KubeEdge架构及其核心组件

核心理念

• 云边协同
  • 双向多路复用消息通道，支持边缘节点位于私有网络（无公网IP环境）
  • Websocket+消息封装，大幅减少通信压力，高时延下仍可正常工作
• 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
• 极致轻量
  • 重组Kubelet功能模块，极致轻量化（~10mb内存占用）
    • 移除内嵌存储驱动，通过CSI接入
  • 支持CRI集成Containerd、CRI-O，优化runtime资源消耗

架构

KubeEdge总体由云上部分（CloudCore）和边缘部分（EdgeCore）构成:

云上组件

• EdgeController（扩展的K8s控制器）

  • 边缘节点管理
  • 应用状态元数据云边同步

• 设备抽象API/DeviceController（扩展的K8s控制器）

  • 接入和管理边缘设备
  • 设备元数据（信息、状态）云边同步

• CSI Driver

  • 同步存储数据到边缘

• Admission Webhook

  • 校验进入KubeEdge对象的合法性

• CloudHub

  • WebSocket服务端，监听云端变化，缓存并发送消息到EdgeHub

边缘组件

• EdgeHub
  • WebSocket客户端，负责与云端（EdgeController）交互，同步云端资源更新；并向上报告边缘主机和设备状态变化
• MetaManager
  • 消息处理器，位于 Edged 和 Edgehub 之间，它负责向轻量级数据库 (SQLite) 存储/检索元数据
• DeviceTwin
  • 负责存储设备状态（开关值、传感器值等）到EdgeStore并将设备状态同步到云，另外为应用程序提供查询接口
• EventBus
  • 与MQTT服务器（mosquitto）交互的MQTT客户端，为其他组件提供订阅和发布功能
• ServiceBus
  • 运行在边缘的 HTTP 客户端，接受来自云上服务的请求，与运行在边缘端的 HTTP 服务器交互，提供了云上服务通过 HTTP 协议访问边缘端 HTTP 服务器的能力
• Edged（Kubelet-lite）
  • 轻量的Kubelet，用于管理容器化的应用程序

关键能力

支持CRI接口

早期KubeEdge集成了Docker Client，v1.0之后加入CRI，可自行选择容器运行时

• 通过CRI，把相关组件和容器运行时进行解耦，可实现选择适合自己的容器运行时

支持CSI接口

Kubernetes的数据存储在云上数据中心，每个节点都能轻松访问到，并且组件与Master之间的交互采用List、Watch机制同步数据。

以云边协同为基础的KubeEdge部分节点在云上，部分节点在边缘，以List、Watch机制同步数据需要跨越云边实现List、Watch，开销很大。

KubeEdge的做法是：在云上使用CSI Driver from KubeEdge做劫持，通过CloudHub发送到边缘，真实的存储后端实际上分布在边缘。

边缘设备管理

• DeviceModel：定义设备通用的属性字段，是否只读，是否需要做数据处理
• Device：定义需要接入的设备实体，会从DeviceModel继承属性字段，只要配置设备访问方式等就能实现与设备的交互

• 南向Mapper组件：把设备的其他协议（OPC-UA、Modbus等）转换成MQTT协议，推荐每个边缘节点以Demonset形式部署Mapper

EdgeMesh:ServiceMesh At Edge

EdgeMesh作用

实现简单的服务发现和流量代理功能，从而屏蔽了边缘场景下复杂的网络结构

EdgeMesh实现原理

• 利用P2P技术，来打通边缘节点间网络
• P2P打洞不成功情况下，通过Server中继转发

EdgeSite

EdgeSite作用

KubeEdge默认在云端部署EdgeController和DeviceController，然后通过Websocket/Quic隧道连接云端和边缘端，通过云端一个中心来统一调度应用到特定Edge Node上运行。但是，就像Rancher K3s的应用场景，有些时候边缘端也希望运行一套完整的K8s集群，K3s的方案只是提供了一套精简的K8s集群，而Kubeedge的EdgeSite模式，除了运行K8s集群之外，还提供了对IoT设备的适配和支持。

有些场景用户需要在边缘运行一个独立的 Kubernetes 集群来获得完全控制并提高离线调度能力，有两种情况用户需要这样做：

• CDN场景

CDN 站点通常遍布全球，无法保证边端节点间网络连接和质量；另一个因素是部署在 CDN 边缘的应用程序通常不需要与中心交互。对于那些在 CDN 资源中部署边缘集群的人来说，他们需要确保集群在没有与中央云连接的情况下也能正常工作。

• 用户需要部署资源有限且大部分时间离线运行的边缘环境

在一些物联网场景中，用户需要部署一个边缘环境并离线运行。

对于这些用例，需要一个独立的、完全受控的、轻量级的 Edge 集群。通过集成 KubeEdge 和标准 Kubernetes，这个 EdgeSite 使客户能够运行一个高效的 Kubernetes 集群来进行 Edge/IOT 计算。

From:https://www.bookstack.cn/read/kubeedge/1171574c81cee03f.md