邊緣計算場景下云邊端一體化的挑戰與實踐-有解無憂

本文整理自騰訊云專家工程師王繼羅在 2020年12月深圳 Qcon 大會上的分享內容——邊緣計算場景下云邊端一體化的挑戰與實踐 ，

邊緣計算想必大家都已經聽過了，但是如何將業務擴展到邊緣，從而實作更大的業務價值呢？

關于這個問題，騰訊云早在幾年前就已開始進行思考，并且著手打造了云邊端一體化的超融合平臺，目的是希望能夠讓業務可以更容易落地到邊緣，

今天，我們就從以下三個部分展開，跟大家分享騰訊云在建設超融合平臺時的一些經驗：

第一部分：主要介紹邊緣計算有什么作用、業務落地邊緣存在哪些挑戰、以及為什么要有云邊端一體化；
第二部分：主要介紹騰訊云在打造超融合平臺時的一些實戰經驗和進展；
第三部分：介紹 3 個邊緣業務落地案例，

云計算發展趨勢

提到云計算，大家第一時間就會想起中心云計算，中心云計算是一種集中式架構，計算資源位于中心機房，由云廠商統一維護，那么，這種模式有什么好處呢？

業務方不再需要管理底層資源，更能聚焦于業務本身，降低了管理成本；
業務方可以靈活高效地申請、使用、退還底層資源，從整體上提高了資源利用率，降低了資源的使用成本，

而邊緣計算，是一種分布式計算，計算資源分散在離資料源比較近的地方，達到就近提供服務的目的，從時間維度上看，邊緣計算的發展可以分為 3 個階段：

技術形成期，1998 - 2013，最早可以追溯到內容分發網路（CDN），主要用途把資料快取在離用戶近的位置，達到縮短資料下載時間，提高用戶體驗的目的，
快速發展期，2014 - 2017，由于滿足萬物互聯的需求，引起國內外學術界和產業界的密切關注，各機構紛紛出臺相關的白皮書，
實際落地期，2018 - ？ 隨著 5G 的發展，出現越來越多的落地場景，進入政府作業指導報告，基本上可以預見邊緣計算會開始爆發，

邊緣計算有什么用

前面我們講了邊緣計算是什么，有些人就會有這樣一個疑問：既然我們已經有了中心云計算，為什么還需要邊緣計算？邊緣計算能帶來什么價值呢？

其實隨著技術不斷地發展，云計算的范疇已經從中心不斷地向邊緣擴展，演變成了中心云-邊緣云-端設備協同作業的架構模式，

為什么會發生這樣變化呢？主要是因為需求和場景在不斷變化，尤其是許多傳統行業在資訊化改造程序中提出來更多新需求，如：工業制造、港口物流、交通能源等等，

以智能制造為例，智能制造的本質就是設備智能化、資訊化，整個系統的作業流程是：采集資料、處理資料、指導生產，這帶來了兩個方面的問題：

高實時性要求，很多工業資料具有極強的實時性，過期時間非常短，往往只有幾毫秒，這就要求采集資料、資料處理、指導生產的整個程序需要在幾毫秒內完成，如果上傳到云端處理，然后從云端回傳控制指令，整個程序就會耗時比較長，顯然不能滿足時效性要求，會造成嚴重的后果，比如制造出的產品精度不夠，或者次品率比較高，所以就近處理資料是智能制造的核心，
海量資料如何處理，智能工控設備、傳感器源源不斷地產生工業產品及環境方面的資料，帶來很高的傳輸和存盤成本，這些成本甚至超過智能化帶來的利潤，反而成了工業往智能化轉型的阻礙，另一方面，這些資料 90% 以上都是無效資料，如果可以盡可能早地篩選出有用資料，去除無效資料，就可以很好地降低傳輸和存盤成本，

再舉一個高清視頻的例子，4K的高清視頻需要至少 40M 帶寬，帶寬容量和成本是我們必須考慮的重要因素，相對于中心機房，邊緣機房的總帶寬容量要大，單價也更便宜，因此這類服務很適合部署在邊緣，

總的來說，邊緣計算可以帶來4個方面的好處，容量更大、時延更低、成本更低、支持本地化處理，

邊緣計算架構

前面我們講了云計算在逐步演變成中心云-邊緣云-端設備協同作業的模式，那新模式下的架構如何呢？

以騰訊云為例，中心云通常指的是 IDC 機房，邊緣云依次會是 ec、oc、mec 機房，現場設備一般位于資料源附近，比如：家庭網關、交通燈路口、港口/園區/礦山內部，

通常物聯設備與邊緣端設備之間的時延可以控制在 2 ms內，適合處理實時性要求極高的業務資料，比如工業控制類的業務，

與邊緣云之間的時延可以控制在 10ms 內，可以滿足實時音視頻、ARVR、云游戲的業務場景，

這就是邊緣計算的大致架構情況，

帶來的挑戰

下面我們一起看一下邊緣計算場景會帶來哪些新挑戰，

異構嚴重，在軟硬體兩方面都有體現，像中心云和邊緣云通常采用x86和linux 標準發行版，而邊猿澩由于需要考慮成本以及業務的特殊要求很可能是采用成本更便宜或者是定制化的軟硬體方案，
規模龐大，根據各種權威機構預測，2025年全球物聯設備數量會突破千億，分布在全球各地，如何去管理這么大規模的設備也是一項很有挑戰的任務
環境復雜，位于云機房的設備還好，很多終端設備常常位于惡劣的環境，你比如煉鋼廠的很多設備長期處于高溫環境、水利監測方面的設備部署環境往往都比較潮濕，設備網路環境也是各種各樣，有線的、無線的，無線又有 WIFI、4G5G網路、zigbee等等，
標準不統一，很多地方還處于沒有標準，或者是有很多標準但沒有一種公認標準，尤其是在管理方式上極其不統一，

這些挑戰帶來的后果就是：

效率下降，包括研發測驗、交付部署、升級運維等等
管理困難，規模很大，各方面環境很復雜，標準也很多，想要管好我們的資源也變得困難重重，
可靠性降低，邊緣環境很惡劣，如何在惡劣的環境下保證服務質量也是一個難題

云邊端一體化的意義

邊緣場景有如此多的挑戰，帶來的影響就是業務落地非常困難，這個問題直接阻礙了行業的發展，為了降低業務落地門檻，促進行業順利發展，云邊端一體化的就顯得很有必要，

一體化體現在多個方面：

統一管理，首先，我們要把復雜多變底層資源管理方案統一起來，盡量減少業務對底層細節的不必要感知，比如硬體架構、作業系統、網路環境等等，其次是提供的管理能力要盡可能與中心云保持統一，比如監控告警、發布運維等等各種業務常用的基礎能力，
云邊協同，在邊緣計算場景下，把業務從中心下沉到邊緣是很自然的事情，但是還不夠，通常都需要讓邊緣和云協同作業起來，比如：把邊緣的有用資料收集到中心進行分析處理，然后繼續反饋到邊緣也是非常有必要的，以AI場景為例，我們可以把推理放到邊緣進行，然后從邊緣收集資料在中心進行訓練，訓練好的模型又下發到邊緣，另外，云上的能力也需要形成聯動，比如把邊緣的有用資料收集上來，在云上做呈現和再加工，
資源調度，邊緣計算場景下資源很分散，負載隨著時空不同而差異很大，如何根據時空差異對資源做合理有效的調節，使資源使用達到最佳效果也是一件很有意義的事情，合理的資源調度可以讓系統變得更高效、穩定、低成本，

超融合平臺的使命

上面我們一起探討了邊緣計算的挑戰和云邊端一體化的意義，騰訊云幾年前就開始往這方面投入資源，經過多年沉淀逐步建設了囊括方方面面的超融合平臺，接下來再和大家分享下騰訊云在超融合平臺建設方面的實踐，

在建設初期，大家思考得最多的問題就是什么是超融合平臺，我們希望超融合平臺給業務帶來什么樣的好處，經過長時間的摸索，我們確定了超融合平臺的使命：讓邊猿澩像中心云資源一樣容易管理，

簡單來說就是，從平臺層面屏蔽底層的復雜性，所有的基礎能力盡可能與中心云對齊，從而讓業務使用起來感受不到太多差異，業務方可以更加聚焦，把精力集中于具體業務研發，最終讓所有的事情都變得簡單高效，

如何達成這種效果

方向：

完全自研，從零開始，代價很高；不具有普適性，難以推廣，
擁抱云原生，云原生是一種生態，囊括了方方面面的能力，我們可以基于這些能力，而不是重復造輪子，更聚焦于解決邊緣場景的特殊性，達到事半功倍的效果，

方案：

使用原生 Kubernetes，并非針對邊緣計算場景，直接在邊緣使用會有一些問題，
魔改 Kubernetes，門檻高，代價大，兼容性問題不可忽視，
增強 Kubernetes，遵守 Kubernetes 標準，靈活，開放，學習成本低，使用起來容易，

TKE Edge

TKE Edge 是騰訊云基于原生 Kubernetes 研發的邊緣計算容器系統，它的主要目的是屏蔽錯綜復雜的邊緣計算物理環境，為業務提供一種統一的、標準的資源管理和調度方案，其部分能力已經開源為 SuperEdge 專案，

TKE Edge 有多個特點：

Kubernetes 原生，以無侵入的方式將 Kubernetes 強大的容器編排、調度能力拓展到邊緣端，其原生支持 Kubernetes，完全兼容 Kubernetes 所有 API 及資源，無額外學習成本，
邊緣自治，提供 L3 級邊緣自治能力，當邊緣節點與云端網路連接不穩定或處于離線狀態時，邊緣節點可以自主作業，化解了網路不可靠所帶來的不利影響，
分布式節點健康監測，是業內首個提供邊緣側健康監測能力的開源容器管理系統，SuperEdge 能在邊緣側持續守護行程，并收集節點的故障資訊，實作更加快速和精準的問題發現與報告，此外，其分布式的設計還可以實作多區域、多范圍的監測和管理，
內置邊緣編排能力，能夠自動部署多區域的微服務，方便管理運行于多個地區的微服務，同時，網格內倍訓服務可以有效減少運行負載，提高系統的容錯能力和可用性，
內網穿透，能夠保證 Kubernetes 節點在有無公共網路的情況下都可以連續運行和維護，并且同時支持傳輸控制協議（TCP）、超文本傳輸協議（HTTP）和超文本傳輸安全協議（HTTPS），

超融合平臺

超融合平臺是以底層IaaS為基礎，以TKE Edge為粘接，集成大量騰訊云上能力和業務的邊云聯動平臺，平臺有三大特點：

開放性，在 IaaS 資源側，除了可以接入騰訊的資源，還可以很方便地接入用戶已有的計算資源：如其他云廠商服務器、用戶自建機房、智能設備等等，
集成性，平臺集成大量云上基礎服務能力，云監控、云日志、云運維等，能滿足大部分使用需求；另外還打通了騰訊云資源，邊緣計算機器、騰訊云智能網關設備等等，
易用性，功能使用方式基本與中心云使用方式保持一致，無須學習額外的使用知識，

邊猿澩建設情況

邊緣計算機器（Edge Computing Machine，ECM），該產品通過將計算能力從中心節點下沉到靠近用戶的邊緣節點，提供低時延、高可用、低成本的邊緣計算服務，目前已開放 300+ 節點，全國覆寫，產品主頁：https://console.cloud.tencent.com/ecm
一體化中心，該產品以騰訊云自研的 Mini T-Block 的移動資料中心基礎設施為載體，融合 5G、邊緣計算、物聯網等技術能力，以及引入騰訊云邊緣計算 IaaS/PaaS/SaaS平臺產品能力，支持云游戲、4K直播、機器人等5G 2C和2B業務，提供全面創新、可交付型的5G邊緣計算整體解決方案，
邊緣智能網關，該產品是騰訊面對物聯網邊緣應用場景的工業級設備，提供IoT設備接入、AI本地分析、邊云協同等功能，具有小體積、高可靠、多網路、超靜音、易管理等特性，適用于園區安防、智慧零售、電力巡檢、智慧路燈、智能交通、水利監測、工業質檢等場景，