证了它极轻量化和极高的性能，组件与组件之间相对的独立保证了解耦与功能的可开关，这些特性都表明它在边缘计算中是个非常实用的利器。