[原创]边缘计算开源方案对比

Posted 2021-03-20 wsjhk

通过分析对比EdgeX Foundry、K3S、KubeEdge、StarlingX和OpenEdge五个开源边缘计算框架的差异，推荐选择华为开源的KubeEdge边缘计算集群方案来自建边缘计算集群。

一、五个边缘计算开源框架的简介：

1）EdgeX Foundry      Linux基金组织的开源项目。偏重于端侧设备的管理，定位是通用工业IOT边缘计算通用框架，提供了一些设备接入、边缘数据传输等场景的实现，但不具备云上对边缘端的应用和设备的管控、云边协同等智能边缘系统的能力，架构组件之间依赖复杂。
2）K3S                         Rancher Labs的开源产品。K3s是在边缘运行整个K8s集群的方案，不具备云边协同的能力；其次K3s虽然对K8s做了轻量化，但整体资源要求仍然较高，无法运行在IOT Hub、工业网关等小型设备中。
3）KubeEdge              华为开源产品，打通了云、边、端的整体流程：
        · 用户能够在云上统一管理边缘节点上的应用、设备
       · 提供了云边协同的能力，能够同步云边的应用、设备的数据
       · 针对复杂多样的边缘设备，KubeEdge定义了一套通用的设备管理API（K8s CRD）以及设备协议解耦层，用户可以方便地使用KubeEdge在云上管理各种边缘设备
       · 针对云边网络不稳定的情况，提供了云边数据协同的可靠性传输、边缘元数据持久化
       · 针对边缘资源不足的情况，轻量化裁剪了Kubelet，支持在256MB的小型设备上运行
4）StarlingX               Intel和WindRiver开源的边缘计算项目。StarlingX是一个软件栈，他包含了打包，编译，安装配置，openstack本身，WindRiver的MTCE平台，以及WindRiver针对电信云开发的VIM等等。基于OpenStack的大规模边缘计算方案，集成了OpenStack的核心服务用于实现计算，网络，存储等能力。目标是实现边缘端的无人值守，虚拟机级别的管理。边缘端组成边缘云互相协同，以及和中心云实现协同。
5）OpenEdge            百度开源的面向端的工业互联网智能边缘计算方案，需要和百度的云端管理套件BIE结合实现云边协同。

 

二、架构对比：

1）EdgeX Foundry

2）K3S

3）KubeEdge

4）StarlingX

5）OpenEdge

 

三、功能对比：

	EdgeX Foundry	K3S	KubeEdge	StarlingX	OpenEdge
云边协同	不支持	不支持	支持	支持	支持
原生支持K8S	不支持	支持	支持	不支持	不支持
边缘组件资源占用	中	小	最小（内存256M）	较大	较大
部署复杂度	复杂	简单	简单	复杂	复杂
是否去中心化	否	否	是	否	否
是否支持MQTT	支持	支持	支持	支持	支持
容器化编排	不支持	支持	支持	支持	不支持

 

通过以上对各个边缘计算开源方案的对比，结合我们的业务场景和已有的技术栈（基于K8S平台），KubeEdge和K3S是比较合适我们业务的边缘计算集群产品。其中KubeEdge的云边端协同，支持的功能和性能整体比K3S更加出色。所以推荐使用KubeEdge产品作为我们边缘计算集群的落地实施对象。下面将详细介绍一下KubeEdge目前稳定版本（v1.1.0版本，v1.2.0版本将在2019年12月底发布）支持的特性和功能：

1.关于部署：

kubeEdge 包括 cloud 和 edge 部分，在 kubernetes 构建，在 cloud 与  edge 端提供核心的基础支持，比如网络，应用，部署以及元数据的同步等。
安装kubeEdge 需要安装 kubernetes 集群，cloud 与 edge 部分
cloud side： docker, kubernetes cluster and cloudcore.
edge side：docker, mqtt and edgecore.

2.kubeedge 组件：

Edged：一个运行在 edge 节点的 agent 程序，管理边缘的容器化应用程序

EdgeHub：边缘的通信接口模块。这是一个 Web 套接字客户端，负责边缘计算与云服务的交互。包括同步云端资源到边缘端，以及报告边缘端 host 和 device 状态到云端

CloudHub：云端通讯接口模块。一个 Web 套接字服务器，负责监视云端的更改、缓存以及向EdgeHub 发送消息

EdgeController：管理边缘节点。它是一个扩展的 Kubernetes 控制器，管理边缘节点和 pod 元数据，以便数据可以面向特定的边缘节点

EventBus：使用 MQTT 处理内部边缘通信。MQTT 客户端与 MQTT 服务器（mosquitto）交互，为其他组件提供发布和订阅功能

DeviceTwin：处理设备元数据的设备软件镜像。该模块有助于处理设备状态并将其同步到云上。它还为应用程序提供查询接口，它连接到一个轻量级数据库（SQLite）

MetaManager：管理边缘节点上的元数据。这是 Edged 和 Edgehub 之间的消息处理器。负责在轻量级数据库（SQLite）中存储 / 检索元数据

3.支持的特性：

• Replace data exchange format between cloud and edge from json to protobuf.

• Support reliable message delivery from cloud to edge.
• Evaluate gRPC for cloud to edge communication.
• Support CSI for persistent storage (using PV/PVC/StorageClass) at edge.

• Support ingress at edge.
• Add admission-webhook based validation for device CRDs.
• Enhance performance and reliability of KubeEdge infrastructure.
• Upgrade Kubernetes dependencies in vendor to v1.15.
• Migrate to Go module for dependency management.
• Improve contributor experience by defining project governance policies, release process, membership rules etc.

• Improve the performance and e2e tests with more metrics and scenarios.

4.未来版本将支持的特性：

• Support edge-cloud communication using edgemesh.

• Add Layer 4 proxy support in edgemesh.

• Istio-based service mesh across Edge and Cloud where micro-services can communicate freely in the mesh.

• Enable function as a service at the Edge.
• Support more types of device protocols such as OPC-UA, Zigbee.
• Evaluate and enable much larger scale Edge clusters with thousands of Edge nodes and millions of devices.

• Enable intelligent scheduling of applications to large scale Edge clusters.

• Data management with support for ingestion of telemetry data and analytics at the edge.

• Security at the edge.
• Support for monitoring at the edge.

5.功能原理介绍：

1）KubeEdge的云边协同通信测试过包括Grpc、WebSocket、Quic，最后发现WebSocket是性能最好的，所以默认采用了WebSocket。Quic作为备选项，在网络频繁断开等很不稳定场景有优势。KubeEdge云边消息传递是通过EdgeHub跟CloudHub间的Websocket或Quic协议的长连接传递的。

2）KubeEdge会将边缘收到的应用、设备元数据都进行本地持久化。相比Kubelet在内存中缓存对象的方式，可以有效保证节点离线、故障恢复时的业务自治和快速自愈。

3）edgemesh组件实现边缘节点之间的pod通信和边缘pod到云端pod的通信，但是目前还不支持云端pod到边缘侧pod的通信。

6.尝鲜结果：

通过kubeedge源码自带的一键部署脚本部署kubeedge集群，并熟悉组件的配置，得知在已有K8S集群平台上部署集成KubeEdge比较容易，阻碍不会很大。目前体验了在云端编排部署容器后，在边缘侧离线自治和故障自愈的功能。通过停止cloudcore和edgecore组件来模拟断开云边的连接和边缘节点故障重启，容器在断开和云端的连接后仍然正常运行，在节点重启后能自动拉起容器运行正常。目前发现大部分功能和阿里云的边缘集群差不多，可以考虑取代阿里云的边缘集群实现自建边缘计算集群。

另外：K3S是轻量化的K8S集群，在边缘侧部署一个完成的集群，完全的在边缘侧实现编排管理。如果不考虑云边协同的场景也可以使用，如：海外场景。不过KubeEdge的EdgeSite组件也是侧重于边缘侧的编排管理而生的，也具备这样的能力，只是目前版本还不成熟和完善。

 

其他功能在测试中。。。