基于KubeEdge的边缘节点分组管理设计与实现

云容器大未来 发表于 2022/08/29 11:40:22 2022/08/29
【摘要】 本文作者由KubeEdge社区Member——华为云 鲍玥、浙江大学SEL实验室 张逸飞原创 。KubeEdge 1.11版本提供了“边缘节点分组管理”新特性,抽象出了跨地域的应用部署模型。该模型将边缘节点按地区划分为节点组,并将应用所需资源打包成一个整体在节点组上进行部署,降低了边缘应用生命周期管理的复杂度,有效减少运维成本。

本文作者:KubeEdge社区Member:华为云 鲍玥;浙江大学SEL实验室 张逸飞 

KubeEdge 1.11版本提供了“边缘节点分组管理”新特性,抽象出了跨地域的应用部署模型。该模型将边缘节点按地区划分为节点组,并将应用所需资源打包成一个整体在节点组上进行部署,降低了边缘应用生命周期管理的复杂度,有效减少运维成本。

1. 边缘应用跨地域部署面临的挑战

1 边缘应用跨地域部署示意图

在边缘计算场景中,边缘节点通常分布在不同的地理区域,这些区域中的节点有着计算资源、网络结构和硬件平台等属性上的差异。如图1所示,边缘节点部署在杭州、北京和上海等地域,各地域边缘节点的规模不同,不同地域网络不互通,以及不同区域镜像仓库也是不同的,如北京的节点无法通过IP直接访问其他区域的节点。因此在部署边缘应用的时候,通常需要为每个这样的地理区域维护一个Deployment,对于资源少的区域减少副本数量,对于局域网中的节点需要把镜像地址改为本地镜像仓库的地址,同样也需要为每个地区管理单独的Service资源,来解决跨地域节点之间的访问问题。然而随着地理区域和应用数量的增长,对应用的管理会变得越来越复杂,运维成本也随之增加。基于以上背景,KubeEdge提供了边缘节点分组管理能力,来解决在跨地域应用部署中运维复杂度的问题。


2. 边缘节点分组管理设计与实现

图2 边缘节点分组整体概览

如图2所示,边缘节点分组特性的整体设计图,主要由节点分组、边缘应用和流量闭环三个部分的内容组成,下面会就以上各个部分详细展开。

2.1 节点分组(NodeGroup)

图3 节点分组示例

根据边缘节点的地理分布特点,可以把同一区域的边缘节点分为一组,将边缘节点以节点组的形式组织起来,同一节点同时只能属于一个节点组。节点分组可以通过matchLabels字段,指定节点名或者节点的Label两种方式对节点进行选择。节点被包含到某一分组后,会被添加上apps.kubeedge.io/belonging-to:nodegroup的Label。

2.2 边缘应用(EdgeApplication)

图4 边缘应用EdgeApplication的组成

边缘应用用于将应用资源打包按照节点组进行部署并满足不同节点组之间的差异化部署需求该部分引入了一个新的CRD: EdgeApplication,主要包括两个部分:

(1) Workload Templates主要包括边缘应用所需要的资源模板例如Deployment TemplateService Template和ConfigMap Template等

(2) WorkloadScopes主要针对不同节点组的需求用于资源模板的差异化配置包括副本数量差异化配置(Replicas Overrider)和镜像差异化配置(Image Overrider),其中Image Overrider包括镜像仓库地址仓库名称和标签

对于应用主体,即Deployment,会根据Deployment Template以及差异化配置Overrider生成每组所需的Deployment版本,通过调整nodeSelector将其分别部署到指定分组中。对于应用依赖的其他资源,如ConfigMap和Service,则只会在集群中通过模板创建一个相应的资源。边缘应用会对创建的资源进行生命周期管理,当删除边缘应用时,所有创建的资源都会被删除。

2.3 流量闭环

图5 流量闭环示意图

通过流量闭环的能力,将服务流量限制在同一节点组内,在一个节点组中访问Service时,后端总是在同一个节点组中。当使用EdgeApplication中的Service Template创建Service时,会为Service添上service-topology:range-nodegroup的annotation,KubeEdge云上组件CloudCore会根据该annotation对Endpoint和Endpointslice进行过滤,滤除不在同一节点组内的后端,之后再下发到边缘节点。

此外,在下发集群中默认的Master Service “Kubernetes”所关联的Endpoint和Endpointslice时,会将其维护的IP地址修改为边缘节点MetaServer地址,用户在边缘应用中list/watch集群资源时,可以兼容K8s流量访问方式,实现无缝迁移和对接。

3. 实现原理与设计理念

在这个部分,我们会分享一下边缘节点分组管理特性的设计理念,并结合KubeEdge整体架构,详细介绍一下我们的实现原理。

图6 设计理念

我们希望给用户提供一个统一的运维入口,原本我们需要维护各个地区的Deployment,如果需要进行增删改查操作,我们需要对每个地区的Deployment都执行一遍相同的操作,不仅增加了运维成本,还容易引入人为操作的错误。边缘节点分组管理特性通过引入EdgeApplication CRD,统一了Deployment等资源的运维入口。

另外我们需要提供更大的扩展可能性,在内部实现中,我们统一使用了Unstructured结构,降低与特定资源的耦合度,方便后续添加其他资源。另外为了不干涉原生资源和流程,我们降低与Kubernetes Reconciliation的耦合度,可以保证Deployment等资源操作过程的原生性。

图7 节点组和边缘应用实现

在边缘节点分组管理特性中,我们引入了两个CRD,分别是节点组NodeGroup和边缘应用EdgeApplication。在NodeGroup Reconciliation中,NodeGroup Controller用于监听NodeGroup CRD的变化,并对节点的apps.kubeedge.io/belonging-to:nodegroup Label进行增删改等操作,同时,加入节点组的节点,会上报状态到NodeGroup CRD中,我们就可以通过查询NodeGroup直接查看节点组内所有节点的状态。

EdgeApplication Reconciliation与NodeGroup Reconciliation类似,由EdgeApplication Controller来监听EdgeApplication CRD的变化,对相应资源进行增删改等操作,同时对应资源会上报状态到EdgeApplication CRD中。

8 整体架构

如图8所示,是最终的整体架构图。在边缘节点分组管理特性中,我们引入了新的组件ControllerManager,其中包括了刚才我们介绍的NodeGroup Controller和EdgeApplication Controller,在CloudCore中引入了新的模块EndpointSlice Filter,用于实现流量闭环的能力。

图中蓝色区域是前面已经介绍了的节点分组和边缘应用的内容,在这里再重点介绍一下Service Template实现流量闭环能力的过程。首先在EdgeApplication CRD中加入Service的模板,在创建边缘应用时,Service range-nodegroup资源也会随之生成,同时控制面会自动为其创建EndpointSlice。EndpointSlice会通过KubeEdge的云边通道下发到边缘节点,CloudCore中的EndpointSlice Filter会进行过滤,保证下发到同一节点组内的边缘节点,由此可以保证边缘上的客户端访问始终在一个节点组内。

对于用户来说,图8中紫色的线表达了用户需要维护的资源。首先用户需要维护NodeGroup,来管理节点组中的节点;其次,用户需要维护EdgeApplication资源,通过EdgeApplication来实现对各个地域边缘应用的生命周期管理。

4. 发展规划

目前我们已经实现了Deployment、Service和ConfigMap等资源的打包以及流量闭环的能力,并且支持资源的部分状态收集。未来我们将继续拓展边缘节点分组的能力,实现边缘网关,支持StatefulSet等更多资源,逐步完善应用状态收集,并在Kubectl中支持更友好的资源展现形式。欢迎大家能够加入KubeEdge社区,一起完善与增强KubeEdge边缘节点分组等方面的能力。


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KubeEdge是业界首个云原生边缘计算框架、云原生计算基金会内部唯一孵化级边缘计算开源项目,社区已完成业界最大规模云原生边云协同高速公路项目(统一管理10万边缘节点/50万边缘应用)、业界首个云原生星地协同卫星、业界首个云原生车云协同汽车、业界首个云原生油田项目,开源业界首个分布式协同AI框架Sedna及业界首个边云协同终身学习范式,并在持续开拓创新中。添加小助手微信putong3333进入KubeEdge交流群

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