簡介： 雲原生和邊緣計算是近兩年都非常火的技術話題了，在第十屆雲計算标準和應用大會上，阿裡雲進階技術專家熊鷹分享了《基于融合、協同系統的邊緣雲原生架構演進和實踐》，希望通過介紹現在阿裡雲在邊緣計算和邊緣雲原生這些技術領域的系統架構演進，讓大家了解到業務在雲原生和邊緣計算結合場景下落地的一些思考。
雲原生和邊緣計算是近兩年都非常火的技術話題了，在第十屆雲計算标準和應用大會上，阿裡雲進階技術專家熊鷹分享了《基于融合、協同系統的邊緣雲原生架構演進和實踐》，希望通過介紹現在阿裡雲在邊緣計算和邊緣雲原生這些技術領域的系統架構演進，讓大家了解到業務在雲原生和邊緣計算結合場景下落地的一些思考。
關注阿裡雲Edge Plus公衆号，回複“熊鷹”，獲得演講PPT材料
概述
近幾年邊緣計算發展非常迅猛，大家可以在各種标準和資料中看到各家對它的定義，這裡對其中的幾個基礎概念做一個總結性的表述
【緣起】
邊緣計算概念的緣起，可以追溯到比較久遠的時期，但是真正熱度興起，主要還是因為5G的發展；4G的發展使得移動網際網路大爆發，是以在5G時代邊緣計算被賦予了很大的期望，希望成為新的産業賽道；另一方面，5G标準3GPP裡定義的的三大場景大帶寬、低延時、廣連接配接，從各個方面都會強化邊緣計算的應用場景，而由此帶來的電信的基礎設施的改造，使計算可以進一步下沉，從網際網路到核心網、進一步下沉到接入網，計算正在一步步變得離使用者越來越近。
【定義】
關于邊緣計算的定義，身處不同的領域和角度，營運商、雲服務廠商、硬體廠商，各家對于邊緣計算的定義是不一樣的。在阿裡雲的邊緣雲标準裡，定義邊緣雲為：在靠近終端（人和物）的網絡節點，提供分布式、可定義、可排程、标準開放且安全的計算平台及服務。目标是要拓展雲的邊界，讓計算與連接配接離物更近，讓它作為萬物互聯的基石。
【特征】
與中心雲來對比，邊緣的節點是分散的多級的，節點多而體量小，不止是區域級省級，還會下沉到地市級園區級，在5G場景裡，更要下沉到接入網，雲與邊、邊與邊之間的網絡可能都是網際網路通道。
【挑戰】
海量的、分布式的、異構的邊緣節點資源特性，會給業務帶來巨大的挑戰：多個網絡入口，代表着統一的流量監控和彈性伸縮政策是不可用；節點多而體量小，代表着單一叢集的彈性弱，而全局的彈性強；海量節點的納管和網際網路的網絡環境，對于高可用、災備、遷移等等都是大的沖擊。
總體來說，由于新基建的提出和布局，5G、物聯網、工業網際網路得到了廣泛的關注。5G的商業化和産業化程序的加速，使底層基礎架構更加的成熟，在今年已經催生出了一大批新行業入場，雲應用、雲遊戲、互動娛樂、工業網際網路2.0等等，同時也在推動着整體技術架構在迅速地變化和演進。
基礎設施演進
首先來介紹邊緣基礎設施的演進情況，阿裡雲根據業務形态，定義了三個階段：
第一個階段為邊緣雲就緒，在這個階段，使用者隻是把運作在實體機上面的應用，遷移到虛拟化環境中，這個過程是以降低成本為主要驅動力的，使用者不再自建節點，将底層實體設施的運維轉交給邊緣雲處理，而應用的開發和運維方式并沒有非常不同。
第二個階段為邊緣雲原生，使用者希望能再進一步降低整體擁有成本，提升系統能力和研發效能，利用标準化、自動化的方式來管理資源、傳遞應用、運維系統，使用者基于K8S進行深度開發和定制，将邊緣資源進行一個整合，适配邊緣的特性，在之上開發搭建自己的PaaS平台，以提供給内部的業務使用。
大家對前兩個階段應該很熟悉了，跟中心雲的演進過程很類似；
第三個階段為邊緣融合雲原生，應該算是一個比較新的概念，這是阿裡雲在實踐過程當中，結合對使用者業務的思考，摸索出來定義的一個階段。
展開來講：邊緣的特性是分布式、資源小而多、網絡條件複雜，這樣使用者需要随時關注基礎設施的穩定性，并進行業務和資料的切換和遷移；另外，彈性不強，那麼使用者的業務也很難做到按需使用；另外，邊緣各種能力在技術架構上的整合，也需要使用者更深入到K8S之中，具備定制開發能力。總結來說，就是使用者需要感覺底層資源、基礎設施，甚至庫存、水位、規劃等等情況，并且業務要下沉到邊緣的技術挑戰和難度都很大。在邊緣融合雲原生裡，帶給使用者的是，在邊緣也并不需要去關心底層基礎架構設施，就能享受到彈性、高可用、按需使用的能力。邊緣融合雲原生應該将異構資源、多叢集、庫存水位的邊緣特性屏蔽；将資源排程、彈性伸縮、多級協同等方面的能力進行沉澱和打通；利用雲原生的良好的擴充性，将資源、能力進行抽象融合；同時還需要針對通用業務場景和新興業務場景，提供統一标準的接口封裝；将這些能力釋放給使用者。
系統架構演進
在技術架構演進實踐當中，同樣按照剛才的思路進行分層設計：
基礎設施層：具備異構資源納管、多級網絡架構、融合存儲形态等能力，解決底層資源融合納管、融合生産、抽象屏蔽的問題；
雲邊協同層：具備計算、存儲、網絡流動的能力，具備雲邊、邊邊、多雲的協同能力，解決各種能力和系統協同打通的問題；
平台引擎層：具備邊緣雲原醬油象內建能力，解決将資源、元件和應用、排程、編排等能力內建融合的問題；
業務場景層：具備統一接口、業務沉澱、場景深化的能力，解決開發者生态閉環的問題。
可以預料到，随着5G技術和基礎設施的持續演進和完善，以及創新型業務的發展，系統架構還會随之進行演進和更疊。
紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。接下來，熊鷹通過介紹阿裡雲在實際業務實踐過程中的案例，來一一解讀各層的能力和設計。
應用案例——無狀态應用
該場景主要針對的是任務類的業務(例如壓測、撥測、離線轉碼任務)、或者對等網絡系統(P2P傳輸網絡)等，這類業務，對彈性伸縮能力有較高要求、對成本有強烈的敏感度，但是對位置、高可用性等要求不高。由于邊緣單節點彈性能力弱，但是全局資源彈性強的特點，這種場景算是考驗邊緣計算基礎設施能力的典型應用場景。在架構上，它是需要有一個對全局資源的一個統一庫存、融合排程、協同編排的能力：在計算形态上，要支援虛機、容器、安全容器等多種融合計算的形态來滿足不同場景的業務訴求；在資源庫存方面，要有一個融合的資源池；在排程和編排方面，也是有一個協同統一的排程能力；這樣就能很好的提供在事件觸發、流量突發場景下的彈性伸縮和按需使用的能力，也能讓使用者的使用成本大幅度降低。
應用案例——有狀态應用
這個場景，業務除了将計算和彈性托管以外，還将域名和排程托管了。另外，由于業務的複雜性，架構上也日趨複雜。首先，在單叢集内，系統需要拆分為多個獨立工作的微服務；第二，多個微服務自身和之間，都有互相編排依賴的關系；第三，在雲與邊(管控與業務)、邊與邊(叢集與叢集)之間會有協同通信的需求；最後，再加上域名和流量排程、SLB、資料庫、中間件等通用能力群組件內建需求；從這個角度來看，在邊緣的應用場景已經不比在中心雲裡的應用複雜度低了，同時還要加上邊緣的分布式、多叢集、廣排程的特性；分布式雲計算是對這個場景比較貼切的描述。
在架構上都需要如何來解決業務的需求？最底層基礎架構設施層，産品能力上，引入分布式SLB、分布式DB等；網絡能力上，加入了可程式設計可配置的雲邊、邊邊覆寫網絡能力；在協同層上，雲邊協同、邊邊協同、流量和資源的動态平衡協同也是核心的能力；在引擎層上，需要有深度開發适配邊緣的雲原生能力，像解決海量節點納管引入的K8S多叢集管理聯邦能力、解決業務多租戶隔離的Virutal Cluster能力、解決微服務架構中服務發現和協同通信的Service Mesh元件、适配邊緣虛拟網絡、虛拟存儲的CNI、CSI元件等等。
熊鷹："分布式雲計算概念目前還沒有太多的标準和規範，一個複雜應用要做成分布式，從中心下沉到邊緣，還需要做很多系統架構改造适配的工作。這也是阿裡雲努力的方向，希望沉澱出更多的平台能力出來，形成一個個開發生态的閉環，讓分布式雲計算，也能輕松落地邊緣。”
應用案例——終端上雲
這個業務場景在今年非常火熱，典型是雲遊戲和雲應用這兩個領域。業務将運作在終端上的系統或者應用，托管到雲端，以降低終端成本，也可以降低高品質業務的可準入門檻。在邊緣融合雲原生裡，這裡會有一個根本性的概念轉變：從資源托管、應用托管到裝置托管、位置無感托管。在基礎設施層和引擎層，針對各類異構資源将資源做初步的封裝，抽象出一層統一的标準的虛拟化的資源，提供安全和隔離的能力；在業務層上，再進行一層封裝，将資源屬性屏蔽掉，不再提供資源的概念，取而代之的是裝置的概念；同時，在協同層上加入了協同計算、協同存儲、協同網絡的能力，讓虛拟裝置能夠流動起來。在業務上，不再能看到傳統意義上應用和資源的概念，隻能看到一個一個虛拟裝置的管控能力，例如裝置資料、裝置應用、裝置排程等等。
這裡強調一下數字孿生的概念，熊鷹表示：在萬物互聯時代，每一個實體終端的背後，最終都有一個影子終端在邊緣雲上，或者是資料的載體，或者是系統的延伸。
應用案例——超清視訊
這個場景還處在技術摸索的階段，是真正下沉到5G MEC節點的一個場景，希望能夠打造一個可複制的5G領域的通用技術架構模型。這個場景裡最關鍵是要能打通協同層和營運商MEC系統的資源協同、流量排程、網絡分流協同的能力。5G/MEC時代算力的持續下沉，到接入網，到MEC節點，通用協定如DNS協定會無法滿足精準的排程需求；一方面排程将會需要根據終端的精确地域資訊來決策，另一方面也要根據業務的需求場景來進行決策；例如，對于定位、AR/VR等極高實時性的業務，會放在接入機房來滿足實時性的要求；視訊分析等高傳輸帶寬節省業務和雲遊戲較高實時性業務，會放在彙聚機房，兼顧功能和實時性的需求；而重計算/大存儲的業務放在重彙聚機房或核心機房；多級計算、多級網絡的設計能讓整個系統的能力更加強大和豐富。
邊緣融合雲原生希望在兼顧業務時延、計算能力等需求的基礎上，能分場景靈活的選擇業務的部署位置，來滿足各類業務的需求。當然，這些能力應該是封裝抽象提供給上層，使用者和業務是不應該感覺到底層基礎架構設施的複雜性的。
總結
5G時代，終端上雲、VR/AR、邊緣AI、工業網際網路、智慧農業的應用場景将逐漸爆發起來；在一些專有領域内，已經有重量級的應用場景落地；但是在通用網際網路技術領域，真正的5G的Killer應用還沒有出現，或者說真正的結合5G技術還有基礎設施的技術架構還待演進。熊鷹十分期待邊緣計算平台能夠通過共建、合作的方式，将多級網絡裡的資源融合排程起來，将雲邊端真實打通協同，基于雲原生技術，為行業提供開放的、标準的雲邊協同、雲網一體化能力，讓更多的應用能輕松的下沉到邊緣，實作萬物互聯的時代。
原文連結：https://developer.aliyun.com/article/781160?
版權聲明： 本文内容由阿裡雲實名注冊使用者自發貢獻，版權歸原作者所有，阿裡雲開發者社群不擁有其著作權，亦不承擔相應法律責任。具體規則請檢視《阿裡雲開發者社群使用者服務協定》和《阿裡雲開發者社群知識産權保護指引》。如果您發現本社群中有涉嫌抄襲的内容，填寫侵權投訴表單進行舉報，一經查實，本社群将立刻删除涉嫌侵權内容。