KubeEdge架构解读：云原生的边缘计算平台

KubeEdge即Kube+Edge，顾名思义就是依托K8s的容器编排能力和调度能力，实现云边协同、计算下沉、海量设备的平滑接入。本篇文章将从KubeEdge架构设计理念、KubeEdge代码目录概览、KubeEdge集群部署三方面带大家认识KubeEdge。

KubeEdge架构设计理念

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Kubernetes的架构

这里是一个经典的K8s架构，K8s相信大家已经了解比较多了，它主要是分为控制面和数据面，而现在K8s的生态已经非常火爆了，关于应用管理和容器管理已经形成了一套标准，这里列举了它的一些优势：

• 只有API server可以访问etcd
• 组件通过 API Server 访问集群状态
• API采用声明式设计
• API对象彼此互补、可组合
• 优先使用事件监听而不是轮询
• …

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基于Kubernetes构建边缘计算的优势与痛点

核心优势主要有4方面：

容器化应用封装现在已经成为应用交付的一个趋势，我可以把我的应用打包到容器里，我只打包一次，可以跑在各种地方，这种如果应用到我们IOT领域，我们传统有很多IOT嵌入式设备，它其实很多硬件和软件强相关的，如果换一个硬件，可能软件就要更改，如果说我这个容器化封装以后，设备可支持容器runtime,我可以将容器跑在任何IOT设备上。

通用应用抽象定义：K8s的API，包括development、pod现在其实在业内已经形成一套标准，大家都比较了解和认可，其实我们基于这些应用做这个平台，大家也更能容易接受。

松耦合架构：它的可扩展性比较好，比如我们基于K8s之上可以通过CRD来定义一些API，像我们通过设备管理CRD来定义一些IOT里device的一些API，到时候我们可以直接通过K8s的一些方式来管理这些设备；还有一些可扩展，比如它的CIA可以对接各种runtime,我们有些边缘节点它的资源非常有限，我们就可以对接一些轻量化的runtime。

其关键痛点有：

1）资源有限

• 网关设备，128MB内存
• K8s集群需要至少1G内存

2）网络不畅

• 边缘位于私有网络，无公网IP
• 云边跨越公网，带宽有限，延迟高
• K8s的List-watch需要数据中心网络

3）边缘如何离线自治

• 网络不稳，随时可能离线
• 边缘业务离线可工作
• 边缘离线可故障恢复

4）设备接入和管理

• 缺少边缘设备抽象
• 缺少边缘设备接入协议支持

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KubeEdge 架构与核心理念

我们这个架构主要是分了云、边、端三部分，云上边就是我们的控制面，边就是我们的边缘节点，端就是跑了我们的一些端侧设备，云上左边是一个K8s的master，是没有做过改动的原生的K8s控制面，后边我们加了我们的一个组件叫CloudCore，它云上的组件主要是会拿一些K8s控制面上的东西，通过EdgeController和DeviceController做一些处理，然后通过下边的Cloud Hub，Cloud Hub主要是跟边端通信的，边端有个EdgeHub和Cloud Hub通信，然后把数据拿下来。

边端是主要做了一个应用管理和设备管理的能力，应用管理左边会有一个Edged，右边有DeviceTwin、EventBus,分别是应用管理和设备管理，左边有个DataStore，就是我们说的本地自治的能力，比如说我们这应用或者设备的元素从云上分发下来，我们是先把它存到一个数据库里，然后再到它的Edged或者设备里边，这样就能保证云边网络断开或者边缘节点重启了以后我应用的Edged它可以从数据库里把应用源数据拿出来，这样就能保证在故障的情况下业务可以正常恢复。

核心理念：

1）云边可靠协同

• 双向多路复用消息通道，支持边缘节点位于私有网络
• Websocket + 消息封装，大幅减少通信压力，高时延下仍可正常工作
• 云边消息校验，网络不稳定时不丢数据

2）边缘离线自治

• 节点元数据持久化，实现节点级离线自治
• 节点故障恢复无需List-watch，降低网络压力，快速ready

3）边缘极致轻量

• 重组Kubelet功能模块，极致轻量化（~70mb内存占用）
• 支持CRI集成Containerd、CRI-O，优化runtime资源消耗

4）边缘设备管理

• 云端通过Kubernetes API管理边缘Device

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KubeEdge 社区生态

KubeEdge致力于将Kubernetes的能力拓展到边缘

• 业界首个边缘容器平台项目
• Apache 2.0协议
• 2019年3月捐给CNCF基金会
• 2020年9月晋级为孵化级托管项目
• K8s IoT Edge WG参考架构
• 基于Kubernetes构建，100%兼容K8s API
• 9个特性版本，最新版本为v1.4.0
• 3100+ Star，810+ Fork，500+贡献者
• 目前成立Device/IoT与MEC两个SIG
• 参与社区贡献的企业包括：中国联通，ARM，中国移动，谐云，中国电信，时速云，JD.com，浙大SEL实验室，EMQ，InfoBlox，Inovex，Midokura等

KubeEdge代码目录概览

ADOPTERS就是我们社区的一些采纳者,比如说你用了KubeEdge，并且想成为参与者，建议者，你可以提一个PR，把你们写到这个ADOPTER里面去，下面的这些就是代码目录，主要就是cloud（云端）、edge（边缘端）、mappers（接入设备的mapper端），还有OWNERS是我们项目的一些matiner，主要负责核代码，比如你对我们社区贡献比较多，我们可以把你加到OWNERS，帮我们核代码和检视代码。

KubeEdge集群部署

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KubeEdge 集群部署工具—— keadm

这个是借鉴了K8s的Kubeadm，可以一键部署KubeEdge集群，在部署KubeEdge集群时，要先装一个K8s的master，这个master用任何符合K8s的标准都可以，这个 keadm是基于K8s之上部署KubeEdge系统。

子命令参数：

• init：部署云端组件
• join：部署边缘端组件
• gettoken：从云端获取边缘端启动凭据
• reset：重置KubeEdge集群的云端和边缘端

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KubeEdge 部署 —— 云端

在已经装好的master上装我们的云端，用 init即可：

重要参数：

• --kube-config：连接K8s Master的凭据
• --advertise-address：签发到边缘证书里的IP地址

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KubeEdge 部署 —— 边缘端

边缘端主要用我们的join命令：

重要参数：

• --token：边缘端启动时访问云端的凭据
• --cloudcore-ipport：边缘端访问的云端IP地址

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附：社区贡献和技术交流地址

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网站: https://kubeedge.io

Github地址: https://github.com/kubeedge/kubeedge

Slack地址: https://kubeedge.slack.com

邮件列表: https://groups.google.com/forum/#!forum/kubeedge

每周社区例会: https://zoom.us/j/4167237304

Twitter: https://twitter.com/KubeEdge

文档地址: https://docs.kubeedge.io/en/latest/