基于K3s的邊緣計算在泛在電力物聯網的技術研究

王海慶　楊永寧　白姍

摘? 要：基于泛在電力物聯網設備，借助K3s技術提供了應用創建管理、編排手段結合系統本身實現資源的動態擴容，資源調度技術，實現了加入邊緣計算設備這種在靠近物或數據源頭的最近的一側，采用網絡、計算、存儲、應用、編排等核心能力為一體的資源編排平臺，就近提供最近端服務編排的技術能力。

關鍵詞：電力? 容器? 物聯網? K3s? Kubernete? 容器? 邊緣計算

中圖分類號：TM74 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）12（a）-0011-03

Abstract： Based on the equipment of ubiquitous power Internet of things， K3s technology provides the means of application creation， management and arrangement， and realizes the dynamic expansion of resources in combination with the system itself. Resource scheduling technology realizes the addition of edge computing equipment， which is on the nearest side near the object or data source， using network， calculation， storage， application and arrangement. Resource orchestration platform， which integrates core competence and other core competencies， provides the technical capability of nearest service orchestration.

Key Words： Power; Containers; Internet of Things; k3s; Kubernetes; Edge Computing

目前，隨著電力市場的快速啟動及智能電網的推廣，電力系統的業務發展目前來看已經非常迅速，因此這也使得電力調度運行所需的數據變得越來越大，云技術、Docker技術、Edge計算、IoT物聯網和區塊鏈的興起，將它們應用到電力行業中，已成為未來電力行業的發展重要方向。

云技術是指在公網或局域網內將軟硬件、網絡、存儲等系列資源統一管理起來，實現數據的計算、儲存、處理和共享的一種資源管理技術。Docker技術、虛擬化技術、容器編排技術Kubernetes已經成為被大家廣泛認可的系統資源共享方式，Docker技術可以在按需構建系統應用實例的過程當中為軟件系統管理員提供極大的便利性和靈活性，更為系統帶來高效的運維能力。

邊緣計算是指在靠近需要監控數據的源頭，采用網絡資源、計算資源、存儲資源、應用核心能力為一體的開放平臺系統，就近提供數據處理服務和統計服務。在這個系統中應用程序在邊緣端直接執行，因此可以產生更快的網絡服務響應，可以極大地滿足行業在實時業務方面的基本需求。邊緣計算位于物理實體資源和工業連接之間。而在云中，用戶仍然可以通過Web界面的方式訪問邊緣計算的歷史記錄數據。

物聯網是以海量的微型設備為基礎（如便宜的樹莓派arm設備）、結合傳統應用與新興的應用軟件的全球性網絡服務系統，它將是繼計算機通信網絡技術、互聯網技術與移動互聯網技術之后，再一次給全球信息產業帶來一次科技浪潮，給高速、信息化、便利的生活帶來了一次極大的市場機遇。

K3s是一種精簡的Kubernetes容器管理平臺，它保留了大部分K8s的功能，并為了適應邊緣計算的極端工作條件，大大地簡化了系統部署過程和系統資源的消耗。

為此，論文提出一種將基于K3s的邊緣計算在泛在電力物聯網的方法。以Docker技術、K3s平臺、物聯網技術和邊緣計算為基礎并能融合Arm等硬件設備，有望實現在市場前景非常廣闊的泛在電力物聯網的業務中實現資源快速和有效的管理，并能提供安全、穩定、靈活、海量的邊端Arm設備的在線管理。

1? Kubernetes容器編排工具

首先，Kubernetes是谷歌公司開源的容器資源編排和管理工具，主要分4個部分簡要說明一下。

首先，Kubernetes是一個最近幾年才出現的基于容器技術的分布式架構技術解決方案。這個方案雖然剛出來沒有幾年的時間，但它是Google公司十幾年以來大規模編排、應用、調度容器技術的重要技術成果。目的是實現資源的高度自動化部署，以及實現跨多個數據中心的資源利用率的最大化。

其次，如果我們的系統架構設計遵循了Kubernetes的設計思路，那么傳統軟件架構中那些和普通業務沒有關聯的底層代碼或插件模塊，都可以立即從我們的設計思路中消失，我們不用再費心于負載均衡器LB的選型（軟件或者硬件）和部署實施、運維問題，不必再考慮引入或開發一個非常復雜的服務治理框架，不必再關心服務的監控和故障的處理模塊的功能開發。總之，使用Kubernetes提供的容器編排技術，我們不僅節省了不少于40%的開發成本，還可以將剩余的主要精力集中于業務本身而不是框架中，而且由于Kubernetes供了強大的自動化部署、編排、監控、事件機制等技術，因此系統后期運維的難度和成本都要大幅度降低。

再次，Kubernetes是一個開源的軟件開發平臺。與J2EE不同的是，它不局限于任何一種編程語言，更沒有限定任何編程接口，所以不論是用PHP，Java、Go Lang、C++還是用Python編寫的Web服務、后臺服務，都可以被映射為Kubernetes的Service服務，并可以設置是不是可以通過標準的TCP通信協議進行交互（如采用ClusterPort、NodePort方式）。此外，Kubernetes平臺對現有的編程語言的環境、編程框架的選擇、中間件的服務沒有任何侵入性修改，因此現有的軟件系統也很容易進行改造升級和制作鏡像，并遷移到Kubernetes平臺上進行部署。

最后，Kubernetes是一個功能齊全的分布式軟件系統支撐平臺。Kubernetes具有完善的集群管理能力，包括多種安全防護和準入機制、多租戶（Name Space）應用支撐能力、非常透明的節點服務注冊機制和節點發現機制，自帶智能負載均衡器，并提供強大的故障自我發現和修復能力、提供的服務滾動升級（Deployment）和在線擴容（Scale）能力、可擴展的資源自動調度機制（Auto Scale），以及多粒度的CPU、MEM資源配額管理能力（Request、Limit）。

當了解了Kubernetes功能之后，我們使用Kubernetes會得到哪些好處呢？

首先，可以非常輕松地開發一個復雜的軟件系統。以前可能需要很多人（其中可能還需要一些軟件架構工程師）一起分工協作和技術架構設計，從而實現和運維的分布式軟件系統，在采用Kubernetes集群管理平臺解決方案之后，有可能只需幾個人甚至一個人的小團隊就能輕松應對。在這個小團隊里，可能現在只需一名軟件架構工程師負責系統中系統服務組件的架構方面的設計，幾名軟件開發工程師負責功能業務代碼的開發，一名系統運維工程師負責Kubernetes集群管理平臺的部署和運維，因為Kubernetes集群管理平臺已經幫我們做了很多，我們只需要使用好此平臺即可。

其次，我們可以全面、快速、靈活地擁抱微服務架構。目前微服務架構的核心是將一個巨大的單體應用根據一定邏輯分解為很多小的互相連接的微服務，每一個微服務可能由一個或多個實例副本進行支撐，而副本的數量還可以隨著系統的負荷變化而自動地進行調整。微服務架構使得每一個服務都可以作為獨立單元進行獨立開發、升級迭代和擴展，因此微服務架構的系統具備很高的系統穩定性和軟件快速迭代開發能力，使開發者更加可以自由選擇開發技術。

再次，可以隨時隨地將軟件系統整體部署到公有云上。Kubernetes最初的設計目的是讓更多的用戶的應用可以運行在Google自家的公有云服務中，華為，阿里以及騰訊先后宣布支持Kubernetes集群管理平臺，未來會有更多的公有云公司和私有云公司支持Kubernetes平臺。同時，在Kubernetes的系統架構方案中對底層網絡的細節是完全透明的，基于服務（Service）的虛擬IP地址（Cluster IP）的設計思路讓系統架構與底層的硬件拓撲無關，因此我們無須改變運行期的文件配置，就能將現有的應用系統從當前物理機的環境快速遷移到公有云或私有云系統上。

然后，Kubernetes平臺自帶的服務彈性負載均衡機制可以讓我們非常輕松應對突發流量（重大節日、周末等）。在服務運行峰期，我們可以選擇在公有云的平臺服務中快速擴容某些服務的實例副本數量以提升系統的吞吐容量，這樣不僅大大節省了公司的硬件投人，而且還能改善用戶體驗。比如現在中國鐵路的12306購票系統，在客流高峰期（如節假日、周末）就租用了阿里云進行流量分流。

最后，Kubernetes平臺超強的資源橫向擴容能力可以讓我們的服務競爭力大大提升。對于互聯網公司來說，用戶規模等價于公司的命脈，因此橫向資源擴容能力是衡量一個互聯網業務系統競爭的非常重要的指標。我們利用Kubernetes提供的系統平臺，不用修改任何代碼，就能將一個Kubernetes集群從只包含幾個節點的小集群平滑擴展到擁有上百個節點的大集群，甚至可以在線完成集群擴容任務。而且只要微服務架構設計得合理，更能夠在云環境中進行負載均衡和彈性伸縮，系統自然而然地就能夠承受大量用戶同時并發訪問帶來的巨大的流量壓力。

2? K3s輕量級Kubernetes工具

K3s是一個輕量級的Kubernetes集群，它是Rancher Lab公司開發的一個新的產品，目的是在資源非常有限的設備上面跑Kubernetes。它的最大特點就是小，二進制包只有不到50MB，只需要0.5GB的內存就能運行起來。K3s主要的應用在Edge邊緣計算，IoT物聯網，CI持續集成和運行在ARM架構上等場景，ARM架構方面比如在樹莓派上面就能跑。

K3s的工作原理介紹如下：K3s其實可以看成是一個精簡版的Kubernetes，例如它把所有非正式功能都去掉了，所有在開發的storage driver功能、plugin插件等也去掉了，所以整個二進制可執行文件編譯出來會變的非常小。K3s對宿主機的操作系統的依賴幾乎很少。K3s已經使用了containerd進程替換Docker服務來做runtime，所以我們可以不再安裝Docker。只需要保留containerd即可。containerd本身就是Docker的一部分，因此完全兼容我們所熟悉的Docker image。

K3s主要特點簡單介紹如下。

（1）精簡。

“K3s”的名稱含義是指“5 Less Than K8s”，它的二進制大小、對宿主機資源的需求、安裝復雜度、使用難度等都極其的輕量和易于使用。

（2）適用于眾多場景。

對于制造業、零售、電力、電信、金融、公共事業、銀行等行業。或是任何認可K8s是管理邊緣計算的理想平臺，但難以在邊緣設備中尤其arm設備中投入大量的物理資源來運行一個完整的Kubernetes平臺的用戶而言，K3s都是具有巨大進步意義的，對于整個邊緣計算平臺而言更是一個創造性新產品。

（3）支持ARM設備。

目前緣設備是以ARM設備居多。K3s被打包為一個沒有任何主機依賴的單個二進制文件，大小只有不到50M，卻包含運行Kubernetes所需的一切runtime環境，包括容器runtime環境和任何重要的主機實用軟件程序，如socat、iptables、du等。只需要執行一條命令，您就可以輕松配置或者快速升級單節點K3s集群，或是向集群添加更多的節點。非常低的資源消耗，而且操作簡單，易于上手，以及最終的刪繁就簡的理念，加上最重要的、創造性地滿足Kubernetes在edge邊緣計算的場景需求，讓K3s剛推出來就受到了眾多互聯網企業，尤其開源用戶、IT媒體、技術社區等的關注以及肯定。

3? 結語

隨著電力物聯網需求的不斷出現，將Kubernetes編排技術移植到edge邊緣計算場景是個非常好的選擇，Kubernetes擁有很好的生態系統，利用Docker技術能夠天然屏蔽硬件差異，帶來軟件部署管理上的極大便捷。Docker容器技術尤其是谷歌公司開源的Kubernetes在數據中心層面愈發成熟，但是因為邊緣計算的特點，將完整的Kubernetes移植到邊緣計算場景，目前來看還是存在諸多問題，比如目前K8S是不支持arm設備的。而且對計算資源的消耗尤其是內存是邊緣設備無法承受的，并且邊緣設備目前是以ARM架構居多。而這些正是K3s的當初設計的初衷并且解決的問題。

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