设备太分散？如何一站式管理边缘 OS、K8s 和应用？

作者：张志龙 2023-02-23 11:33:23

云计算 随着以 K8s 为代表的云原生技术的成熟，越来越多的用户期望将 K8s 的能力运用到边缘计算场景中。

作者简介

张志龙，SUSE 大中华区资深解决方案架构师，CNCF 官方认证的 CKA&CKAD 工程师，深耕以 Kubernetes 为代表的云原生领域，具备丰富的架构设计、业务容器化改造和项目落地实践经验。

据 Gartner 预测，到 2025 年，50% 以上由企业管理的数据都将在数据中心和云之外创建和处理。Linux Foundation 研究发现，到 2025 年，边缘计算的规模将比云大 4 倍，其生成的数据量将占全球所有数据的 75%。随着以 K8s 为代表的云原生技术的成熟，越来越多的用户期望将 K8s 的能力运用到边缘计算场景中。

—— 在边缘运行 K8s 面临诸多挑战 ——

然而，在边缘侧运行 K8s 集群也面临诸多挑战。数据中心具备稳定的运行环境、高带宽的网络、高配置的服务器等成熟的 K8s 运行条件，且有大量企业级厂商提供相关的解决方案。与数据中心不同，通常情况下，边缘侧的运行环境比较恶劣，网络难以保障、硬件配置低，在这样严苛的条件下运行 K8s 将面临极大的挑战：

硬件设备难以支撑 K8s 运行

• 硬件配置低：边缘侧设备的 cpu、内存等计算资源配置通常较低，为个位数级别，主要用于应用自身，难以分配更多资源供诸如 K8s 的中间层平台使用。
• 网络不稳定：运行环境恶劣，与中心之间的网络随时可能中断，无法提供稳定可靠的网络，难以保证 K8s 自身的稳定运行。
• 非生产就绪：虽然社区有轻量化的 K8s，但多为单节点架构，并非是为了运行多节点的生产级环境而设计的，难以提供生产级的高可用服务。
• 增加技术竖井：如果云端采用 K8s，边缘场景使用其他技术栈，云边环境的不一致将导致无法使用相同技术栈进行管理，增加技术竖井。

边缘场景下 K8s 难以管理维护

• 设备分散：边缘场景的一大特点是设备分散在各个区域，难以通过统一的界面对其上的 K8s 服务和业务应用进行集中式管理。而且在海量的边缘设备中部署、更新编排引擎和业务应用也是一大难题。
• K8s 架构复杂：原生 K8s 包含多个核心的组件服务，高可用架构更为复杂，在边缘侧直接部署原生 K8s 时，其复杂性会分散到各个设备上。
• 难以统一管理：一般应用层、容器层、操作系统层由不同的厂商提供，需要分层管理维护，缺乏统一的生命周期管理手段。

边缘场景下 K8s 难以满足安全需求

• 安全性：边缘设备缺乏专业的安全防护组件，存在被入侵、攻击的风险。
• 合规性：在边缘设备上处理数据涉及到企业的生产和经营活动，难以符合所在行业内的特定准则。

—— 边缘侧 K8s 集群应具备的能力 ——

能够在边缘场景中平稳运行 K8s

• 轻量化：保证 K8s 功能完整的前提下，简化原生 K8s 的核心组件服务，降低架构复杂性，减少用户所需管理的进程和服务数量。降低 K8s 资源消耗，可在低配置设备上运行，预留足够资源运行业务应用。
• 可用性：按需支持多节点组成高可用集群，核心组件也为高可用架构，降低因软硬件故障导致减员带来的影响。集群节点故障或停机维护时，其他节点仍可对外提供服务。
• 自治性：边缘 K8s 集群应具备完整的自治性，不依赖云端管控即可自行正常运行；在单节点故障时，仍可正常运行，且可对故障节点上的应用进行故障转移和恢复。

实现对边缘场景中 K8s 的统一管理

• 全面覆盖：通过云端管控平台使用统一的标准，管理所有边缘设备的主要层级，包括操作系统层、容器编排层、业务应用层。
• 云边协同管理：支持通过云端管控平台对分散的所有边缘设备进行统一管理，包括安装 K8s、部署应用、更新/回退、备份恢复等。
• 批量化管理：支持针对所有边缘 K8s 集群的批量化运维管理操作，包括操作系统、容器编排、业务应用的 OTA 更新，减少人工干预和重复性工作。

解决边缘场景中的安全问题

全面安全防护：应用层、容器层、操作系统层具备完善的安全防护能力，可阻止异常访问、入侵、攻击；可监测平台的实时安全状态、漏洞等；可阻止敏感数据的传输和泄漏。

—— SUSE 的应对之道 ——

SUSE 利用轻量化的 K8s 产品——K3s，并与其他产品组合，​​推出了 SUSE Edge 2.0 云原生边缘管理解决方案​​​，为从应用程序到 K3s 再到操作系统的整个堆栈进行了安全策略的无缝集成。无论是通用的边缘场景，还是电信、汽车、卫星等需要额外功能的各类边缘场景，SUSE 都能基于不同用例提供完全契合客户需求的边缘解决方案，真正实现了“在任意位置运行 Kubernetes ”的愿景。

SUSE Edge 2.0 解决方案的核心功能及组件包括：

• K3s：经过 CNCF一致性认证的轻量化 K8s 发行版，具备完善的 K8s 能力，支持企业级的高可用架构，及完全的边缘自治能力，同时可与 Rancher 结合实现云边协同，非常适合资源有限的边缘设备。
• SLE Micro：专为容器化和虚拟化工作负载打造的轻量级不可变操作系统，rootfs 不可变，减少了攻击面，增加了可靠性；通过了诸如 FIPS 140-3 安全认证和通用标准评估。
• NeuVector：按需集成，对操作系统、K3s、业务容器进行全生命周期的安全防护。
• Rancher：云端管控平台，可统一管理 K3s 和底层操作系统。利用 Elemental 工具无缝部署底层操作系统。利用 Fleet 帮助用户部署和管理大规模的 K3s 集群和应用。集成其他生态组件，简化运维管理。

SUSE Edge 2.0 解决方案的边缘堆栈示例

—— 典型应用 ——

工业领域

中国某钢铁集团在智慧矿山项目中采用了 Rancher Prime+K3s 解决方案，构建了一套云边协同系统，实现了数据协同、应用协同和 AI 协同。在边缘侧 K3s 集群中即可实现数据的采集接入、流计算处理和工艺参数 AI 优化，并将优化指令下发到现场端设备。在云端，Rancher Prime 可实现边缘集群管理、应用下发、AI 模型下发。该方案保证了云边技术栈的一致性，降低了运维管理难度，提升了生产效率。

汽车行业

知名自动驾驶公司采用了 Rancher Prime+K3s 解决方案，构建了自动化驾驶模型。客户在每部自动化的车辆当中部署 K3s 集群，在这些集群之上又承载各种各样的智能车载软件，从而管理控制各类设备。

当车辆在马路上行驶时，车辆可以通过 K3s 搜集路况、乘客、汽车等信息，上传到平台车载软件进行分析处理，并对自动化驾驶进行相关的控制，包括车速、安全行驶等等。在完成自动化驾驶测试后，车辆回到车库，将之前采集的数据上传到云端，再次进行大数据处理和分析。

客户通过 Rancher Prime+K3s 建立了云边协同关系，通过轻量化、容器化的应用以及容器化的部署管理方式，能够快速应对系统和应用的快速变化和部署更新，极大降低了运维负担。