边缘计算 KubeEdge+EdgeMash

简介

KubeEdge是面向边缘计算场景、专为边云协同设计的业界首个云原生边缘计算框架，在 Kubernetes 原生的容器编排调度能力之上实现了边云之间的应用协同、资源协同、数据协同和设备协同等能力，完整打通了边缘计算中云、边、设备协同的场景。其中KubeEdge架构主要包含云边端三部分：

云上是统一的控制面，包含原生的Kubernetes管理组件，以及KubeEdge自研的CloudCore组件，负责监听云端资源的变化，提供可靠和高效的云边消息同步。
边侧主要是EdgeCore组件，包含Edged、MetaManager、EdgeHub等模块，通过接收云端的消息，负责容器的生命周期管理。
端侧主要是device mapper和eventBus，负责端侧设备的接入。

底层逻辑

KubeEdge是Kubernetes在边缘场景下的延伸。目标是将Kubernetes对容器编排的能力延伸到边缘上；
KubeEdge主要包含两个组件，云端的CloudCore和边缘节点上EdgeCore，同时还有一个Device模块，用于管理海量的边缘设备。

KubeEdge功能组件

Edged: 在边缘节点上运行并管理容器化应用程序的代理。
EdgeHub: Web套接字客户端，负责与Cloud Service进行交互以进行边缘计算（例如KubeEdge体系结构中的Edge Controller）。这包括将云侧资源更新同步到边缘，并将边缘侧主机和设备状态变更报告给云。
CloudHub: Web套接字服务器，负责在云端缓存信息、监视变更，并向EdgeHub端发送消息。
EdgeController: kubernetes的扩展控制器，用于管理边缘节点和pod的元数据，以便可以将数据定位到对应的边缘节点。
EventBus: 一个与MQTT服务器（mosquitto）进行交互的MQTT客户端，为其他组件提供发布和订阅功能。
DeviceTwin: 负责存储设备状态并将设备状态同步到云端。它还为应用程序提供查询接口。
MetaManager: Edged端和Edgehub端之间的消息处理器。它还负责将元数据存储到轻量级数据库（SQLite）或从轻量级数据库（SQLite）检索元数据。

KubeEdge

为了更好的支持KubeEdge并提供可视化界面管理边缘节点，本文档使用KubeSphere平台用来管理边缘节点，KubeSphere官方文档。

配置云端（KubeEdge Master节点）

1、启用KubeEdge

使用admin身份访问KubeSphere控制台，进入集群管理，点击定制资源定义，找到ClusterConfiguration，编辑ks-install；

在该配置文件中找到edgeruntime和kubeedge，将enabled的值修改为true；
修改edgeruntime.kubeedge.cloudCore.cloudHub.advertiseAddress的值设置为公网IP地址；

完成后点击右下角的"确定"，并检查ks-installer的日志查看部署状态。

2、配置公网端口转发

启动完成后使用如下命令即可看到cloudcore的NodePort端口。

$ kubectl get svc -n kubeedge -l k8s-app=kubeedge

NAME        TYPE       CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP   PORT(S)                                                                           AGE

cloudcore   NodePort   10.96.0.106   <none>        10000:30000/TCP,10001:30001/TCP,10002:30002/TCP,10003:30003/TCP,10004:30004/TCP   3m

需要按照下列端口配置公网端口转发，将10000-10004端口转发到NodePort的30000-30004端口。

字段	外网端口	字段	内网端口
cloudhubPort	10000	cloudhubNodePort	30000
cloudhubQuicPort	10001	cloudhubQuicNodePort	30001
cloudhubHttpsPort	10002	cloudhubHttpsNodePort	30002
cloudstreamPort	10003	cloudstreamNodePort	30003
tunnelPort	10004	tunnelNodePort	30004

如果有云厂商，则需要创建负载均衡按照上述表格的规则进行转发。
如果没有云厂商，可以使用如下命令配置iptables规则进行端口转发：

iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp --dport 10000 -j REDIRECT --to-ports 30000

iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp --dport 10001 -j REDIRECT --to-ports 30001

iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp --dport 10002 -j REDIRECT --to-ports 30002

iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp --dport 10003 -j REDIRECT --to-ports 30003

iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp --dport 10004 -j REDIRECT --to-ports 30004

3、配置iptables守护进程

部署完成后，发现DaemonSet资源iptables未调度到k8s-master节点上，需要配置容忍master污点。

$ kubectl get pod -o wide -n kubeedge

NAME                               READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES

cloud-iptables-manager-q9bsx       1/1     Running   0          28m   172.20.1.12    k8s-node02     <none>           <none>

cloud-iptables-manager-vvpv8       1/1     Running   0          28m   172.20.1.11    k8s-node01     <none>           <none>

cloudcore-54b7f4f699-wcpjc         1/1     Running   0          70m   10.244.0.27    k8s-node02     <none>           <none>

edgeservice-855fdd8f94-8zd8k       1/1     Running   0          53m   10.244.0.42    k8s-node02     <none>           <none>

找到"应用负载"-"工作负载"-"守护进程集"，编辑"cloud-iptables-manager"添加如下配置：

kind: DaemonSet

apiVersion: apps/v1

metadata:

  name: cloud-iptables-manager

  namespace: kubeedge

spec:

  template:

    spec:

      ......

      # 添加如下配置

      tolerations:

        - key: node-role.kubernetes.io/master

          operator: Exists

          effect: NoSchedule

注：如果未修改以上配置，则在KubeSphere上无法对边缘节点的Pod查看日志和执行命令。

配置完成后再次检查iptables守护进程是否已经调度到所有节点

$ kubectl get pod -o wide -n kubeedge

NAME                               READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES

cloud-iptables-manager-q9bsx       1/1     Running   0          28m   172.20.1.12    k8s-node02     <none>           <none>

cloud-iptables-manager-vvpv8       1/1     Running   0          28m   172.20.1.11    k8s-node01     <none>           <none>

cloud-iptables-manager-zwmdg       1/1     Running   0          29m   172.20.1.10    k8s-master     <none>           <none>

cloudcore-54b7f4f699-wcpjc         1/1     Running   0          70m   10.244.0.27    k8s-node02     <none>           <none>

edgeservice-855fdd8f94-8zd8k       1/1     Running   0          53m   10.244.0.42    k8s-node02     <none>           <none>

配置边端（KubeEdge Node节点）

添加边缘节点文档：https://kubesphere.com.cn/docs/installing-on-linux/cluster-operation/add-edge-nodes/

KubeEdge 支持多种容器运行时，包括 Docker、containerd、CRI-O 和 Virtlet。有关更多信息，请参见KubeEdge 文档。
为了确保 KubeSphere 可以获取 Pod 指标，需要在边缘端安装 Docker v19.3.0 或更高版本。

添加边缘节点

到边缘端执行KubeSphere上复制过来的命令

arch=$(uname -m); if [[ $arch != x86_64 ]]; then arch='arm64'; fi;  curl -LO https://kubeedge.pek3b.qingstor.com/bin/v1.9.2/$arch/keadm-v1.9.2-linux-$arch.tar.gz \

 &&  tar xvf keadm-v1.9.2-linux-$arch.tar.gz \

 && chmod +x keadm && ./keadm join --kubeedge-version=1.9.2 --region=zh --cloudcore-ipport=1x.xx.xx.28:10000 --quicport 10001 --certport 10002 --tunnelport 10004 --edgenode-name edge-node-01 --edgenode-ip 192.168.1.63 --token c2d7e72e15d28aa3e2b9340b9429982595b527b334a756be919993f45b7422b1.eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJleHAiOjE2NTY2NDU5NDJ9.bQeNr4RFca5GByALxVEQbiQpEYTyyWNzpDQVhm39vc8 --with-edge-taint

  % Total    % Received % Xferd  Average Speed   Time    Time     Time  Current

                                 Dload  Upload   Total   Spent    Left  Speed

100 52.3M  100 52.3M    0     0  1020k      0  0:00:52  0:00:52 --:--:-- 1057k

./keadm

install MQTT service successfully.

kubeedge-v1.9.2-linux-amd64.tar.gz checksum:

checksum_kubeedge-v1.9.2-linux-amd64.tar.gz.txt content:

[Run as service] start to download service file for edgecore

[Run as service] success to download service file for edgecore

kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/

kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/

kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/cloudcore/

kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/cloudcore/cloudcore

kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/iptablesmanager/

kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/iptablesmanager/iptablesmanager

kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/csidriver/

kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/csidriver/csidriver

kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/admission/

kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/admission/admission

kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/edge/

kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/edge/edgecore

kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/version

KubeEdge edgecore is running, For logs visit: journalctl -u edgecore.service -b

查看边缘节点是否添加成功

$ kubectl get nodes

NAME           STATUS   ROLES                  AGE   VERSION

edge-node-01   Ready    agent,edge             23h   v1.21.4-kubeedge-v1.9.2

k8s-master     Ready    control-plane,master   16d   v1.21.5

k8s-node01     Ready    <none>                 16d   v1.21.5

k8s-node02     Ready    <none>                 25h   v1.21.5

边缘节点加入集群后，部分 Pod 在调度至该边缘节点上后可能会一直处于 Pending 状态。由于部分守护进程集（例如，Calico）有强容忍度，您需要使用以下脚本手动 Patch Pod 以防止它们调度至该边缘节点。

#!/bin/bash

NodeSelectorPatchJson='{"spec":{"template":{"spec":{"nodeSelector":{"node-role.kubernetes.io/master": "","node-role.kubernetes.io/worker": ""}}}}}'

NoShedulePatchJson='{"spec":{"template":{"spec":{"affinity":{"nodeAffinity":{"requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution":{"nodeSelectorTerms":[{"matchExpressions":[{"key":"node-role.kubernetes.io/edge","operator":"DoesNotExist"}]}]}}}}}}}'

edgenode="edgenode"

if [ $1 ]; then

        edgenode="$1"

fi

namespaces=($(kubectl get pods -A -o wide |egrep -i $edgenode | awk '{print $1}' ))

pods=($(kubectl get pods -A -o wide |egrep -i $edgenode | awk '{print $2}' ))

length=${#namespaces[@]}

for((i=0;i<$length;i++));

do

        ns=${namespaces[$i]}

        pod=${pods[$i]}

        resources=$(kubectl -n $ns describe pod $pod | grep "Controlled By" |awk '{print $3}')

        echo "Patching for ns:"${namespaces[$i]}",resources:"$resources

        kubectl -n $ns patch $resources --type merge --patch "$NoShedulePatchJson"

        sleep 1

done

收集边缘节点监控信息

1、在 ClusterConfiguration 的 ks-installer 中，将metrics_server的enable改为true。

2、到边缘节点编辑 vim /etc/kubeedge/config/edgecore.yaml 配置文件将edgeStream的enable改为true

edgeStream:

  enable: true

  handshakeTimeout: 30

  readDeadline: 15

  server: 1x.xx.xx.x8:10004

  tlsTunnelCAFile: /etc/kubeedge/ca/rootCA.crt

  tlsTunnelCertFile: /etc/kubeedge/certs/server.crt

  tlsTunnelPrivateKeyFile: /etc/kubeedge/certs/server.key

  writeDeadline: 15

3、重启systemctl restart edgecore.service

部署到边缘节点的Pod需要配置容忍污点

spec:

  containers:

  - name: nginx

    image: nginx

    imagePullPolicy: IfNotPresent

  tolerations:

  - key: "node-role.kubernetes.io/edge"

    operator: "Exists"

    effect: "NoSchedule"

EdgeMesh

简介

EdgeMesh的定位是KubeEdge用户数据面轻量化的通讯组件，完成节点之间网络的Mesh，在边缘复杂网络拓扑上的节点之间建立P2P通道，
并在此通道上完成边缘集群中流量的管理和转发，最终为用户KubeEdge集群中的容器应用提供与Kubernetes Service一致的服务发现与流量转发体验。

官网：https://edgemesh.netlify.app/zh/

上图展示了 EdgeMesh 的简要架构，EdgeMesh 包含两个微服务：edgemesh-server 和 edgemesh-agent。

EdgeMesh-Server：

EdgeMesh-Server运行在云上节点，具有一个公网IP，监听来自EdgeMesh-Agent的连接请求，并协助EdgeMesh-Agent之间完成UDP打洞，建立P2P连接；
在EdgeMesh-Agent之间打洞失败的情况下，负责中继EdgeMesh-Agent之间的流量，保证100%的流量中转成功率。

EdgeMesh-Agent：

EdgeMesh-Agent的DNS模块，是内置的轻量级DNS Server，完成Service域名到ClusterIP的转换。
EdgeMesh-Agent的Proxy模块，负责集群的Service服务发现与ClusterIP的流量劫持。
EdgeMesh-Agent的Tunnel模块，在启动时，会建立与EdgeMesh-Server的长连接，在两个边缘节点上的应用需要通信时，会通过EdgeMesh-Server进行UDP打洞，尝试建立P2P连接，一旦连接建立成功，后续两个边缘节点上的流量不需要经过EdgeMesh-Server的中转，进而降低网络时延。

EdgeMesh工作原理

云端是标准的Kubernetes集群，可以使用任意CNI网络插件，比如Flannel、Calico，可以部署任意Kubernetes原生组件，比如Kubelet、KubeProxy；
同时云端部署KubeEdge云上组件CloudCore，边缘节点上运行KubeEdge边缘组件EdgeCore，完成边缘节点向云上集群的注册。

核心优势：

跨子网边边/边云服务通信：无论应用部署在云上，还是在不同子网的边缘节点，都能够提供通Kubernetes Service一致的使用体验。
低时延：通过UDP打洞，完成EdgeMesh-Agent之间的P2P直连，数据通信无需经过EdgeMesh-Server中转。
轻量化：内置DNS Server、EdgeProxy，边缘侧无需依赖CoreDNS、KubeProxy、CNI插件等原生组件。
非侵入：使用原生Kubernetes Service定义，无需自定义CRD，无需自定义字段，降低用户使用成本。
适用性强：不需要边缘站点具有公网IP，不需要用户搭建VPN，只需要EdgeMesh-Server部署节点具有公网IP且边缘节点可以访问公网。

部署EdgeMesh

使用admin身份登入KubeSphere，点击工作台进入"system-workspace"工作空间，在kubesphere-master集群项目中找到kubeedge并进入，

在该项目应用负载中创建基于模板的应用，选择从"应用商店"搜索找到"edgemesh"并点击安装，安装前请确认安装位置是否正确。

在应用设置中修改如下几处内容并点击安装：

server:

  nodeName: "k8s-node01"   # 指定edgemesh-server部署的节点

  advertiseAddress:

    - 1x.xx.xx.x8         # 指定edgemesh-server对外暴漏服务的IP列表（此处填写的是华为云ELB的公网IP）

  modules:

    tunnel:

      enable: true

      listenPort: 20004    # 需要将该端口暴漏到公网（无需修改）

agent:

  modules:

    edgeProxy:

      enable: true

      socks5Proxy:

        enable: true       # 开启SSH隧道代理

        listenPort: 10800

部署完成后需要设置edgemesh-agent的节点容忍，使其能调度到master和edge节点上。

spec:

  template:

    spec:

      # 添加如下内容

      tolerations:

        - key: node-role.kubernetes.io/edge

          operator: Exists

          effect: NoSchedule

        - key: node-role.kubernetes.io/master

          operator: Exists

          effect: NoSchedule

最后查看部署结果（确保edgemesh-agent在每一个节点都运行了一个pod）：

$ kubectl get pod -n kubeedge -o wide

NAME                               READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES

cloud-iptables-manager-q9bsx       1/1     Running   0          16h   172.20.1.12    k8s-node02     <none>           <none>

cloud-iptables-manager-vvpv8       1/1     Running   0          16h   172.20.1.11    k8s-node01     <none>           <none>

cloud-iptables-manager-zwmdg       1/1     Running   0          16h   172.20.1.10    k8s-master     <none>           <none>

cloudcore-54b7f4f699-wcpjc         1/1     Running   0          16h   10.244.0.27    k8s-node02     <none>           <none>

edgemesh-agent-2l25t               1/1     Running   0          15m   172.20.1.12    k8s-node02     <none>           <none>

edgemesh-agent-cd67c               1/1     Running   0          14m   172.20.1.11    k8s-node01     <none>           <none>

edgemesh-agent-jtl9l               1/1     Running   0          14m   192.168.1.63   edge-node-01   <none>           <none>

edgemesh-agent-vdmzc               1/1     Running   0          16m   172.20.1.10    k8s-master     <none>           <none>

edgemesh-server-65b6db88fb-stckp   1/1     Running   0          16h   172.20.1.11    k8s-node01     <none>           <none>

edgeservice-855fdd8f94-8zd8k       1/1     Running   0          16h   10.244.0.42    k8s-node02     <none>           <none>

SSH隧道代理

前提条件

请确保edgemesh-agent已经开启了socks5Proxy。
确保执行k8s-master节点安装了nc命令，如没有请执行yum -y install nc进行安装。

$ kubectl get nodes

NAME           STATUS   ROLES                  AGE   VERSION

edge-node-01   Ready    agent,edge             21h   v1.21.4-kubeedge-v1.9.2

k8s-master     Ready    control-plane,master   16d   v1.21.5

k8s-node01     Ready    <none>                 16d   v1.21.5

k8s-node02     Ready    <none>                 23h   v1.21.5

$ ssh -o "ProxyCommand nc --proxy-type socks5 --proxy 169.254.96.16:10800 %h %p" root@edge-node-01

The authenticity of host 'edge-node-01 (<no hostip for proxy command>)' can't be established.

ECDSA key fingerprint is SHA256:alzjCdezpa8WxcW6lZ70x6sZ4J5193wM2naFG7nNmOw.

ECDSA key fingerprint is MD5:56:b7:08:1d:79:65:2e:84:8f:92:2a:d9:48:3a:15:31.

Are you sure you want to continue connecting (yes/no)? yes

Warning: Permanently added 'edge-node-01' (ECDSA) to the list of known hosts.

root@edge-node-01's password:

Last failed login: Fri Jul  1 09:33:11 CST 2022 from 192.168.1.63 on ssh:notty

There was 1 failed login attempt since the last successful login.

Last login: Fri Jul  1 09:25:01 2022 from 192.168.20.168

[root@edge-node-01 ~]#

注：由于节点的 IP 可能重复，所以只支持通过节点名称进行连接。

在v3.3.0版本中可支持在ks控制台中登入终端。

错误处理:

1、kubeedge和edgemesh的服务都正常且日志没有报错，但是云和边无法互相访问。

云端配置

# 在云端，开启 dynamicController 模块，并重启 cloudcore

$ kubectl edit cm cloudcore -n kubeedge

modules:

  ..

  dynamicController:

    enable: true

..

$ kubectl rollout restart deploy cloudcore -n kubeedge

边缘端配置

# 打开 metaServer 模块（如果你的 KubeEdge < 1.8.0，还需关闭 edgeMesh 模块）

vim /etc/kubeedge/config/edgecore.yaml

modules:

  ..

  edgeMesh:

    enable: false

  ..

  metaManager:

    metaServer:

      enable: true

# 配置 clusterDNS 和 clusterDomain

$ vim /etc/kubeedge/config/edgecore.yaml

modules:

  ..

  edged:

    clusterDNS: 169.254.96.16

    clusterDomain: cluster.local

# 重启 edgecore

$ systemctl restart edgecore

验证

$ curl 127.0.0.1:10550/api/v1/services

{"apiVersion":"v1","items":[{"apiVersion":"v1","kind":"Service","......}

关键术语：

轻边缘：轻边缘侧重各类设备的解析、数据预处理和前端的推理。
重边缘：重边缘产品除了具备轻边缘的功能之外，还具有更多存储空间、更高计算力，可以满足客户对于数据预处理、数据局部汇集存储等等一系列要求，并结合边缘端实现对于端侧也就是边缘侧的数据资源调度和管理。

相关文章：

https://www.xujun.org/note-138973.html
在 KubeSphere 上使用 EdgeMesh 打通云边隧道：https://cdn.modb.pro/db/241198
KubeSphere+EdgeMesh(视频)： https://www.bilibili.com/video/BV1q3411a7Ws?share_source=copy_web
EdgeMesh:边缘计算场景中服务网络的延伸和扩展：https://max.book118.com/html/2021/1118/5120042332004112.shtm
边缘计算场景下Service Mesh的延伸和扩展：https://aijishu.com/a/1060000000299381

相关视频：

中国移动边缘计算：https://www.bilibili.com/video/BV1vg411L7e4?share_source=copy_web
Google 边缘计算：https://www.bilibili.com/video/BV1iY411F7JY?share_source=copy_web
华为云KubeEdge的架构和核心理念：https://www.bilibili.com/video/BV1nT4y1M76T?share_source=copy_web

相关问题：

Q：安全信怎么做防护的？
A：EdgeMesh-Server与EdgeMesh-Agent之间都有证书进行加密。

Q：服务之间通信效率？
A：在500 qps以内访问接近于直连网络，网络损耗特别低，打洞成功会有10%左右中继的消耗。

Q：资源消耗情况？
A：每一个EdgeMesh-Agent占用内存不到40兆，CPU只有1%-5%以内。