作者：DJ
審校：Kevin·Wang

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1. 容器生態(tài)圈新的創(chuàng)新方向

2018年容器技術(shù)圈的年終盛典北美KubeCon終于在西雅圖落下了帷幕。這次北美KubeCon總共吸引了8000多觀眾參會(huì)，創(chuàng)下歷史新高。先放一張圖來(lái)感受下現(xiàn)場(chǎng)的火爆程度。

關(guān)注Kubernetes的小伙伴應(yīng)該已經(jīng)感覺(jué)到了，與觀眾參會(huì)熱情形成鮮明對(duì)比的是，這屆KubeCon傳遞出了一個(gè)信號(hào)：針對(duì)Kubernetes本身的變化越來(lái)越少，我們也越來(lái)越難看到那些激動(dòng)人心的大特性。Kubernetes正變得“無(wú)聊”已經(jīng)成了一個(gè)既定的事實(shí)。

對(duì)Kubernetes核心來(lái)說(shuō)，“無(wú)聊”并不見(jiàn)得是件壞事，這是一個(gè)項(xiàng)目成熟的標(biāo)志?，F(xiàn)如今Kubernetes已經(jīng)日益成為公有云/企業(yè)IT系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施，并且朝著大規(guī)模，復(fù)雜場(chǎng)景的方向延伸，與AI、大數(shù)據(jù)、IoT、以及垂直行業(yè)等領(lǐng)域的結(jié)合越來(lái)越緊密。近來(lái)，越來(lái)越多圍繞Kubernetes生態(tài)圈的創(chuàng)新，正在這些領(lǐng)域發(fā)生著。比如，這次在北美KubeCon亮相的由華為開(kāi)源的KubeEdge項(xiàng)目，就給人一種眼前一亮的驚喜，讓人不由地驚呼 “哦，原來(lái)Kubernetes還能在邊緣計(jì)算上玩！” 在感嘆Kubernetes的強(qiáng)大魅力同時(shí)，也不得不佩服華為工程師們的創(chuàng)造力——要知道，邊緣計(jì)算與云計(jì)算的場(chǎng)景有很大的區(qū)別，用K8S跑邊緣計(jì)算，之前更多還只是停留在討論階段，實(shí)踐過(guò)程中的坑不勝枚舉，華為居然做到了，而且還開(kāi)源了！

2. K8S IoT Edge Working Group

2018年既是容器和Kubernetes收獲普遍贊譽(yù)的一年，也是邊緣計(jì)算加速行業(yè)落地和應(yīng)用的一年。邊緣計(jì)算的“邊緣”是指我們?nèi)粘Ｉ钪袩o(wú)處不在、影響著我們衣食住行的各式各樣的端點(diǎn)設(shè)備，比如：手機(jī)、攝像頭、路由器、自動(dòng)駕駛汽車，工業(yè)機(jī)器人等。與集中式的計(jì)算模型相比，邊緣計(jì)算可以為企業(yè)/用戶提供低延遲，高性能的服務(wù)，保證數(shù)據(jù)的本地化和安全，解決本地?cái)?shù)據(jù)人工智能等問(wèn)題。然而，物聯(lián)網(wǎng)世界的異構(gòu)性和工業(yè)系統(tǒng)資產(chǎn)的長(zhǎng)生命周期等特點(diǎn)給邊緣設(shè)備的管理帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。Gartner直接把邊緣計(jì)算列為下一個(gè)十年的關(guān)鍵技術(shù)方向。

Kubernetes引領(lǐng)的以容器為中心的IT基礎(chǔ)設(shè)施變革方興未艾，就已經(jīng)有人在謀劃下一個(gè)“十年”了。既然Kubernetes已經(jīng)成為了容器化編排的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，并且持續(xù)在云端持續(xù)發(fā)揮著魔力，那么一個(gè)直覺(jué)的想法就是能否讓Kubernetes把這種魔力帶到邊緣計(jì)算的場(chǎng)景呢？

然而，當(dāng)Kubernetes真正涉及到邊緣側(cè)部署時(shí)，仍然存在不少挑戰(zhàn)，例如：

1． 邊緣側(cè)可能沒(méi)有足夠的資源運(yùn)行一個(gè)完整的Kubelet；

2． 當(dāng)邊緣節(jié)點(diǎn)和云端的網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時(shí)甚至完全不通時(shí)，能否實(shí)現(xiàn)本地自治；

3． 邊緣側(cè)節(jié)點(diǎn)之間通信；

4． 如何在云端管理多租戶的邊緣資源，包括設(shè)備；

5． 邊緣側(cè)沒(méi)有serverless的支持，比如：函數(shù)。

為了解決這些挑戰(zhàn)，華為，谷歌，紅帽，VMWare共同在Kubernetes社區(qū)發(fā)起成立了一個(gè)新的工作組：IoT Edge Working Group，目的就是為了提高Kubernetes在邊緣場(chǎng)景下的部署能力。

KubeCon進(jìn)行到第三天的時(shí)候，四位分別來(lái)自華為，紅帽，思科和Oort公司的工程師們進(jìn)行了一次圓桌會(huì)議，會(huì)議主題就邊緣計(jì)算面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

來(lái)自華為的架構(gòu)師Cindy Xing（Kubernetes社區(qū)IoT Edge工作組的co-chair）在圓桌會(huì)議中談到了云計(jì)算、容器和邊緣計(jì)算的關(guān)系——不同于云計(jì)算，邊緣計(jì)算意味著幾十萬(wàn)分布在不同地理位置的邊緣節(jié)點(diǎn)和百萬(wàn)甚至上億的末端設(shè)備。邊緣計(jì)算規(guī)模和地域跨度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)數(shù)據(jù)中心。云所能提供的帶寬將無(wú)法滿足邊緣的需求。同時(shí)邊緣和云之間的連接是不穩(wěn)定的。邊緣側(cè)需要實(shí)現(xiàn)在和云斷網(wǎng)的情形下實(shí)現(xiàn)自治，同時(shí)又需要和云連接實(shí)現(xiàn)集中的管理和批量的應(yīng)用部署管理。如果對(duì)著幾十萬(wàn)的邊緣節(jié)點(diǎn)去分別部署更新應(yīng)用，這個(gè)消耗是無(wú)法想象的。另外邊緣計(jì)算中，設(shè)備極其多樣，設(shè)備的通信協(xié)議也很不同。設(shè)備可以是128MB、1CPU的Raspberry-Pi，也可以是多核，GB內(nèi)存的服務(wù)器。設(shè)備通信協(xié)議既可以是Http/Amqp/Mqtt，還可以是Bluetooth，Zigbee等等。邊緣計(jì)算將比云計(jì)算復(fù)雜的多。對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，一個(gè)應(yīng)用在辦公室開(kāi)發(fā)驗(yàn)證后，將希望應(yīng)用直接部署在邊緣，無(wú)需焦慮功能問(wèn)題。容器的可移植性正好滿足了這個(gè)需要。

正是看到了K8S和邊緣計(jì)算存在的天然契合點(diǎn)，華為開(kāi)發(fā)并開(kāi)源了KubeEdge——業(yè)界首個(gè)基于Kubernetes的多租、可擴(kuò)展、兼容K8S API的容器應(yīng)用的邊緣計(jì)算平臺(tái)。KubeEdge也是K8S IoT Edge Working Group輸出的使用Kubernetes支持邊緣計(jì)算的一個(gè)參考范例。

3. KubeEdge：K8S與邊緣計(jì)算的結(jié)合

KubeCon第四天的時(shí)候，華為為CNCF IOT/Edge的社區(qū)會(huì)員組織了一次小型聚會(huì)。

在這次輕松隨意的聚會(huì)上，K8S/CNCF社區(qū)成員坐下來(lái)，聊聊天，分享各自對(duì)邊緣計(jì)算的場(chǎng)景需求和技術(shù)理解。華為的工程師演示了華為云的邊緣計(jì)算產(chǎn)品IEF。在隨后的KubeCon CNCF IOT/Edge Deep Dive，co-chair Cindy Xing深度介紹了IEF的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)KubeEdge的架構(gòu)，功能和未來(lái)發(fā)展路標(biāo)。

針對(duì)邊緣計(jì)算場(chǎng)景下的痛點(diǎn)，KubeEdge為用戶提供了基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，使用KubeBus可以實(shí)現(xiàn)邊緣和云，邊緣和邊緣的網(wǎng)絡(luò)路由通信。借助云和邊的MetaStore以及之間的同步，KubeEdge解決了云邊斷網(wǎng)，帶寬的問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)邊緣側(cè)自治。在KubeEdge里，AppEngine是個(gè)輕量化的代理, ~10MB的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存消耗意味著它幾乎可以跑在任何設(shè)備上。AppEngine保持K8S的數(shù)據(jù)模型和通信協(xié)議，通過(guò)和容器引擎交互，管理容器應(yīng)用的生命周期，反饋容器應(yīng)用的運(yùn)行狀態(tài)。

從功能上看，KubeEdge打通了從底層設(shè)備到設(shè)備驅(qū)動(dòng)/SDK，再到邊緣側(cè)Runtime，云端控制器以及云上應(yīng)用整個(gè)軟硬件全棧，它為IOT廠商，開(kāi)發(fā)者和IOT應(yīng)用企業(yè)帶來(lái)了一個(gè)解決方案和平臺(tái)。

從架構(gòu)看，KubeEdge包括云端和邊緣側(cè)兩套組件。邊緣側(cè)對(duì)設(shè)備支持MQTT協(xié)議，采用了模塊化設(shè)計(jì)，由Edged，MetaManager，DeviceTwin，EventBus，EdgeHub這五個(gè)模塊構(gòu)成，模塊之間通過(guò)golang的channel進(jìn)行通信。

? Edged就是為邊緣計(jì)算深度定制的精簡(jiǎn)AppEngine。雖然精簡(jiǎn)，但這個(gè)AppEngine支持K8S的API原語(yǔ)，比如：Pod，Volume，Configmap等，同時(shí)也支持Pod探針和Event上報(bào)。

? EdgeHub是一個(gè)web socket的client，負(fù)責(zé)和云端的消息通信，包括：向邊緣側(cè)同步云端資源更新，向云端報(bào)告邊緣側(cè)節(jié)點(diǎn)和設(shè)備狀態(tài)更新，這條數(shù)據(jù)通道也就是上文提到的KubeBus。

? MetaManager則是一個(gè)消息處理器，是架在edged和edgehub之間的橋梁，同時(shí)也和后端data store交互，讀寫一些元數(shù)據(jù)；

? EventBus則是邊緣節(jié)點(diǎn)和設(shè)備的之間的紐帶，他既可以從MQTT Broker處訂閱設(shè)備狀態(tài)更新事件，并向其他感興趣的組件發(fā)布，也可以向MQTT Broker發(fā)送對(duì)設(shè)備的操作指令，同時(shí)云上app和用戶自己部署在edge的應(yīng)用通信，也走EventBus。

? DeviceTwin則負(fù)責(zé)存儲(chǔ)設(shè)備元數(shù)據(jù)到data store以及和云端同步設(shè)備狀態(tài)，用戶可以從云端下發(fā)的對(duì)設(shè)備操作指令發(fā)布給DeviceTwin。KubeEdge在邊緣側(cè)對(duì)設(shè)備支持MQTT協(xié)議，并且提供設(shè)備影子服務(wù)。設(shè)備目前可以通過(guò)MQTT Broker（mosquitto）注冊(cè)進(jìn)來(lái)。

在Cindy看來(lái)，KubeEdge的架構(gòu)做到了云、邊松耦合，邊緣可以在斷網(wǎng)條件下自治，并在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后和云側(cè)進(jìn)行同步。KubeEdge引入了K8S強(qiáng)大的容器編能力，客戶可以像管理云上K8S集群一樣方便地管理邊緣節(jié)點(diǎn)和部署應(yīng)用，這對(duì)熟悉K8S的用戶來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是個(gè)福音。

4. 未來(lái)工作

KubeEdge目前已包含了邊緣側(cè)的完整實(shí)現(xiàn)，云側(cè)的開(kāi)源工作正在緊鑼密鼓地籌劃中，相信很快也會(huì)開(kāi)源，詳見(jiàn)項(xiàng)目地址：https://github.com/kubeedge/kubeedge。

KubeEdge自11月KubeCon China宣布開(kāi)源以來(lái)，引起了廣泛關(guān)注，一度登上Github trending榜單。目前star 220+，fork 50+，slack用戶和開(kāi)發(fā)者群成員50+，并且吸收了多名外部代碼貢獻(xiàn)者。

未來(lái)，華為將繼續(xù)完善KubeEdge，包括但不限于：

支持更多的設(shè)備接入?yún)f(xié)議：AMQP，藍(lán)牙，ZigBee等；

支持超大規(guī)模節(jié)點(diǎn)和設(shè)備管理；

和Istio結(jié)合構(gòu)建服務(wù)網(wǎng)格能力；

在邊緣側(cè)提供函數(shù)服務(wù)；

支持設(shè)備通過(guò)MQTT協(xié)議直連云端；

邊緣節(jié)點(diǎn)使用UDP hop來(lái)通信；

引入智能調(diào)度功能。

華為也歡迎參任何感興趣的廠商和開(kāi)發(fā)者參與KubeEdge社區(qū)，共同推動(dòng)邊緣計(jì)算的創(chuàng)新。我們預(yù)計(jì)今后一到兩年邊緣計(jì)算會(huì)有突飛猛進(jìn)的發(fā)展，我們完全有理由相信取得先發(fā)優(yōu)勢(shì)的KubeEdge將會(huì)打造一個(gè)新的生態(tài)。