边缘计算与云原生相结合

　　在前面的文章里，小编给大家介绍了边缘计算相关的知识，并留下了一个问题，接下来的文章里，大家跟随小编一起来看看边缘计算与云原生相结合的模式。

　　本地设备中边缘计算的云原生化

　　云原生模式的关键技术是切换底层设施。通过将Docker切换到Kubernetes，它改变了边缘主程序的运行模式，使其成为Kubernetes中具有管理特权的容器实例，带来了更精细的应用组织能力，从而直接引入微服务和服务网格。

　　下面是LFEdgeBaetyl2.0的架构图，显示了一个典型的云原生边缘计算系统：

　　从上图可以看出，Baetyl1.0到2.0的升级将原来的主程序、容器服务和远程管理简化为服务+远程管理，所有本地程序都运行在Kubernetes中。这种变化会给开发者带来很多好处，包括:

　　l主程序可以更新。Baetyl系统本身yl系统本身需要使用手动或操作系统包管理器进行更新，这必然要求操作者获得控制台。新模式将系统更新视为BaetylOTA的一部分，这将使边缘计算设备在第一时间得到安全更新和Bug修复。

　　l多容器应用可以独立更新。在原模式下，虽然每个容器都是完全独立运行的服务，但升级需要统一进行，管理员无法定义服务之间的依赖关系。新模式充分利用Kubernetes丰富的应用定义，使每项服务都能独立部署和升级，这将使边缘计算具有更加多样化的功能。

　　l支持边缘集群。基于Kubernetes的编排能力，新个Baetyl实例可以分布在多个不同的计算节点上，这不仅可以提高总计算能力，而且可以获得更高的可用性。

　　远程管理中边缘计算的云原生化

　　根据LFEdge的定义，边缘计算将覆盖各种网络区域，实现与云的无缝融合。

　　从图中可以看出，不同网络之间没有绝对的边缘和云的区别，而是根据各自的特点承担不同程度的计算负载，双方都有广泛的应用和数据交换。因此，边缘计算需要与云计算共享同一套控制面机制，即全部纳入云原始形态范围，统一使用Kubernetes进行管理。

　　Kubernetes将应用程序安排的操作转换成etcd中的数据条目，工作节点通过读取etcd获得需要执行的工作负载。该方法已被证明是数据中心安全高效的模式。但是，边缘计算和云数据中心通常是由不稳定的网络连接的。如果边缘计算设备直接用于Kubernetes工作节点，Kubernetes将网络通信错误用于工作节点失败，从而频繁出现错误的工作负载迁移。

　　云原生化管理的核心问题是如何在不稳定的网络下实现一套保证Kubernetes稳定排列的机制。根据行业的不同实现，解决安排稳定性问题一般分为三个流派。

　　虚拟节点模式

　　虚拟节点是为每个边缘计算设备创建一个逻辑和虚拟的Kubernetes工作节点，称为virtual-kubelet。虚拟节点本身和Kubernetes位于同一个网络中，可以接受到稳定的工作负载编排。随后，虚拟节点将其工作负载的配置发送到真实的边缘设备上，从而实现间接稳定的排列。

　　虚拟节点的缺点是隔离了云和边缘的实际状态。云很难根据边缘的实际情况随时调整负载，边缘只能被动接受排列结果。即使边缘计算有多个节点，在云中的Kubernetes看来也只是一个单独的虚拟节点，这使得在本地很难实现真正的自动负载平衡和故障转移。

　　复制同步状态

　　改造虚拟节点的一个思路是将本地边缘计算系统视为单独的Kubernetes集群。这种方法可以保证当地有足够的安排灵活性。云只需要向下同步工作负载的内容，不需要注意具体的安排。其技术要点在于如何保证发布数据的一致性，即如何正确同步复制etcd状态数据库的内容。

　　同步状态复制的缺点是引入了多套Kubernetes集群，需要新的数据同步协议，etcd数据属于Kubernetes的内部数据，可能会带来更高的开发和管理成本。

　　ShadowCRD

　　CustomResourceDefinition是Kubernetes社区推荐的功能扩展机制。通过CRD，可以引入特殊资源。例如，具有自编排能力的边缘计算节点可以被视为新的CRD资源。CRD提供标准的编程接口，可以在不破坏Kubernetes内部封装的情况下改变其编排行为，如有序启动服务、绑定服务和存储等。

　　DeviceShadow是一个来自物联网的概念，即每个物理设备(Device)都有对等的影子对象(Shadow)，设备在不同时期对应不同版本的影子。应用程序可以通过阅读当前版本的数据状态来获得设备的当前状态。通过设置新的影子版本，可以反向控制设备改变状态，实现各种功能调整和能力升级。由于物联网设备在不稳定的网络环境中普遍运行，影子协议自然优先考虑最终一致性，并内置了各种数据丢失和数据重复的处理策略。此外，物联网底层广泛使用的MQTT协议对低带宽、低功耗设备进行了良好的处理。基于以上两点，使用数字孪生技术可以满足边云同步对一致性和网络质量的要求。

　　Baetyl2.0结合上述两项技术，实现了单个Kubernetes集群中全局边缘的稳定排列。Baetyl-Cloud组件将对资源的声明转化为对影子设备状态的期望，然后通过MQTT协议向Baetyl设备发送通知。后一种影子状态解码后可以得到Kubernetes的资源定义，同时可以通过MQTT协议向上报告新的影子设备状态。通过这种方法，Baetyl可以在弱网络条件下正确同步云和边缘。

　　ShadowCRD是一种灵活、高效、不损失信息的边云同步技术。未来，与Operator的结合将进一步提高全局自动化管理能力。

　　好了，就介绍这么多，在过去的几年里，边缘计算经历了非常快速的技术演进，这是工业数字化需求的强大推动。与云原始模式的结合将使边缘计算更好地吸收云、大数据和人工智能的结果，并进一步扩大后者的应用范围。

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