KubeEdge架构及组成简介

1、KubeEdge简介

KubeEdge是一个开源系统，用于将容器化应用程序编排功能扩展到Edge的主机。它基于kubernetes构建，并为网络应用程序提供基础架构支持。云和边缘之间的部署和元数据同步。

KubeEdge使用Apache 2.0许可。并且绝对可以免费用于个人或商业用途。

宗旨：创建一个开放平台，使能边缘计算，将容器化应用编排功能扩展到边缘的节点和设备，后者基于kubernetes构建，并为云和边缘之间的网络，应用部署和元数据同步提供基础架构支持。

100%兼容K8S API，可以使用K8S API原语管理边缘节点和设备。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。

1.1 支持平台

1.1.1 Kubernetes

Kubeedge项目致力于打造一个基于kubernetes的开放平台，并为网络应用提供基础架构支持。云和边缘之间的部署和元数据同步。

1.1.2 Mosquitto

Eclipse Mosquitto是一个开源（EPL / EDL许可）消息代理，它实现了MQTT协议版本3.1和3.1.1。 Mosquitto重量轻，适用于从低功率单板计算机到完整服务器的所有设备。

1.1.3 Docker

使用容器可以更快地构建和部署新应用程序。 Docker容器将软件及其依赖关系整合到一个标准化的软件开发单元中，包括运行所需的一切：代码，运行时，系统工具和库。

2、为什么选择KubeEdge

KubeEdge 是一个开源系统，将原生的容器化的业务流程和设备管理功能扩展到边缘节点。KubeEdge是基于Kubernetes构建的，并为云，边缘之间的网络通信，应用程序部署以及元数据同步提供核心基础架构支持。同时KubeEdge还支持MQTT，并允许开发人员编写自定义逻辑并在Edge上启用一定资源的设备进行通信。

KubeEdge由云端和边缘端组成。目前边缘端和云端已开源。

2.1 优势

此部分内容参考：KubeEdge详解

kubernetes + 容器的组合大大提高了用户创建部署应用的效率。kubernetes 可以把 n 台主机整合成一个集群，用户在 master 节点上通过编写一个 yaml 或者 json 格式的配置文件，也可以通过命令等请求 Kubernetes API 创建应用，就直接将应用部署到集群上的各个节点上，该配置文件中还包含了用户想要应用程序保持的状态，从而生成用户想要的环境。

Kubernetes 作为容器编排的标准，自然会想把它应用到边缘计算上，即通过 kubernetes 在边缘侧部署应用，但是 kubernetes 在边缘侧部署应用时遇到了一些问题，例如：

• 边缘侧设备没有足够的资源运行一个完整的 Kubelet
• 一些边缘侧设备是 ARM 架构的，然而大部分的 Kubernetes 发行版并不支持 ARM 架构
• 边缘侧网络很不稳定，甚至可能完全不通，而 kubernetes 需要实时通信，无法做到离线自治
• 很多边缘设备都不支持TCP/IP 协议
• Kubernetes 客户端（集群中的各个Node节点）是通过 list-watch 去监听 Master 节点的 apiserver中资源的增删改查，list-watch 中的 watch 是调用资源的 watch API 监听资源变更事件，基于 HTTP长连接实现，而维护一个 TCP 长连接开销较大。从而造成可扩展性受限。

为了解决包含但不限于以上 Kubernetes 在物联网边缘场景下的问题，从而产生了KubeEdge 。对应以上问题：

• KubeEdge 保留了 Kubernetes 的管理面，重新开发了节点 agent，大幅度优化让边缘组件资源占用更低很多
• KubeEdge 可以完美支持 ARM 架构和 x86 架构
• KubeEdge 有离线自治功能，可以看 MetaManager 组件的介绍
• KubeEdge 丰富了应用和协议支持，目前已经支持和计划支持的有：MQTT、BlueTooth、OPC UA、Modbus等。
• KubeEdge 通过底层优化的多路复用消息通道优化了云边的通信的性能，可以看 EdgeHub 组件的介绍

KubeEdge的优势主要包括：

• 边缘计算

  借助在Edge上运行的业务逻辑，可以让本地生成的数据，进行大量数据处理操作并对其进行保护。这样可以减少边缘和云之间的网络带宽需求和消耗，提高响应速度，降低成本并保护客户的数据隐私。

• 简化开发

  开发人员可以编写基于HTTP或MQTT的常规应用程序，对其进行容器化，然后在Edge或Cloud中的任何一个更合适的位置运行应用程序。

• Kubernetes原生支持

  借助KubeEdge，用户可以像在传统的Kubernetes集群一样，在Edge节点上编排应用程序，管理设备并监视应用程序和设备状态。

• 丰富的应用

  可以轻松地将现有的复杂机器学习，图像识别，事件处理等其他高级应用程序部署到Edge。

2.2 组成

KubeEdge由以下组件组成：

• Edged
  在边缘节点上运行并管理容器化应用程序的代理。
• EdgeHub
  Web Socket 客户端，负责与Cloud Service进行交互以进行边缘计算（例如KubeEdge体系结构中的Edge Controller）。这包括将云侧资源更新同步到边缘，并将边缘侧主机和设备状态变更报告给云。
• CloudHub
  Web Socket 服务器，负责在云端缓存信息、监视变更，并向EdgeHub端发送消息。
• EdgeController
  kubernetes的扩展控制器，用于管理边缘节点和pod的元数据，以便可以将数据定位到对应的边缘节点。
• EventBus
  一个与MQTT服务器（mosquitto）进行交互的MQTT客户端，为其他组件提供发布和订阅功能。
• DeviceTwin
  负责存储设备状态并将设备状态同步到云端。它还为应用程序提供查询接口。
• MetaManager
  Edged端和Edgehub端之间的消息处理器。它还负责将元数据存储到轻量级数据库（SQLite）或从轻量级数据库（SQLite）检索元数据。

2.3 架构

KubeEdge 由以下组件构成:

2.3.1 云边通信

• CloudHub

  CloudHub 是一个 Web Socket 服务端，用于大量的 edge 端基于 websocket 或者 quic 协议连接上来。负责监听云端的变化, 缓存并发送消息到 EdgeHub。

• EdgeHub

  是一个 Web Socket 客户端，负责将接收到的信息转发到各edge端的模块处理；同时将来自个edge端模块的消息通过隧道发送到cloud端。提供可靠和高效的云边信息同步。
  如何配置通信协议

2.3.2 云上部分

• EdgeController

  用于控制 Kubernetes API Server 与边缘的节点、应用和配置的状态同步。

• 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。

2.3.3 边缘部分

• MetaManager

  MetaManager 模块后端对应一个本地的数据库（sqlLite），所有其他模块需要与 cloud 端通信的内容都会被保存到本地 DB 种一份，当需要查询数据时，如果本地 DB 中存在该数据，就会从本地获取，这样就避免了与 cloud 端之间频繁的网络交互；同时，在网络中断的情况下，本地的缓存的数据也能够保障其稳定运行（比如你的智能汽车进入到没有无线信号的隧道中），在通信恢复之后，重新同步数据。是边缘节点自治能力的关键；

• Edged

  是运行在边缘节点的代理，用于管理容器化的应用程序。算是个重新开发的轻量化 Kubelet，实现 Pod，Volume，Node 等 Kubernetes 资源对象的生命周期管理

• 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。

3、应用场景、特点

上图是 华为云IEF 的应用场景，Kubeedge 就是源于这个产品，它基于 KubeEdge 和 Kubernetes 生态构建，将云原生的技术应用到边缘计算。IEF 通过纳管边缘节点，将云端AI应用、函数计算等能力下发到边缘节点（EdgeNode），将公有云能力延伸到靠近设备的一端，使得边缘节点拥有云端相同能力，能够实时处理终端设备计算需求。

• KubeConShanghai2018——KubeEdge开源首秀
• KubeEdge 向左，K3S 向右
• KubeEdge实现原理

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