使用 KubeEdge 和 EdgeMesh 實現邊緣複雜網路場景下的節點通訊

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作者：吳波，來自北京的運維工程師，專注於雲原生，KubeSphere 狂熱愛好者。

簡介

KubeEdge 是面向邊緣計算場景、專為邊雲協同設計的業界首個雲原生邊緣計算框架，在 K8s  原生的容器編排排程能力之上實現了邊雲之間的應用協同、資源協同、資料協同和裝置協同等能力，完整打通了邊緣計算中雲、邊、裝置協同的場景。其中 KubeEdge 架構主要包含雲邊端三部分：

• 雲上是統一的控制面，包含原生的 K8s 管理元件，以及 KubeEdge 自研的 CloudCore 元件，負責監聽雲端資源的變化，提供可靠和高效的雲邊訊息同步。

• 邊側主要是 EdgeCore 元件，包含 Edged、MetaManager、EdgeHub 等模組，通過接收雲端的訊息，負責容器的生命週期管理。

• 端側主要是 device mapper 和 eventBus，負責端側裝置的接入。

底層邏輯

KubeEdge 是 K8s 在邊緣場景下的延伸。目標是將 K8s 對容器編排的能力延伸到邊緣上；KubeEdge 主要包含兩個元件，雲端的 CloudCore 和邊緣節點上 EdgeCore，同時還有一個 Device 模組，用於管理海量的邊緣裝置。

KubeEdge 功能元件

• Edged ^[1] : 在邊緣節點上執行並管理容器化應用程式的代理。

• EdgeHub ^[2] : Web 套接字客戶端，負責與 Cloud Service 進行互動以進行邊緣計算（例如 KubeEdge 體系結構中的 Edge Controller）。這包括將雲側資源更新同步到邊緣，並將邊緣側主機和裝置狀態變更報告給雲。

• CloudHub ^[3] : Web 套接字伺服器，負責在雲端快取資訊、監視變更，並向 EdgeHub 端傳送訊息。

• EdgeController ^[4] : kubernetes 的擴充套件控制器，用於管理邊緣節點和 pod 的元資料，以便可以將資料定位到對應的邊緣節點。

• EventBus ^[5] : 一個與 MQTT 伺服器（mosquitto）進行互動的 MQTT 客戶端，為其他元件提供釋出和訂閱功能。

• DeviceTwin ^[6] : 負責儲存裝置狀態並將裝置狀態同步到雲端。它還為應用程式提供查詢介面。

• MetaManager ^[7] : Edged 端和 EdgeHub 端之間的訊息處理器。它還負責將元資料儲存到輕量級資料庫（SQLite）或從輕量級資料庫（SQLite）檢索元資料。

KubeEdge

為了更好的支援 KubeEdge 並提供視覺化介面管理邊緣節點，本文件使用 KubeSphere 平臺用來管理邊緣節點， KubeSphere 官方文件 ^[8] 。

配置雲端（KubeEdge Master 節點）

1、啟用 KubeEdge

使用 admin 身份訪問 KubeSphere 控制檯，進入叢集管理，點選 定製資源定義 ，找到 ClusterConfiguration ，編輯 ks-install ；

1. edgeruntime
   kubeedge
   enabled
   true
   

2. 修改 edgeruntime.kubeedge.cloudCore.cloudHub.advertiseAddress 的值設定為公網 IP 地址；

完成後點選右下角的 " 確定 "，並檢查 ks-installer 的日誌檢視部署狀態。

2、配置公網埠轉發

啟動完成後使用如下命令即可看到 CloudCore 的 NodePort 埠。

$ kubectl get svc -n kubeedge -l k8s-app=kubeedge
NAME        TYPE       CLUSTER-IP    EXTERNAL-IP   PORT(S)                                                                           AGE
cloudcore   NodePort   10.96.0.106   <none>        10000:30000/TCP,10001:30001/TCP,10002:30002/TCP,10003:30003/TCP,10004:30004/TCP   3m

需要按照下列埠配置公網埠轉發，將 10000-10004 埠轉發到 NodePort 的 30000-30004 埠。

欄位	外網埠	欄位	內網埠
cloudhubPort	10000	cloudhubNodePort	30000
cloudhubQuicPort	10001	cloudhubQuicNodePort	30001
cloudhubHttpsPort	10002	cloudhubHttpsNodePort	30002
cloudstreamPort	10003	cloudstreamNodePort	30003
tunnelPort	10004	tunnelNodePort	30004

如果有云廠商，則需要建立負載均衡按照上述表格的規則進行轉發。如果沒有云廠商，可以使用如下命令配置 iptables 規則進行埠轉發：

iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp --dport 10000 -j REDIRECT --to-ports 30000
iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp --dport 10001 -j REDIRECT --to-ports 30001
iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp --dport 10002 -j REDIRECT --to-ports 30002
iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp --dport 10003 -j REDIRECT --to-ports 30003
iptables -t nat -A PREROUTING -p tcp --dport 10004 -j REDIRECT --to-ports 30004

3、配置 iptables 守護程序

部署完成後，發現 DaemonSet 資源 iptables 未排程到 k8s-master 節點上，需要配置容忍 master 汙點。

$ kubectl get pod -o wide -n kubeedge
NAME                               READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES
cloud-iptables-manager-q9bsx       1/1     Running   0          28m   172.20.1.12    k8s-node02     <none>           <none>
cloud-iptables-manager-vvpv8       1/1     Running   0          28m   172.20.1.11    k8s-node01     <none>           <none>
cloudcore-54b7f4f699-wcpjc         1/1     Running   0          70m   10.244.0.27    k8s-node02     <none>           <none>
edgeservice-855fdd8f94-8zd8k       1/1     Running   0          53m   10.244.0.42    k8s-node02     <none>           <none>

找到 " 應用負載 "-" 工作負載 "-" 守護程序集 "，編輯 "cloud-iptables-manager" 新增如下配置：

kind: DaemonSet
apiVersion: apps/v1
metadata:
  name: cloud-iptables-manager
  namespace: kubeedge
spec:
  template:
    spec:
      ......
      # 新增如下配置
      tolerations:
        - key: node-role.kubernetes.io/master
          operator: Exists
          effect: NoSchedule

注：如果未修改以上配置，則在 KubeSphere 上無法對邊緣節點的 Pod 檢視日誌和執行命令。

配置完成後再次檢查 iptables 守護程序是否已經排程到所有節點

$ kubectl get pod -o wide -n kubeedge
NAME                               READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES
cloud-iptables-manager-q9bsx       1/1     Running   0          28m   172.20.1.12    k8s-node02     <none>           <none>
cloud-iptables-manager-vvpv8       1/1     Running   0          28m   172.20.1.11    k8s-node01     <none>           <none>
cloud-iptables-manager-zwmdg       1/1     Running   0          29m   172.20.1.10    k8s-master     <none>           <none>
cloudcore-54b7f4f699-wcpjc         1/1     Running   0          70m   10.244.0.27    k8s-node02     <none>           <none>
edgeservice-855fdd8f94-8zd8k       1/1     Running   0          53m   10.244.0.42    k8s-node02     <none>           <none>

配置邊端（KubeEdge Node 節點）

新增邊緣節點文件： http://kubesphere.com.cn/docs/installing-on-linux/cluster-operation/add-edge-nodes/

新增邊緣節點

到邊緣端執行 KubeSphere 上覆制過來的命令

arch=$(uname -m); if [[ $arch != x86_64 ]]; then arch='arm64'; fi;  curl -LO http://kubeedge.pek3b.qingstor.com/bin/v1.9.2/$arch/keadm-v1.9.2-linux-$arch.tar.gz \
 &&  tar xvf keadm-v1.9.2-linux-$arch.tar.gz \
 && chmod +x keadm && ./keadm join --kubeedge-version=1.9.2 --region=zh --cloudcore-ipport=1x.xx.xx.28:10000 --quicport 10001 --certport 10002 --tunnelport 10004 --edgenode-name edge-node-01 --edgenode-ip 192.168.1.63 --token c2d7e72e15d28aa3e2b9340b9429982595b527b334a756be919993f45b7422b1.eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJleHAiOjE2NTY2NDU5NDJ9.bQeNr4RFca5GByALxVEQbiQpEYTyyWNzpDQVhm39vc8 --with-edge-taint
  % Total    % Received % Xferd  Average Speed   Time    Time     Time  Current
                                 Dload  Upload   Total   Spent    Left  Speed
100 52.3M  100 52.3M    0     0  1020k      0  0:00:52  0:00:52 --:--:-- 1057k
./keadm
install MQTT service successfully.
kubeedge-v1.9.2-linux-amd64.tar.gz checksum:
checksum_kubeedge-v1.9.2-linux-amd64.tar.gz.txt content:
[Run as service] start to download service file for edgecore
[Run as service] success to download service file for edgecore
kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/
kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/
kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/cloudcore/
kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/cloudcore/cloudcore
kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/iptablesmanager/
kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/iptablesmanager/iptablesmanager
kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/csidriver/
kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/csidriver/csidriver
kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/admission/
kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/cloud/admission/admission
kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/edge/
kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/edge/edgecore
kubeedge-v1.9.2-linux-amd64/version
 
KubeEdge edgecore is running, For logs visit: journalctl -u edgecore.service -b

檢視邊緣節點是否新增成功

$ kubectl get nodes
NAME           STATUS   ROLES                  AGE   VERSION
edge-node-01   Ready    agent,edge             23h   v1.21.4-kubeedge-v1.9.2
k8s-master     Ready    control-plane,master   16d   v1.21.5
k8s-node01     Ready    <none>                 16d   v1.21.5
k8s-node02     Ready    <none>                 25h   v1.21.5

邊緣節點加入集群后，部分 Pod 在排程至該邊緣節點上後可能會一直處於 Pending 狀態。由於部分守護程序集（例如，Calico）有強容忍度，您需要使用以下指令碼手動 Patch Pod 以防止它們排程至該邊緣節點。

#!/bin/bash
NodeSelectorPatchJson='{"spec":{"template":{"spec":{"nodeSelector":{"node-role.kubernetes.io/master": "","node-role.kubernetes.io/worker": ""}}}}}'
 
NoShedulePatchJson='{"spec":{"template":{"spec":{"affinity":{"nodeAffinity":{"requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution":{"nodeSelectorTerms":[{"matchExpressions":[{"key":"node-role.kubernetes.io/edge","operator":"DoesNotExist"}]}]}}}}}}}'
 
edgenode="edgenode"
if [ $1 ]; then
        edgenode="$1"
fi
 
namespaces=($(kubectl get pods -A -o wide |egrep -i $edgenode | awk '{print $1}' ))
pods=($(kubectl get pods -A -o wide |egrep -i $edgenode | awk '{print $2}' ))
length=${#namespaces[@]}
 
for((i=0;i<$length;i++)); 
do
        ns=${namespaces[$i]}
        pod=${pods[$i]}
        resources=$(kubectl -n $ns describe pod $pod | grep "Controlled By" |awk '{print $3}')
        echo "Patching for ns:"${namespaces[$i]}",resources:"$resources
        kubectl -n $ns patch $resources --type merge --patch "$NoShedulePatchJson"
        sleep 1
done

收集邊緣節點監控資訊

1、在 ClusterConfiguration 的 ks-installer 中，將 metrics_server 的 enable 改為 true 。

2、到邊緣節點編輯 vim /etc/kubeedge/config/edgecore.yaml 配置檔案將 edgeStream 的 enable 改為 true

edgeStream:
  enable: true
  handshakeTimeout: 30
  readDeadline: 15
  server: 1x.xx.xx.x8:10004
  tlsTunnelCAFile: /etc/kubeedge/ca/rootCA.crt
  tlsTunnelCertFile: /etc/kubeedge/certs/server.crt
  tlsTunnelPrivateKeyFile: /etc/kubeedge/certs/server.key
  writeDeadline: 15

3、重啟 systemctl restart edgecore.service

部署到邊緣節點的 Pod 需要配置容忍汙點

spec:
  containers:
  - name: nginx
    image: nginx
    imagePullPolicy: IfNotPresent
  tolerations:
  - key: "node-role.kubernetes.io/edge"
    operator: "Exists"
    effect: "NoSchedule"

EdgeMesh

EdgeMesh 的定位是 KubeEdge 使用者資料面輕量化的通訊元件，完成節點之間網路的 Mesh，在邊緣複雜網路拓撲上的節點之間建立 P2P 通道，並在此通道上完成邊緣叢集中流量的管理和轉發，最終為使用者 KubeEdge 叢集中的容器應用提供與 K8s Service 一致的服務發現與流量轉發體驗。

官網：http://edgemesh.netlify.app/zh/

上圖展示了 EdgeMesh 的簡要架構，EdgeMesh 包含兩個微服務：edgemesh-server 和 edgemesh-agent。

EdgeMesh-Server：

• EdgeMesh-Server 執行在雲上節點，具有一個公網 IP，監聽來自 EdgeMesh-Agent 的連線請求，並協助 EdgeMesh-Agent 之間完成 UDP 打洞，建立 P2P 連線；

• 在 EdgeMesh-Agent 之間打洞失敗的情況下，負責中繼 EdgeMesh-Agent 之間的流量，保證 100% 的流量中轉成功率。

EdgeMesh-Agent：

• EdgeMesh-Agent 的 DNS 模組，是內建的輕量級 DNS Server，完成 Service 域名到 ClusterIP 的轉換。

• EdgeMesh-Agent 的 Proxy 模組，負責叢集的 Service 服務發現與 ClusterIP 的流量劫持。

• EdgeMesh-Agent 的 Tunnel 模組，在啟動時，會建立與 EdgeMesh-Server 的長連線，在兩個邊緣節點上的應用需要通訊時，會通過 EdgeMesh-Server 進行 UDP 打洞，嘗試建立 P2P 連線，一旦連線建立成功，後續兩個邊緣節點上的流量不需要經過 EdgeMesh-Server 的中轉，進而降低網路時延。

EdgeMesh 工作原理

雲端是標準的 K8s 叢集，可以使用任意 CNI 網路外掛，比如 Flannel、Calico，可以部署任意 K8s 原生元件，比如 Kubelet、KubeProxy；同時雲端部署 KubeEdge 雲上元件 CloudCore，邊緣節點上執行 KubeEdge 邊緣元件 EdgeCore，完成邊緣節點向雲上叢集的註冊。

核心優勢：

1. 跨子網邊邊 / 邊雲服務通訊：無論應用部署在雲上，還是在不同子網的邊緣節點，都能夠提供通 K8s Service 一致的使用體驗。

2. 低時延：通過 UDP 打洞，完成 EdgeMesh-Agent 之間的 P2P 直連，資料通訊無需經過 EdgeMesh-Server 中轉。

3. 輕量化：內建 DNS Server、EdgeProxy，邊緣側無需依賴 CoreDNS、KubeProxy、CNI 外掛等原生元件。

4. 非侵入：使用原生 K8s Service 定義，無需自定義 CRD，無需自定義欄位，降低使用者使用成本。

5. 適用性強：不需要邊緣站點具有公網 IP，不需要使用者搭建 VPN，只需要 EdgeMesh-Server 部署節點具有公網 IP 且邊緣節點可以訪問公網。

部署 EdgeMesh

使用 admin 身份登入 KubeSphere，點選工作臺進入 "system-workspace" 工作空間，在 kubesphere-master 叢集專案中找到 kubeedge 並進入，

在該專案應用負載中建立基於模板的應用，選擇從 " 應用商店 " 搜尋找到 "edgemesh" 並點選安裝，安裝前請確認安裝位置是否正確。

在應用設定中修改如下幾處內容並點選安裝：

server:
  nodeName: "k8s-node01"   # 指定edgemesh-server部署的節點
  advertiseAddress:
    - 1x.xx.xx.x8         # 指定edgemesh-server對外暴漏服務的IP列表（此處填寫的是華為雲ELB的公網IP）
  modules:
    tunnel:
      enable: true
      listenPort: 20004    # 需要將該埠暴漏到公網（無需修改）
agent:
  modules:
    edgeProxy:
      enable: true
      socks5Proxy:
        enable: true       # 開啟SSH隧道代理
        listenPort: 10800

部署完成後需要設定 edgemesh-agent 的節點容忍，使其能排程到 master 和 edge 節點上。

spec:
  template:
    spec:
      # 新增如下內容
      tolerations:
        - key: node-role.kubernetes.io/edge
          operator: Exists
          effect: NoSchedule
        - key: node-role.kubernetes.io/master
          operator: Exists
          effect: NoSchedule

最後檢視部署結果（確保 edgemesh-agent 在每一個節點都運行了一個 Pod）：

$ kubectl get pod -n kubeedge -o wide
NAME                               READY   STATUS    RESTARTS   AGE   IP             NODE           NOMINATED NODE   READINESS GATES
cloud-iptables-manager-q9bsx       1/1     Running   0          16h   172.20.1.12    k8s-node02     <none>           <none>
cloud-iptables-manager-vvpv8       1/1     Running   0          16h   172.20.1.11    k8s-node01     <none>           <none>
cloud-iptables-manager-zwmdg       1/1     Running   0          16h   172.20.1.10    k8s-master     <none>           <none>
cloudcore-54b7f4f699-wcpjc         1/1     Running   0          16h   10.244.0.27    k8s-node02     <none>           <none>
edgemesh-agent-2l25t               1/1     Running   0          15m   172.20.1.12    k8s-node02     <none>           <none>
edgemesh-agent-cd67c               1/1     Running   0          14m   172.20.1.11    k8s-node01     <none>           <none>
edgemesh-agent-jtl9l               1/1     Running   0          14m   192.168.1.63   edge-node-01   <none>           <none>
edgemesh-agent-vdmzc               1/1     Running   0          16m   172.20.1.10    k8s-master     <none>           <none>
edgemesh-server-65b6db88fb-stckp   1/1     Running   0          16h   172.20.1.11    k8s-node01     <none>           <none>
edgeservice-855fdd8f94-8zd8k       1/1     Running   0          16h   10.244.0.42    k8s-node02     <none>           <none>

SSH 隧道代理

前提條件

1. 請確保 edgemesh-agent 已經開啟了 socks5Proxy。

2. 確保執行 k8s-master 節點安裝了 nc 命令，如沒有請執行 yum -y install nc 進行安裝。

$ kubectl get nodes
NAME           STATUS   ROLES                  AGE   VERSION
edge-node-01   Ready    agent,edge             21h   v1.21.4-kubeedge-v1.9.2
k8s-master     Ready    control-plane,master   16d   v1.21.5
k8s-node01     Ready    <none>                 16d   v1.21.5
k8s-node02     Ready    <none>                 23h   v1.21.5
 
$ ssh -o "ProxyCommand nc --proxy-type socks5 --proxy 169.254.96.16:10800 %h %p" [email protected]
The authenticity of host 'edge-node-01 (<no hostip for proxy command>)' can't be established.
ECDSA key fingerprint is SHA256:alzjCdezpa8WxcW6lZ70x6sZ4J5193wM2naFG7nNmOw.
ECDSA key fingerprint is MD5:56:b7:08:1d:79:65:2e:84:8f:92:2a:d9:48:3a:15:31.
Are you sure you want to continue connecting (yes/no)? yes
Warning: Permanently added 'edge-node-01' (ECDSA) to the list of known hosts.
[email protected]'s password:
Last failed login: Fri Jul  1 09:33:11 CST 2022 from 192.168.1.63 on ssh:notty
There was 1 failed login attempt since the last successful login.
Last login: Fri Jul  1 09:25:01 2022 from 192.168.20.168
[[email protected] ~]#

注：由於節點的 IP 可能重複，所以只支援通過節點名稱進行連線。

在 v3.3.0 版本中可支援在 ks 控制檯中登入終端。

錯誤處理

kubeedge 和 edgemesh 的服務都正常且日誌沒有報錯，但是雲和邊無法互相訪問。

雲端配置：

# 在雲端，開啟 dynamicController 模組，並重啟 cloudcore
$ kubectl edit cm cloudcore -n kubeedge
modules:
  ..
  dynamicController:
    enable: true
..
$ kubectl rollout restart deploy cloudcore -n kubeedge

邊緣端配置：

# 開啟 metaServer 模組（如果你的 KubeEdge < 1.8.0，還需關閉 edgeMesh 模組）
vim /etc/kubeedge/config/edgecore.yaml
modules:
  ..
  edgeMesh:
    enable: false
  ..
  metaManager:
    metaServer:
      enable: true
# 配置 clusterDNS 和 clusterDomain
$ vim /etc/kubeedge/config/edgecore.yaml
modules:
  ..
  edged:
    clusterDNS: 169.254.96.16
    clusterDomain: cluster.local
 
# 重啟 edgecore
$ systemctl restart edgecore

驗證：

$ curl 127.0.0.1:10550/api/v1/services
{"apiVersion":"v1","items":[{"apiVersion":"v1","kind":"Service","......}

相關問題

Q：安全信怎麼做防護的？A：EdgeMesh-Server 與 EdgeMesh-Agent 之間都有證書進行加密。

Q：服務之間通訊效率？A：在 500 qps 以內訪問接近於直連網路，網路損耗特別低，打洞成功會有 10% 左右中繼的消耗。

Q：資源消耗情況？A：每一個 EdgeMesh-Agent 佔用記憶體不到 40 兆，CPU 只有 1%-5% 以內。

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