*作者｜VMWare 主任工程師：劉武明、浙江大學 SEL 實驗室研究生：陳濤*
*稽核&校對：溪洋、海珠*
*編輯&排版：雯燕*

# 背景介紹

邊緣計算區別於傳統的中心雲端計算模式，並被廣泛地應用於汽車、農業、能源、交通等各行各業。Gartner 將邊緣計算分為 "Cloud" 、"Far Edge"  、"Near Edge" 三部分，分別對應常見的公共雲/私有云、雲下 IDC/CDN 節點以及裝置終端；即常說的 “雲、邊、端” 三層結構。隨著算力和業務的逐級下沉，網路環境越來越複雜，裝置資源越來越受限，裝置架構越來越豐富，這些變化給運維管理邊緣節點、裝置，提高邊緣應用的可靠性、資源的利用率等方面，都帶來了巨大的挑戰。

近日，OpenYurt 與 EdgeX Foundry 社群合作，完成了整合對接：從 v0.5.0 版本開始，OpenYurt 將正式支援部署和管理 EdgeX Foundry，並以雲原生的方式管理端裝置，雙方將共同幫助開發者輕鬆、高效地解決物聯網邊緣計算場景下端裝置管理和運維的挑戰。

### 1、OpenYurt：非侵入式的邊緣雲原生智慧平臺

OpenYurt 基於原生 Kubernetes 構建，由阿里雲於 2020 年 5 月開源，並於同年 9 月份入選 CNCF SandBox 專案，是業界首個對 Kubernetes 無侵入的邊緣計算雲原生開源平臺。OpenYurt 主打 “雲邊一體化” 的概念，針對邊緣計算場景中的網路環境複雜、大規模應用交付、運維困難等痛點，提供了邊緣自治、雲邊運維通道、單元化部署、一鍵式叢集轉化等能力，透過將雲邊節點統一管理，使得邊緣節點擁有與雲端相同的能力，幫助開發者輕鬆完成在海量邊緣資源上的大規模應用交付、運維、管控。

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### 2、EdgeX Foundry：邊緣物聯網管理平臺

EdgeX Foundry 是一款由生態系統提供強力支援的邊緣物聯網即插即用型、開放式軟體平臺。它具有高度靈活和可擴充套件性，可以大大的降低應用與邊緣裝置，感測器等硬體互操作的複雜性。EdgeX Foundy 採用分層和服務的設計，從下至上分別是裝置服務，核心服務，支援服務，應用服務以及安全和管理兩個輔助服務。EdgeX Foundry 的分層和服務為邊緣裝置/節點和雲/企業應用之間提供了一個雙向轉換引擎。可以將感測器和節點資料按特定格式傳輸到應用，也可以將應用指令下發到邊緣裝置。

![圖片 2.png](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/52224b3ff4da45f6b5c1fd569d84d655~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image)

- 裝置服務層：裝置服務將“物”即感測器和裝置連線到 EdgeX 的其餘部分。裝置服務是與 “物” 互動的邊緣聯結器，包括但不限於警報系統、家庭和辦公樓中的供暖和空調系統、灌溉系統、無人機、自動化運輸（例如一些鐵路系統）等等。
- 核心服務層：核心服務包括核心資料庫，核心後設資料，配置和登錄檔以及核心命令/控制四個服務。他們是對各類裝置的一層抽象，儲存和收集感測器的資料和後設資料，以及來自應用的命令/控制以及配置。
- 支援服務層：主要包括警報服務、通知服務、計劃服務，以及規則引擎。
- 應用服務層：應用服務負責從 EdgeX 提取、處理、轉換和傳送感測資料到使用者選擇的斷點或者流程。EdgeX 現在提供了很多應用程式服務示例以將資料傳送到一些主要的雲提供商。
- 安全服務層：保護 EdgeX 管理的裝置、感測器和其它物聯網物件的資料以及控制。EdgeX 的安全功能建立在開放介面、可插拔、可更換模組的基礎之上。
- 管理服務：為外部管理系統提供統一的藉口以便於其啟動、停止、重啟 Edgex 服務、獲取服務的狀態或者相關指標，以便於 EdgeX 服務可以被監控。

# 擴充 “端” 的能力

根據上述介紹可以看到，OpenYurt 擅長以非侵入的方式，實現雲邊資源的統一管理和運維，使得邊緣節點擁有云端相同的能力。但隨著將相關納管能力擴充至 “ 端 ”這一層時，由於近端裝置異構資源支援複雜、通訊方式多樣、分佈位置分散等特點，會出現以下問題：

- 為了支援各種邊緣裝置，現有的 OpenYurt 框架必須為每個類別的裝置開發專用的介面卡；
- 在直接納管端裝置的過程中，現有解決方案要麼改變 Kubernetes 架構，要麼顯著修改核心元件，丟失一些上游 Kubernetes 特性的同時，與 OpenYurt 的非侵入式理念相悖。

從 v0.5.0 版本開始，Openyurt 和 EdgeX Foundry 社群透過可擴充套件方式深度融合，在邊緣計算、裝置管理、物模型定義、雲原生 IoT 領域進一步合作，實現 “雲、邊、端” 三者的強力協同。OpenYurt 透過整合 EdgeX Foundry 裝置管理平臺，正式支援端裝置的管理能力。使用者可以使用 Yurt-edgex-manager 元件一鍵式部署 Edgex Foundry 例項，並透過部署 Yurt-device-controller 元件打通邊緣裝置管理平臺和雲端之間的運維管理通道，允許使用者宣告式地管理邊緣裝置，為使用者提供 Kubernetes 原生管理端裝置的體驗。

# OpenYurt v0.5.0 裝置管理解決方案

### 1、使用 OpenYurt 編排部署 EdgeX Foundry

在最新 OpenYurt 中引入了一個 Yurt-edgex-controller 的控制器來管理 EdgeX CR。EdgeX CR 是對 EdgeX Foundy 在 OpenYurt 中部署的一個抽象，使用者可以操作 CR 的方式來管理 EdgeX 的部署，更新，刪除。不再需要寫複雜的 Yaml 檔案以及 Helm Chart。

使用者只需要建立一個 EdgeX 的 CR，Yurt-edgex-controller 會根據 CR 中版本以及對應的 Nodepool 的名字部署 EdgeX。使用者在一個叢集中可以根據 Nodepool 的數量部署多個 EdgeX，每個 EdgeX 的版本，以及包括的 EdgeX 服務可以配置。

![圖片 3.png](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/e875118e039d4746bf2c582d488ebc54~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image)

- EdgeX: 是一套 EdgeX foundy 部署的抽象，包括 EdgeX foundry 的版本，以及需要部署的 Nodepool 的名字。基礎的 EdgeX CR 包括 8 個基礎的 EdgeX 服務和部署，此外還提供 AdditionalDeployment 和 Additional Service 的欄位，讓使用者可以部署任何所需的 EdgeX 元件和第三方應用。

在 OpenYurt 中，EdgeX 的服務透過以 Kubernetes 服務的形式來對外提供訪問，儘管不同的 EdgeX 例項使用相同 Kubernates 服務名稱，ServiceToploy 會確保 EdgeX 元件只能訪問屬於同一 EdgeX 例項的其他元件，而不會發生交叉訪問的情緒。Yurt-edgex-controller 利用 unitedeployment 的能力，在 Nodepool 中部署 EdgeX 的元件。

### 2、雲原生 IoT 模型

#### 裝置資訊抽象

為管理現實世界中的裝置，需要對裝置管理相關的服務進行抽象，Yurt-device-controller 作為連通雲和邊緣管理平臺的元件，抽象出了三個 CRD，用於對映對應裝置管理平臺上的資源，它們分別是 DeviceProfile、DeviceService 和 Device：

- DeviceProfile：描述了使用相同協議的一種裝置型別，其中包括一些通用資訊，如製造商名稱、裝置描述和裝置型號。DeviceProfile 還定義了此類裝置提供的資源型別（例如，溫度、溼度）以及如何讀取/寫入這些資源。每個 device 都需要關聯一個 DeviceProfile；
- DeviceService：是與裝置互動的邊緣聯結器在雲端的對映，定義瞭如何將裝置接入到邊緣裝置管理平臺，包括裝置的通訊協議，通訊地址等資訊。每個 device 都需要關聯一個 DeviceService；
- Device：是現實世界中端裝置的對映，例如：電器、警報系統、照明、感測器等裝置，它給出了特定裝置的詳細定義，包括關聯的 DeviceProfile（屬於哪類裝置）、關聯的 DeviceService（使用何種通訊方式）以及裝置特有屬性（如照明裝置的開關狀態等）。

#### 裝置管理架構

透過抽象出上述三種 CRD，可以反應出裝置基本的狀態資訊，再使用對應的 controller 與邊緣裝置管理平臺進行互動，可以將邊側發現的端裝置及時對映至雲端；與此同時，Yurt-device-controller 元件將雲端針對裝置屬性的修改（例如：設定照明裝置的開關狀態）同步至端裝置上，從而影響真實世界中的物理裝置。使用者只需要宣告式地修改 CRs 的相應欄位，以一種雲原生的方式即可達到運維、管理複雜端裝置的目的，下面是組成 Yurt-device-controller 的三個元件：

- DeviceProfile controller：它可以將邊緣平臺中的 deviceProfile 物件抽象為 deviceProfile CR 並同步到雲端。在 deviceProfile controller 的支援下，使用者可以在雲端檢視、建立或刪除邊緣平臺的 deviceProfile。
- DeviceService controller：它可以將邊緣平臺中的 deviceService 物件抽象為 deviceService CR 並同步到雲端。在 deviceService controller 的支援下，使用者可以在雲端檢視、建立或刪除邊緣平臺的 deviceService 資訊。
- Device controller：它可以將邊緣平臺中的 device 物件抽象為 device CR 並同步到雲端。在 device controller 的支援下，使用者可以透過宣告式修改雲端 device CR 的方式來管理邊緣平臺上的裝置資訊，如建立裝置、刪除裝置、更新裝置屬性（如設定燈的開和關等）。

下面是雲邊端三者整體的架構模型：

![圖片 4.png](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/67c611a91cbb478cae8b20a9b14c459b~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image)

邊緣端裝置的通訊範圍往往侷限於某一網路區域內，因此可以將同一網路區域內的邊緣節點劃分為一個節點池，在每一個節點池內部署一個 Edgex Foundry 例項和一個 yurt-device-controller 元件：

- 在與雲端 apiserver 的通訊中，Yurt-device-controller 只會監聽屬於該節點池內的裝置物件，並將更新資訊透過 Edgex Foundry 例項及時地同步至對應的裝置上；
- 在與 Edgex Foundry 例項的通訊中，複用 YurtHub、節點池以及單元化部署等能力，Yurt-device-controller 元件只會訪問本節點池內的 Edgex Foundry 例項，並將接入該節點池內的裝置資訊抽象為 device、deviceService 和 deviceProfile 物件同步至雲端。

# 社群合作規劃

![圖片 5.png](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/21274771b9e64b56834facbec99ef275~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image)

未來，雙方還將面向 IoT 行業繼續探索雲原生邊緣裝置管理的解決方案，並吸引更多輕量級邊緣裝置管理平臺加入 OpenYurt 生態，使端裝置的管理更加便捷、高效以及雲原生。

相關連結：

1）Yurt-edgex-manager：
https://github.com/openyurtio/yurt-edgex-manager
2）Yurt-device-controller：
https://github.com/openyurtio/yurt-device-controller
3）OpenYurt 官網：
https://openyurt.io/en-us/
4）EdgeX Foundry官網：
https://www.edgexfoundry.org/

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![二維碼.png](https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/65a693dd7f66430a892999e8922f52cc~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image)

基於 OpenYurt & EdgeX Foundry 的雲邊端一體化解決方案

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