当物联网遇上云原生：K8s 向边缘计算渗透中
摘要：K8s 正在向边缘计算渗透，它为边缘侧的应用部署提供了便利性，在一定程度上转变了边缘应用与硬件之间的关系，将两者的耦合度降低。
本文分享自华为云社区《云原生在物联网中的应用【拜托了，物联网！】》，作者： kaliarch。
前言
物联网已经产生了数量惊人的数据，随着 5G 网络的部署，这些数据将呈指数级增长。管理和使用这些数据是一个挑战。
无论是从交通摄像头、气象传感器、电表等会产生信息，这些信息与智能城市环境中，其他摄像头和传感器的数据相结合，在一个中心位置处理起来可能会太多，尤其是当你在预期设备会对事件做出反应时。
超大规模云计算环境中已被普遍使用的 Kubernetes（简称 K8s），带入到物联网边缘计算场景中。新成立的 Kubernetes 物联网边缘工作组将采用运行容器的理念并扩展到边缘，促进 K8s 在边缘环境中的适用。
支持将工业物联网 IoT 的连接设备数量扩展到百万量级，既可支持 IP 设备以直连方式接入 K8s 云平台，又可支持非 IP 设备通过物联网网关接入。
利用边缘节点，让计算更贴近设备侧，以便减少延迟、降低带宽需求和提高可靠性，满足用户实时、智能、数据聚合和安全需求：
o 将流数据应用部署到边缘节点，降低设备和云平台之间通信的带宽需求。
o 部署无服务器应用框架，使得边缘侧无需与云端通讯，便可对某些紧急情况做出快速响应。
在混合云和边缘环境中提供通用控制平台，以简化管理和操作。
一、背景
1.1 KubeEdge 简介
KubeEdge 是一个开源的系统，可将本机容器化应用编排和管理扩展到边缘端设备。 它基于 Kubernetes 构建，为网络和应用程序提供核心基础架构支持，并在云端和边缘端部署应用，同步元数据。KubeEdge 还支持 MQTT 协议，允许开发人员编写客户逻辑，并在边缘端启用设备通信的资源约束。KubeEdge 包含云端和边缘端两部分。
1.2 KubeEdge 特点
边缘计算
通过在边缘端运行业务逻辑，可以在本地保护和处理大量数据。KubeEdge 减少了边和云之间的带宽请求，加快响应速度，并保护客户数据隐私。
简化开发
开发人员可以编写常规的基于 http 或 mqtt 的应用程序，容器化并在边缘或云端任何地方运行。
Kubernetes 原生支持
使用 KubeEdge 用户可以在边缘节点上编排应用、管理设备并监控应用程序/设备状态，就如同在云端操作 Kubernetes 集群一样。
丰富的应用程序
用户可以轻松地将复杂的机器学习、图像识别、事件处理等高层应用程序部署到边缘端。
二、KubeEdge 简介
2.1 KubeEdge 架构
2.2 架构详解
2.2.1 云上部分
CloudHub: CloudHub 是一个 Web Socket 服务端，负责监听云端的变化, 缓存并发送消息到 EdgeHub。
EdgeController: EdgeController 是一个扩展的 Kubernetes 控制器，管理边缘节点和 Pods 的元数据确保数据能够传递到指定的边缘节点。
DeviceController: DeviceController 是一个扩展的 Kubernetes 控制器，管理边缘设备，确保设备信息、设备状态的云边同步。
2.2.2 边缘部分
EdgeHub: EdgeHub 是一个 Web Socket 客户端，负责与边缘计算的云服务（例如 KubeEdge 架构图中的 Edge Controller）交互，包括同步云端资源更新、报告边缘主机和设备状态变化到云端等功能。
Edged: Edged 是运行在边缘节点的代理，用于管理容器化的应用程序。
EventBus: EventBus 是一个与 MQTT 服务器（mosquitto）交互的 MQTT 客户端，为其他组件提供订阅和发布功能。
ServiceBus: ServiceBus 是一个运行在边缘的 HTTP 客户端，接受来自云上服务的请求，与运行在边缘端的 HTTP 服务器交互，提供了云上服务通过 HTTP 协议访问边缘端 HTTP 服务器的能力。
DeviceTwin: DeviceTwin 负责存储设备状态并将设备状态同步到云，它还为应用程序提供查询接口。
MetaManager: MetaManager 是消息处理器，位于 Edged 和 Edgehub 之间，它负责向轻量级数据库（SQLite）存储/检索元数据。
三、实战部署
3.1 keadm 部署
注意事项：
目前支持 keadmUbuntu 和 CentOS 操作系统。RaspberryPi 支持正在进行中。
需要超级用户权限（或 root 权限）才能运行。
3.1.1 设置云端（KubeEdge 主节点）
默认情况下 10000，10002 边缘节点需要可以访问 Cloudcore 中的端口和端口。
keadm init 将安装 cloudcore，生成证书并安装 CRD。它还提供了一个可以设置特定版本的标志。
重要说明：
1. kubeconfig 或 master 中至少一个必须正确配置，以便用于验证 k8s 集群的版本和其他信息。
2.请确保边缘节点可以使用云节点的本地 IP 连接云节点，或者您需要使用--advertise-address 标志指定云节点的公共 IP。
3. --advertise-address（1.3 版本后才有效）是云端暴露的地址（会加入到 CloudCore 证书的 SAN 中），默认值为本地 IP。
例子：
输出：
3.1.2 设置边缘端（KubeEdge 工作节点）
从云端获取令牌
keadm gettoken 在云端运行将返回令牌，该令牌将在加入边缘节点时使用。
加入边缘节点
keadm join 将安装 edgecore 和 mqtt。它还提供了一个可以设置特定版本的标志。
例子：
重要说明：
1. --cloudcore-ipportflag 是强制性标志。1. 如果要自动为边缘节点申请证书，--token 则需要。
2.云端和边缘端使用的 kubeEdge 版本要一致。
输出：
3.2 二进制部署
注意事项：
需要超级用户权限（或 root 权限）才能运行。
3.2.1 设置云端（KubeEdge 主节点）
创建 CRD
准备配置文件
详情请参考云配置。
运行
3.2.2 设置边缘端（KubeEdge 工作节点）
3.2.2.1 准备配置文件
生成配置文件
在云端获取代币值：
更新 edgecore 配置文件中的令牌值：
这 token 就是上面步骤得到的。
详情请参考 edge 的配置。
3.2.2.2 运行
如果要在同一台主机上运行 cloudcore 和 edgecore，请先运行以下命令：
启动边缘核：
运行 edgecore-h 以获取帮助信息并根据需要添加选项。
四、反思
K8s 正在向边缘计算渗透，它为边缘侧的应用部署提供了便利性，在一定程度上转变了边缘应用与硬件之间的关系，将两者的耦合度降低。通过 KubeEdge，拓展“边缘场景”，可帮助用户加速实现云边协同，在海量边、端设备上完成大规模应用的统一交付、运维与管控。
据 Gartner 估计，到 2025 年，超过 75%的企业生成数据可以在传统数据中心和云之外创建和处理，像 Kubernetes 这样的编排系统前景光明，它已经被证明是完成这一任务的最佳工具。
参考资料
版权声明: 本文为 InfoQ 作者【华为云开发者社区】的原创文章。
原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/6e071be07c6e2c3c80cb6c5d2】。文章转载请联系作者。
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