エッジコンピューティングシステムの論理アーキテクチャの詳細説明：クラウド、エッジ、エンドコラボレーション

1. エッジコンピューティングシステムの論理アーキテクチャの概要

図 3-1 からわかるように、論理アーキテクチャは、クラウドとエッジのコラボレーション、エッジとエンドのコラボレーション、クラウドとエッジとエンドのコラボレーションなど、エッジ コンピューティング システムのクラウド、エッジ、エンド部分間の相互作用とコラボレーションに重点を置いています。

▲図3-1 エッジコンピューティングシステムの論理アーキテクチャ

クラウドとエッジのコラボレーション: これは、クラウド内の Kubernetes の制御ノードとエッジ内の KubeEdge を実行するノードを通じて実現されます。

エッジエンドのコラボレーション: これは、エッジの KubeEdge とエンドの EdgeX Foundry を通じて実現されます。

クラウド、エッジ、エンドのコラボレーション: これは、クラウド ソリューション Kubernetes、エッジ ソリューション KubeEdge、エンド ソリューション EdgeX Foundry の制御ノードを通じて実現されます。

2. クラウドとエッジの連携

クラウドエッジコラボレーションの具体的な実装を図 3-2 に示します。

▲図3-2 エッジコンピューティングシステムにおけるクラウドエッジ連携論理アーキテクチャ

Kubernetes 制御ノードは、クラウド部分の元のデータ モデルを使用し、元の制御とデータ フローを変更せずに維持します。つまり、KubeEdge が実行されるノードは、Kubernetes 上で通常のノードとして表示されます。 Kubernetes は、通常のノードを管理するのと同じように、KubeEdge が実行されるノードを管理できます。

KubeEdge が、リソースが限られ、ネットワーク品質が制御できないエッジノード上で実行できる理由は、Kubernetes 制御ノードをベースとする KubeEdge が、クラウド部分の CloudCore とエッジ部分の EdgeCore を通じて、Kubernetes クラウドコンピューティング オーケストレーション コンテナ化アプリケーションのシンクを実現しているからです。

クラウド部の CloudCore は、Kubernetes 制御ノードの指示やイベントを監視してエッジ部の EdgeCore に送信し、エッジ部の EdgeCore から報告されたステータス情報やイベント情報を Kubernetes 制御ノードに送信する役割を担います。エッジ部のEdgeCoreは、クラウド部のCloudCoreからの指示やイベント情報を受信し、関連する指示を実行してエッジ負荷を維持し、エッジ部のステータス情報やイベント情報をクラウド部のCloudCoreに報告する役割を担います。

また、EdgeCore は Kubelet コンポーネントをベースにカスタマイズされており、つまりエッジでは使用されない Kubelet の豊富な機能がカスタマイズされています。エッジにおけるリソースの制限とネットワーク品質の低さという現状に対応して、EdgeCore がエッジ環境にうまく適応できるように、Kubelet をベースにオフライン コンピューティング機能が追加されました。

3. エッジエンドコラボレーション

エッジエンドコラボレーションの具体的な実装を図 3-3 に示します。

▲図3-3 エッジコンピューティングシステムにおけるエッジエンド連携論理アーキテクチャ

KubeEdge はエッジノード上で実行される管理プログラムとして、エッジノード上のアプリケーション負荷のリソース、動作状態、障害の管理を担当します。一部のエッジ コンピューティング システムでは、KubeEdge は EdgeX Foundry サービスに必要なコンピューティング リソースを提供し、EdgeX Foundry サービスのライフ サイクル全体の管理を担当します。

EdgeX Foundry は、KubeEdge によって管理される IoT SaaS プラットフォームです。このプラットフォームは、さまざまな IoT 端末デバイスをマイクロサービスの形で管理します。同時に、EdgeX Foundry は、管理するマイクロサービスを通じて、さまざまな IoT 端末デバイスからデータを収集、フィルタリング、保存、マイニングできるほか、管理するマイクロサービスを通じて、さまざまな IoT 端末デバイスに指示を出して端末デバイスを制御することもできます。

図 3-4 に示すように、KubeEdge ソリューションは、MQTT プロキシと、さまざまなプロトコルをサポートするデバイスに接続するサービスで構成されています。

▲図3-4 KubeEdgeソリューションの論理アーキテクチャ

MQTT エージェント: さまざまな IoT 端末デバイスと KubeEdge ノード間の通信チャネルとして、端末デバイスから送信されたデータを受信し、受信したデータを MQTT エージェントにサブスクライブしている KubeEdge ノードに送信する役割を担います。

さまざまなプロトコル デバイスをサポートするサービスとの相互接続: 対応するプロトコルをサポートするデバイスとの対話を担当し、デバイス データを収集して MQTT エージェントに送信し、MQTT エージェントから関連する指示を受信して​​デバイスに送信することができます。

上記の分析から、KubeEdge の最終ソリューションはまだ比較的初歩的であることがわかります。

KubeEdge のエンド ソリューションでサポートされている負荷タイプはまだ比較的単純です。現時点では、MQTT エージェント経由で一部の IoT 端末デバイスのみをサポートできます。ビデオ処理や AI モデルを使用した推論などのアプリケーション負荷はまだサポートされていません。

現在、さまざまなプロトコルを備えたデバイスへの接続をサポートするサービスは比較的少なく、Bluetooth および Modbus プロトコルを使用するデバイスのみがサポートされています。

上記の理由から、当社のエッジコンピューティング システムのエンド ソリューションでは、KubeEdge のエンド ソリューションではなく、比較的完成度の高い IoT SaaS プラットフォームである EdgeX Foundry を使用しています。

4. クラウド、エッジ、エンドのコラボレーション

エッジコンピューティングシステムにおけるクラウド、エッジ、エンドの連携の理想的な効果を図 3-5 に示します。

▲図3-5 エッジシステムにおけるクラウド、エッジ、エンド連携の理想的な効果

図 3-5 からわかるように、クラウド エッジ エンド コラボレーションには、クラウド エッジ コラボレーションとクラウド エッジ エンド コラボレーションの 2 つのレイヤーが含まれます。

クラウドとエッジのコラボレーション: クラウドはコントロール プレーンとして機能し、エッジはコンピューティング プラットフォームとして機能します。

クラウド・エッジ・エンド連携: クラウド・エッジ連携に基づき、端末デバイスを管理するサービスがエッジロードとして機能します。クラウドはエッジを制御することでエンドに影響を与えることができ、クラウド、エッジ、エンドのコラボレーションを実現します。

クラウド、エッジ、エンド間のコラボレーションは、Kubernetes 制御ノード、KubeEdge、EdgeX Foundry を通じて実現されます。 Kubernetes 制御ノードは、EdgeX Foundry サービスを操作するための指示を KubeEdge エッジ クラスターに送信し、それによって端末デバイスに影響を与えます。現在、Kubernetes 制御ノードを介してエンドデバイスと直接対話することはできません。

5. まとめ

この記事では、エッジコンピューティングシステム全体の論理アーキテクチャと、クラウド、エッジ、エンド間の論理的な関係と現状を体系的に整理します。

クラウドとエッジの連携のアーキテクチャから始めて、クラウドとエッジの連携の現在のアーキテクチャと原則を整理し、エッジ ソリューションのいくつかの特徴について説明します。

エッジエンド連携のアーキテクチャから始めて、エッジエンド連携の現在のアーキテクチャと原則を体系的に整理し、KubeEdge独自のエンドソリューションのアーキテクチャ、原則、現状について説明しました。

クラウド、エッジ、エンド連携のアーキテクチャから始めて、クラウド、エッジ、エンド連携の理想的な効果を中心に説明します。

著者について: Cui Guangzhang、Zhijiang Laboratory の上級研究スペシャリストであり、上級クラウド コンピューティングおよびエッジ コンピューティング技術エンジニア。 2014年にクラウドコンピューティングに携わり始めて以来、複数のクラウドコンピューティング制作プロジェクトに参加してきました。代表的なプロジェクトとしては、OpenStackをベースにカスタマイズされたオペレータプライベートクラウドやガバメントクラウド、オープンソースコンテナクラウドソリューションをベースにカスタマイズされたオペレータ向けデータセンターオペレーティングシステム（DCOS）などがあります。 2018年よりエッジコンピューティング関連の研究開発に着手。

この記事は、「エッジ コンピューティングの深い理解: クラウド、エッジ、エンドの動作原理とソース コード分析」(ISBN: 978-7-111-68422-0) から抜粋したもので、出版社の許可を受けています。