邊緣計算的發(fā)展趨勢

　　全球產(chǎn)業(yè)數(shù)字化正在快速的前進，數(shù)字化的應用不僅需要強大的算力完成大數(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)對邊緣計算的核心需求在于適配性、可編程性和可管理性。其技術趨勢可以總結(jié)為如下幾點：

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　　環(huán)境標準，基于標準的API環(huán)境開發(fā)和移植應用程序；

　　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)模的設施；

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

　　本文將深入分析邊緣計算從容器化到云原生化的技術演進，進一步提升應用的開發(fā)體驗和敏捷性。

　　邊緣計算的容器化

　　邊緣計算引入容器化技術能帶來以下優(yōu)勢：

　　解耦運行依賴：容器模式實現(xiàn)了依賴封裝，不在需要本地安裝；

　　標準化應用分發(fā)：統(tǒng)一使用標準的容器格式和容器倉庫；

　　擴展應用類型：邊緣平臺使用統(tǒng)一的容器控制面接口。

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

　　上圖左側(cè)是Baetyl的主進程，該進程位于容器外直接運行于本地操作系統(tǒng)上，負責控制Docker。中間位置是多個Baetyl功能服務，這些服務均以容器的形式運行于Docker內(nèi)。盡管服務的具體功能、使用資源和開發(fā)語言都不相同，但Baetyl只需以標準容器方式啟動和監(jiān)控即可。

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

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

　　編排限制：Docker Compose缺乏多實例和跨機器連接能力，這限制了對復雜業(yè)務的描述能力；

　　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備的普及。

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

　　為解決上述問題，邊緣計算平臺開始走向與云原生相結(jié)合的模式。

　　邊緣計算在本地設備上的云原生化

　　云原生模式的關鍵技術是對底層設施的切換，通過使用Kubernetes帶來了更精細的應用組織能力。

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

　　可見Baetyl 2.0不僅支持了更復雜的Pod應用，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，這將讓邊緣計算設備總能第一時間獲得安全更新和Bug修復。

　　可獨立更新的多容器應用。新的模式充分利用的 Kubernetes 豐富的應用定義，并且使每個服務都能被獨立的部署和升級，這將讓邊緣計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 Baetyl 實例分布在多個不同的計算節(jié)點上，這既能提升總的計算能力，又能獲得更高的可用性。

　　邊緣計算在遠程管理上云原生化

　　根據(jù)LFEdge的定義，邊緣計算會覆蓋了多種不同的網(wǎng)絡區(qū)域，實現(xiàn)與云的無縫融合。

　　不同的網(wǎng)絡之間并沒有絕對的邊緣和云的區(qū)分，而是根據(jù)各自的特點承擔不同程度的計算負載，雙方存在應用和數(shù)據(jù)的廣泛交換?；谶@樣的原因，邊緣計算需要與云計算共享同一套控制面機制，也就是都納入云原生的形態(tài)范圍內(nèi)，統(tǒng)一使用Kubernetes進行管理。

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

　　虛擬節(jié)點模式

　　虛擬節(jié)點即為每個邊緣計算設備創(chuàng)建一個邏輯上的、虛擬的Kubernetes工作節(jié)點。虛擬節(jié)點本身與Kubernetes位于同一個網(wǎng)絡內(nèi)以保證穩(wěn)定的工作負載編排。物理邊緣設備接收虛擬節(jié)點的數(shù)據(jù)實現(xiàn)間接的穩(wěn)定編排。

　　虛擬節(jié)點的缺點本地信息被簡單抽象為一個工作節(jié)點，難以實現(xiàn)本地負載均衡和故障轉(zhuǎn)移。

　　同步狀態(tài)復制

　　對虛擬節(jié)點的一種改造思路是將本地邊緣計算系統(tǒng)視為一個單獨的Kubernetes集群，邊緣直接復制云上etcd的數(shù)據(jù)。這種方法能夠保證本地擁有足夠的編排靈活性，其難點在于保證復制的一致性，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)推薦的功能擴展機制。CRD提供了標準的編程接口，能夠在不改變Kubernetes內(nèi)部機制的前提下引入可自編排的邊緣計算節(jié)點。Device Shadow是來自物聯(lián)網(wǎng)的概念，即每一個物理設備（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，未來通過與Operator的結(jié)合會進一步提升全局自動化管理的能力。

　　總結(jié)

　　邊緣計算在過去幾年經(jīng)歷的極為快速的技術演進，與云原生模式的結(jié)合將能讓邊緣計算更好的吸收云、大數(shù)據(jù)和AI的成果，并讓后者進一步擴展應用范圍。

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