一文讀懂邊緣計算與雲原生結合的前世今生

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邊緣計算的發展趨勢

全球產業數字化正在快速的前進,數字化的應用不僅需要強大的算力完成大數據分析和AI建模,還需要滿足現場對處理延遲和網絡條件的苛刻要求,滿足高度的隱私性和安全性要求,以及能在複雜的IT環境中提供統一且一致的管理能力。

產業對邊緣計算的核心需求在於適配性、可編程性和可管理性。其技術趨勢可以總結爲如下幾點:

環境標準,基於標準的API環境開發和移植應用程序;

統一編排,由單一的控制面系統管理雲和邊緣的應用;

可伸縮性,同一套架構能夠支持不同性能、不同規模的設施;

去中心化,模糊邊緣和中心的邊界,實現應用和數據的全局分佈式協作。

本文將深入分析邊緣計算從容器化到雲原生化的技術演進,進一步提升應用的開發體驗和敏捷性。

邊緣計算的容器化

邊緣計算引入容器化技術能帶來以下優勢:

解耦運行依賴:容器模式實現了依賴封裝,不在需要本地安裝;

標準化應用分發:統一使用標準的容器格式和容器倉庫;

擴展應用類型:邊緣平臺使用統一的容器控制面接口。

下圖是LFEdge基金會開源項目“Baetyl”的1.0版本架構圖,展示了一個典型的容器化邊緣:

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上圖左側是Baetyl的主進程,該進程位於容器外直接運行於本地操作系統上,負責控制Docker。中間位置是多個Baetyl功能服務,這些服務均以容器的形式運行於Docker內。儘管服務的具體功能、使用資源和開發語言都不相同,但Baetyl只需以標準容器方式啓動和監控即可。

容器化已經是主流邊緣計算產品的默認選擇,但隨着生產環境的逐漸增多,也暴露出了不足:

單機限制:Docker缺乏有效的多機通信網絡,這限制了邊緣的總算力規模;

編排限制:Docker Compose缺乏多實例和跨機器連接能力,這限制了對複雜業務的描述能力;

更新限制:位於容器外的主程序仍然需要手工升級,這限制了無人值守設備的普及。

管理限制:邊緣應用的定義和管理模式與雲應用分離,這限制了業務的敏捷性。

爲解決上述問題,邊緣計算平臺開始走向與雲原生相結合的模式。

邊緣計算在本地設備上的雲原生化

雲原生模式的關鍵技術是對底層設施的切換,通過使用Kubernetes帶來了更精細的應用組織能力。

下圖是Baetyl 2.0的架構圖,展示了一個典型的雲原生邊緣:

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可見Baetyl 2.0不僅支持了更復雜的Pod應用,還將主程序也一併納入自身管理,這種變化能帶來多方面的收益:

可更新的主程序。新的模式將“系統更新”看作 Baetyl OTA 的一部分,這將讓邊緣計算設備總能第一時間獲得安全更新和Bug修復。

可獨立更新的多容器應用。新的模式充分利用的 Kubernetes 豐富的應用定義,並且使每個服務都能被獨立的部署和升級,這將讓邊緣計算擁有更加多樣的功能。

對邊緣集羣的支持。新的模式基於 Kubernetes 的編排能力,可以讓一個 Baetyl 實例分佈在多個不同的計算節點上,這既能提升總的計算能力,又能獲得更高的可用性。

邊緣計算在遠程管理上雲原生化

根據LFEdge的定義,邊緣計算會覆蓋了多種不同的網絡區域,實現與雲的無縫融合。

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不同的網絡之間並沒有絕對的邊緣和雲的區分,而是根據各自的特點承擔不同程度的計算負載,雙方存在應用和數據的廣泛交換。基於這樣的原因,邊緣計算需要與雲計算共享同一套控制面機制,也就是都納入雲原生的形態範圍內,統一使用Kubernetes進行管理。

邊緣計算的雲原生化管理最核心的問題就是如何實現一套在不穩定網絡下保證Kubernetes穩定編排的機制。綜合業界不同的實現,解決編排的穩定性問題一般分爲三個流派。

虛擬節點模式
虛擬節點即爲每個邊緣計算設備創建一個邏輯上的、虛擬的Kubernetes工作節點。虛擬節點本身與Kubernetes位於同一個網絡內以保證穩定的工作負載編排。物理邊緣設備接收虛擬節點的數據實現間接的穩定編排。

虛擬節點的缺點本地信息被簡單抽象爲一個工作節點,難以實現本地負載均衡和故障轉移。

同步狀態複製
對虛擬節點的一種改造思路是將本地邊緣計算系統視爲一個單獨的Kubernetes集羣,邊緣直接複製雲上etcd的數據。這種方法能夠保證本地擁有足夠的編排靈活性,其難點在於保證複製的一致性,且etcd屬於Kubernetes的“內部數據”不適合直接操作。

Shadow CRD
Custom Resource Definition是Kubernetes社區推薦的功能擴展機制。CRD提供了標準的編程接口,能夠在不改變Kubernetes內部機制的前提下引入可自編排的邊緣計算節點。Device Shadow是來自物聯網的概念,即每一個物理設備(Device)都有對等的影子對象(Shadow)。影子提供了一套完整的一致性數據同步機制。

由Baetyl 2.0引入的Shadow CRD是一種靈活、高效且不損失信息的邊雲同步技術,未來通過與Operator的結合會進一步提升全局自動化管理的能力。

總結

邊緣計算在過去幾年經歷的極爲快速的技術演進,與雲原生模式的結合將能讓邊緣計算更好的吸收雲、大數據和AI的成果,並讓後者進一步擴展應用範圍。

儘管邊緣計算仍然處在發展的初期,但隨着全球開源社區的蓬勃發展,邊緣計算必然會將更多的創新帶入各行各業,成爲推動智能化時代的關鍵力量。

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原文發佈時間:2020-07-08
本文作者:51CTO技術棧
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