物联网关键技术:在边缘运行的Kubernetes

  Kubernetes(K8S)已经成为云原生的标准技术,其能够在各种类型的云计算基础设施上提供一致的使用体验。

  “容器 + Kubernetes”的黄金组合在互联网企业的DevOps中发挥了巨大的作用。随着物联网领域对边缘计算的需求越来越多,近期也出现了K8S运行在边缘侧的需求和解决方案。

  如何在边缘使用Kubernetes呢?有调查结果显示,30%的用户希望在边缘部署完整的K8S集群,而70%的用户希望在云端部署K8S的管理平台,在边缘部署K8S的代理程序(agent)。

  K8S主要是为集中性的云计算平台来设计的,对于边缘计算来说有点太重了。为了将K8S从云端延伸到边缘场景,业内提出了几种不同的开源K8S边缘解决方案。其中比较有代表性的解决方案包括华为的KubeEdge、Rancher Labs的K3S和阿里云的OpenYurt等。

  KubeEdge

  KubeEdge是由华为开发,在2019年成为CNCF在智能边缘领域的首个正式项目。云边协同是KubeEdge的一大亮点。KubeEdge通过K8S标准API在云端管理边缘节点、设备和工作负载,边缘节点的系统升级和应用程序更新都可以直接从云端下发,提升边缘运维效率。

  KubeEdge架构上分为三层:云端、边缘和设备层。Kubernetes master运行在云端,用户可以直接通过kubectl命令行在云端管理边缘节点、设备和应用,使用习惯与原生Kubernetes完全一致,使用者无需重新适应。

物联网关键技术:在边缘运行的Kubernetes

KubeEdge系统架构

  KubeEdge的云端进程包含2个组件:

  1. 1. Cloud Hub部署在云端,接收Edge Hub同步到云端的信息;
  2. 2. Edge Controller部署在云端,用于控制Kubernetes API Server与边缘的节点、应用和配置的状态同步。

  KubeEdge的边缘进程主要包括5个组件:

  1. 1. Edged是个轻量级的节点代理Kubelet,实现Pod、Volume、Node等K8S资源对象的生命周期管理;
  2. 2. Meta Manager负责本地元数据的持久化,是边缘节点自治能力的关键;
  3. 3. Edge Hub是多路复用的消息通道,提供可靠和高效的云边信息同步;
  4. 4. Device Twin用于抽象物理设备并在云端生成一个设备状态的映射;
  5. 5. EventBus订阅来自于MQTT Broker的设备数据。

  K3S

  K3S是CNCF官方认证的Kubernetes发行版,专为在资源受限环境中运行K8S而设计,目的是为了在x86、ARM64和ARMv7D架构的边缘节点上运行小型的K8S集群。由Rancher Labs公司开发,Rancher Labs 是一家提供容器技术基础设施的初创企业,于2014年成立。

  K3S的名称含义是指“5 Less Than K8S”,其尺寸、资源需求、复杂度、使用难度等都远低于K8S,最大特点就是轻量和易用,非常适合用于边缘计算场景。

物联网关键技术:在边缘运行的Kubernetes

K3S系统架构

  K3S分Server和Agent,Server就是K8S管理面组件,Agent即K8S的数据面组件。与KubeEdge不同,K3S的所有组件(包括Server和Agent)都运行在边缘侧。

  K3S基于特定版本的K8S做了代码修改,包括:使用containderd替换Docker,显著减少运行时占用空间;引入SQLite代替etcd作为管理面数据存储等。

  K3S与KubeEdge比较

  KubeEdge的管理面部署在云端,边缘节点无需太多资源就能运行代理节点程序,云边通过消息协同。从K8S的角度看,边缘节点 + 云端构成一个完整的K8S集群。(子午物联网ziwuiot.com)

物联网关键技术:在边缘运行的Kubernetes

KubeEdge部署模式:云边结合才是一个K8S集群

  K3S可以在边缘运行完整的K8S集群,这意味着K3S在每个边缘网络都需要额外部署Kubernetes管理面。

物联网关键技术:在边缘运行的Kubernetes

K3S部署模式:每个边缘网络都是一个K8S集群

  K3S的部署方式存在一些问题:部署管理面需要消耗较多资源;不同K3S集群间网络还需要打通;管理多个K3S集群还需要在上面再叠加一层多集群管理组件,遗憾的是Rancher Labs公司尚未开源这个多集群管理组件。

  相比K3S,KubeEdge可以支持云边协同,借助华为强大的技术和市场能力,KubeEdge技术的未来市场前景非常值得期待。

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