深度解读 OpenYurt :边缘自治能力设计解析


作者 | 新胜 阿里云技术专家

导读:OpenYurt 开源两周以来,以非侵入式的架构设计融合云原生和边缘计算两大领域,引起了不少行业内同学的关注。阿里云推出开源项目 OpenYurt,一方面是把阿里云在云原生边缘计算领域的经验回馈给开源社区,另一方面也希望加速云计算向边缘延伸的进程,并和社区共同探讨未来云原生边缘计算架构的统一标准。为了更好地向社区和用户介绍 OpenYurt,我们特地推出【深度解读OpenYurt】系列文章,本文为系列文章的第二篇,详细介绍了 OpenYurt 的边缘自治能力的设计细节。

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OpenYurt介绍

5 月 29 号 OpenYurt 正式开源了。OpenYurt 作为公共云服务 ACK@Edge 的核心框架,已经应用于 CDN、音视频直播、物联网、物流、工业大脑、城市大脑等实际应用场景中,并服务于阿里云 LinkEdge、盒马、优酷、视频云等多个业务或项目中。目前开源的能力包括:
  • 边缘自治能力
  • 原生 K8s 集群一键式转换为边缘集群


项目地址: OpenYurt, 欢迎大家一起来参与开源!

边缘自治特性

1. 特性介绍

将 Kubernetes 系统延展到边缘计算场景,边缘节点将通过公网和云端连接,从公网的不稳定性以及成本等因素考虑,边缘要求断网状态或者弱网状态下边缘业务可以持续运行。我们从 Gartner 的边缘计算报告中提到的边缘计算诉求中,边缘自治也是主要诉求之一:

1.png


而从 Kubernetes 系统架构来看,主要因为 Slave Agent(Kubelet) 中的容器信息保存在内存中,断网状态下因为无法从云端获取业务数据,如果节点或者 Kubelet 重启,将无法进行业务容器恢复。如下图:

2.png


2. 边缘自治需要解决的问题

因此边缘自治在 Kubernetes 系统里,需要解决下面的问题:
  • 问题 1: 节点异常或重启时,内存数据丢失,网络断连时业务容器无法恢复;
  • 问题 2: 网络长时间断连,云端控制器对业务容器进行驱逐;
  • 问题 3: 长时间断连后网络恢复时,边缘和云端数据的一致性保障。


1)问题 1 的解决方案

解决方案 1:

重构 kubelet 组件,复用或者参考 kubelet 的 checkpoint 功能,持久化容器业务数据到本地磁盘,网络断连状态下利用本地缓存数据实现业务恢复。

3.png


该方案经过重构 kubelet,成功解决边缘自治的需求,具备如下优点:
  1. 通过重构 kubelet,方便在 kubelet 中集成对端设备的管理能力;
  2. 通过重构 kubelet,可以对 kubelet 进行轻量化改造。此优点但是也意味着原生 kubelet 功能缺失的问题。


但是也有如下不足:
  1. 可维护性差: 侵入式修改 kubelet core,跟随社区版本升级非常困难,熟悉kubelet的同学都会有同感,kubelet 组件由于直接负责跟计算,存储,网络交互,所以其代码结构和逻辑异常复杂。因此持续维护一个深度修改过的 kubelet 的工作量可想而知;
  2. 可扩展性差: 因为自治能力直接做到重构的 kubelet 组件中,这样边缘节点如果其他组件(如网络组件)想复用边缘自治能力将面临重复造轮子的境地;
  3. 场景耦合更深: 例如在 kubelet 重构中增加了 IOT 设备管理,将可能使 kubelet 和 IOT 场景深度耦合。


解决方案 2 (OpenYurt使用方案):

在边缘节点上增加 web 缓存及请求代理 hub(取名为 YurtHub,商业产品中名为 edge-hub),边缘侧组件(kubelet)和云端通信将经由该组件。YurtHub 相当于带有数据缓存功能的”透明网关“,和云端网络断连状态下,如果节点或者 kubelet 重启,将从 YurtHub 中获取到业务容器相关数据,有效解决边缘自治的问题。

4.png


相比解决方案 1,有如下优势:
  • kubelet 零修改,意味原生 kubelet 能力天然具备,同时跟随 Kubernetes 版本升级零负担;
  • 可扩展性强,节点其他组件轻松复用 YurtHub;
  • 与 Kubernetes 设计理念契合,YurtHub 非常容易扩展出更多的能力。


当然 OpenYurt 的解决方案,也会面临如下的问题:原生 kubelet 比较 high-weight,在资源紧张场景下应用会比较挑战。目前商业产品中节点规格推荐 2U4G 起步。

2)问题 2 和 3 的解决方案

问题 2 和问题 3 的解决方案相比比较简单,因此不展开做过多的方案说明和比较。
  • 问题 2:原生云端组件 kube-controller-manager 对 Pod 驱逐解决


该问题正是通过开源组件 yurt-controller-manager 中的 Node Controller 来解决的。如 github 主页介绍所示:

5.png

  • 问题 3: 网络恢复时,边缘和云端网络一致性


Kubernetes 系统中,用户是通过云端对边缘进行管控的(如应用部署,升级,扩缩容等),因此当边缘和云端网络断联时,边缘节点将不会从云端同步用户对节点的管控操作,因此断网期间,只要 YurtHub 保持本地缓存数据和断网时刻一致(即断网期间边缘缓存数据不更新),而网络恢复时,再从云端同步最新数据即可。

后续展开

OpenYurt 刚刚开源,也意味这块工作刚刚开始,相信我们更贴近云原生的架构设计,会支持 OpenYurt 走的更远。同时 OpenYurt 设计理念: Extending your native Kubernetes to edge,相信也会让云原生爱好者更为接受。

参考链接

  1. gartner 报告链接


OpenYurt 项目地址:https://github.com/alibaba/openyurt,欢迎大家参与共建!有疑问可加入钉钉交流群:31993519

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