邊緣計(jì)算的發(fā)展趨勢

　　全球產(chǎn)業(yè)數(shù)字化正在快速的前進(jìn)，數(shù)字化的應(yīng)用不僅需要強(qiáng)大的算力完成大數(shù)據(jù)分析和AI建模，還需要滿足現(xiàn)場對處理延遲和網(wǎng)絡(luò)條件的苛刻要求，滿足高度的隱私性和安全性要求，以及能在復(fù)雜的IT環(huán)境中提供統(tǒng)一且一致的管理能力。

　　產(chǎn)業(yè)對邊緣計(jì)算的核心需求在于適配性、可編程性和可管理性。其技術(shù)趨勢可以總結(jié)為如下幾點(diǎn)：

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　　環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，基于標(biāo)準(zhǔn)的API環(huán)境開發(fā)和移植應(yīng)用程序；

　　統(tǒng)一編排，由單一的控制面系統(tǒng)管理云和邊緣的應(yīng)用；

　　可伸縮性，同一套架構(gòu)能夠支持不同性能、不同規(guī)模的設(shè)施；

　　去中心化，模糊邊緣和中心的邊界，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和數(shù)據(jù)的全局分布式協(xié)作。

　　本文將深入分析邊緣計(jì)算從容器化到云原生化的技術(shù)演進(jìn)，進(jìn)一步提升應(yīng)用的開發(fā)體驗(yàn)和敏捷性。

　　邊緣計(jì)算的容器化

　　邊緣計(jì)算引入容器化技術(shù)能帶來以下優(yōu)勢：

　　解耦運(yùn)行依賴：容器模式實(shí)現(xiàn)了依賴封裝，不在需要本地安裝；

　　標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用分發(fā)：統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)的容器格式和容器倉庫；

　　擴(kuò)展應(yīng)用類型：邊緣平臺使用統(tǒng)一的容器控制面接口。

　　下圖是LFEdge基金會(huì)開源項(xiàng)目“Baetyl”的1.0版本架構(gòu)圖，展示了一個(gè)典型的容器化邊緣：

　　上圖左側(cè)是Baetyl的主進(jìn)程，該進(jìn)程位于容器外直接運(yùn)行于本地操作系統(tǒng)上，負(fù)責(zé)控制Docker。中間位置是多個(gè)Baetyl功能服務(wù)，這些服務(wù)均以容器的形式運(yùn)行于Docker內(nèi)。盡管服務(wù)的具體功能、使用資源和開發(fā)語言都不相同，但Baetyl只需以標(biāo)準(zhǔn)容器方式啟動(dòng)和監(jiān)控即可。

　　容器化已經(jīng)是主流邊緣計(jì)算產(chǎn)品的默認(rèn)選擇，但隨著生產(chǎn)環(huán)境的逐漸增多，也暴露出了不足：

　　單機(jī)限制：Docker缺乏有效的多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，這限制了邊緣的總算力規(guī)模；

　　編排限制：Docker Compose缺乏多實(shí)例和跨機(jī)器連接能力，這限制了對復(fù)雜業(yè)務(wù)的描述能力；

　　更新限制：位于容器外的主程序仍然需要手工升級，這限制了無人值守設(shè)備的普及。

　　管理限制：邊緣應(yīng)用的定義和管理模式與云應(yīng)用分離，這限制了業(yè)務(wù)的敏捷性。

　　為解決上述問題，邊緣計(jì)算平臺開始走向與云原生相結(jié)合的模式。

　　邊緣計(jì)算在本地設(shè)備上的云原生化

　　云原生模式的關(guān)鍵技術(shù)是對底層設(shè)施的切換，通過使用Kubernetes帶來了更精細(xì)的應(yīng)用組織能力。

　　下圖是Baetyl 2.0的架構(gòu)圖，展示了一個(gè)典型的云原生邊緣：

　　可見Baetyl 2.0不僅支持了更復(fù)雜的Pod應(yīng)用，還將主程序也一并納入自身管理，這種變化能帶來多方面的收益：

　　可更新的主程序。新的模式將“系統(tǒng)更新”看作 Baetyl OTA 的一部分，這將讓邊緣計(jì)算設(shè)備總能第一時(shí)間獲得安全更新和Bug修復(fù)。

　　可獨(dú)立更新的多容器應(yīng)用。新的模式充分利用的 Kubernetes 豐富的應(yīng)用定義，并且使每個(gè)服務(wù)都能被獨(dú)立的部署和升級，這將讓邊緣計(jì)算擁有更加多樣的功能。

　　對邊緣集群的支持。新的模式基于 Kubernetes 的編排能力，可以讓一個(gè) Baetyl 實(shí)例分布在多個(gè)不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)上，這既能提升總的計(jì)算能力，又能獲得更高的可用性。

　　邊緣計(jì)算在遠(yuǎn)程管理上云原生化

　　根據(jù)LFEdge的定義，邊緣計(jì)算會(huì)覆蓋了多種不同的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)與云的無縫融合。

　　不同的網(wǎng)絡(luò)之間并沒有絕對的邊緣和云的區(qū)分，而是根據(jù)各自的特點(diǎn)承擔(dān)不同程度的計(jì)算負(fù)載，雙方存在應(yīng)用和數(shù)據(jù)的廣泛交換。基于這樣的原因，邊緣計(jì)算需要與云計(jì)算共享同一套控制面機(jī)制，也就是都納入云原生的形態(tài)范圍內(nèi)，統(tǒng)一使用Kubernetes進(jìn)行管理。

　　邊緣計(jì)算的云原生化管理最核心的問題就是如何實(shí)現(xiàn)一套在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)下保證Kubernetes穩(wěn)定編排的機(jī)制。綜合業(yè)界不同的實(shí)現(xiàn)，解決編排的穩(wěn)定性問題一般分為三個(gè)流派。

　　虛擬節(jié)點(diǎn)模式

　　虛擬節(jié)點(diǎn)即為每個(gè)邊緣計(jì)算設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)邏輯上的、虛擬的Kubernetes工作節(jié)點(diǎn)。虛擬節(jié)點(diǎn)本身與Kubernetes位于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)以保證穩(wěn)定的工作負(fù)載編排。物理邊緣設(shè)備接收虛擬節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)間接的穩(wěn)定編排。

　　虛擬節(jié)點(diǎn)的缺點(diǎn)本地信息被簡單抽象為一個(gè)工作節(jié)點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)本地負(fù)載均衡和故障轉(zhuǎn)移。

　　同步狀態(tài)復(fù)制

　　對虛擬節(jié)點(diǎn)的一種改造思路是將本地邊緣計(jì)算系統(tǒng)視為一個(gè)單獨(dú)的Kubernetes集群，邊緣直接復(fù)制云上etcd的數(shù)據(jù)。這種方法能夠保證本地?fù)碛凶銐虻木幣澎`活性，其難點(diǎn)在于保證復(fù)制的一致性，且etcd屬于Kubernetes的“內(nèi)部數(shù)據(jù)”不適合直接操作。

　　Shadow CRD

　　Custom Resource Definition是Kubernetes社區(qū)推薦的功能擴(kuò)展機(jī)制。CRD提供了標(biāo)準(zhǔn)的編程接口，能夠在不改變Kubernetes內(nèi)部機(jī)制的前提下引入可自編排的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。Device Shadow是來自物聯(lián)網(wǎng)的概念，即每一個(gè)物理設(shè)備（Device）都有對等的影子對象（Shadow）。影子提供了一套完整的一致性數(shù)據(jù)同步機(jī)制。

　　由Baetyl 2.0引入的Shadow CRD是一種靈活、高效且不損失信息的邊云同步技術(shù)，未來通過與Operator的結(jié)合會(huì)進(jìn)一步提升全局自動(dòng)化管理的能力。

　　總結(jié)

　　邊緣計(jì)算在過去幾年經(jīng)歷的極為快速的技術(shù)演進(jìn)，與云原生模式的結(jié)合將能讓邊緣計(jì)算更好的吸收云、大數(shù)據(jù)和AI的成果，并讓后者進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用范圍。

　　盡管邊緣計(jì)算仍然處在發(fā)展的初期，但隨著全球開源社區(qū)的蓬勃發(fā)展，邊緣計(jì)算必然會(huì)將更多的創(chuàng)新帶入各行各業(yè)，成為推動(dòng)智能化時(shí)代的關(guān)鍵力量。