深入理解邊緣計算：雲邊端工作原理與源碼分析（簡體書）

為何寫作本書
隨著5G、AR/VR、高清視頻、自動駕駛等新技術的興起，電信網絡正面臨實時計算能力、超低時延、超大帶寬等帶來的新的挑戰。而只有促進邊緣計算產業發展，構建健康的生態環境，才能使終端用戶獲得新技術帶來的極致體驗，以及更加豐富、安全、可靠的應用。因此，近年來移動運營商、網絡設備供應商、應用開發商、內容提供商等紛紛加入移動邊緣計算領域，促使這一技術快速發展。
目前，很多研究機構制定了針對邊緣計算的專項計劃，比如斯坦福大學的PlatformLab、卡內基梅隆大學的Open Edge Computing基金會等。互聯網企業也針對邊緣計算推出了相關產品，比如亞馬遜的AWS GreenGrass Core、微軟的Azure Functions on IoT Edge、阿裡巴巴的Link Edge、百度的IoT Intelligent Edge。除此之外，全球範圍的各大通信運營商也都陸續發布了邊緣計算白皮書。
邊緣計算得到了很多行業和組織的重視，但是目前市場上針對邊緣計算系統性分析的圖書還很少。於是，筆者萌生了寫一本書的想法，想從邊緣計算系統的部署切入，系統分析邊緣計算系統的云、邊、端的原理架構和源碼。
讀者物件
云計算領域從業者
邊緣計算領域從業者
物聯網領域從業者
應用運維、開發人員
數據中心運維人員
在校計算機專業學生
物聯網領域的科研人員
本書特色
邊緣計算的意義在於云、邊、端的協同，而不應該將邊緣計算看作獨立於云計算的計算平臺，甚至是云計算的對立面。目前，針對云、邊、端都有不止一種開源計算框架，但每種計算框架又各有其側重點，在這種現狀下為云、邊、端各選一種比較合適的計算框架進行集成，打造一套云、邊、端協同的邊緣計算系統，並對該系統的部署方法、內部原理和相關源碼進行解析是有現實意義的。
本書的云組成部分選擇Kubernetes，邊組成部分選擇KubeEdge，端組成部分選擇EdgeX Foundry，對云、邊、端各部分都進行了從架構到源碼的系統分析，內容系統性強，受眾群體廣，從在校計算機專業學生到云計算、邊緣計算和物聯網領域專家，都可以參考本書。
如何閱讀本書
本書圍繞云、邊、端展開介紹，整體分為3篇。
基礎篇（第1～2章）
首先介紹邊緣計算概念、邊緣計算系統的具體組成，對邊緣計算系統中的相關概念進行解析；然後給出邊緣計算系統所需的自動化部署腳本，讀者可以根據腳本輕松地將邊緣計算系統整體框架部署起來，並在其上進行管理和部署應用；最後從管理終端設備應用的部署方式入手，對比分析該應用在云數據中心部署和以云、邊、端協同的方式部署的利弊，從而引出使用邊緣計算的必要性。
原理篇（第3～6章）
為了使讀者能夠對邊緣計算系統有一個全面、深入的了解，本篇將組成邊緣計算系統的云、邊、端分開介紹，逐步部署，並對每部分的配置項進行詳細說明：云包括以系統進程方式部署和以容器化方式部署兩種；邊由與云控制節點交互的部分和在邊緣管理負載的部分組成，與云控制節點交互的部分包括以系統進程方式部署和以容器化方式部署兩種，在邊緣管理負載的部分只有以系統進程方式部署一種；端包括以系統進程方式部署和以容器化方式部署兩種。
源碼分析篇（第7～9章）
通過對邊緣計算系統部署和配置的詳細說明，讀者對邊緣計算最佳實踐的云、邊、端部分有了一個相對深入的了解，但還停留在各部分的具體組成組件和相關配置說明層面。本篇會對組成邊緣計算系統的云、邊、端部分進行源碼分析，並對每部分組件之間的邏輯關係進行詳細說明。
勘誤和支持
由於筆者水平有限，編寫時間倉促，書中難免會出現一些錯誤或者不準確的地方，懇請讀者批評指正。為此，筆者特意創建了一個在線支持與應急方案的釘釘群——33905630（群號），你可以將書中的錯誤發布在該微信群。同時，如果你遇到任何問題，也可以發送郵件到 myedgecomputing@gmail.com，我將盡可能及時提供滿意的解答。如果你有更多寶貴的意見，也歡迎發送郵件至該郵箱，期待你們的真摯反饋。
致謝
首先要感謝開源社區，讓我有機會接觸、學習和分析Kubernetes、KubeEdge和EdgeX Foundry這些優秀的軟件。
感謝之江實驗室，為我提供了一個良好的工作環境，還有齊全的實驗設備。
感謝浙江省重點研發計劃項目“基於數字孿生的智能高速公路交通流全時空管控關鍵技術及應用示範”，使得書中相關技術得到驗證。
感謝之江實驗室的研究專家華煒老師，在本書的寫作過程中他從整體到具體細節都給予了筆者耐心的指導。
感謝《深度實踐KVM》作者肖力老師和公眾號“云技術”的北極熊老師的引薦，在他們的努力下才促成了本書的合作與出版。
感謝機械工業出版社華章公司的編輯楊福川老師和董惠芝老師，在這一年多的時間中他們始終支持我的寫作，他們的鼓勵和幫助引導我順利完成了全部書稿。
最後感謝家人的理解與支持，讓我可以在工作之餘全身心地投入本書的寫作，並在迷惑時給予我信心和力量！

前言
基礎篇
第1章　邊緣計算入門3
1.1　邊緣計算系統3
1.1.1　邊緣計算系統的組成3
1.1.2　概念解析6
1.2　邊緣計算的意義11
1.3　邊緣計算系統的部署與管理11
1.3.1　系統部署11
1.3.2　系統管理23
1.4　不同應用部署方式的比較25
1.5　本章小結27
第2章　云、邊、端的部署與配置29
2.1　邊緣計算整體架構29
2.2　部署云部分—Kubernetes31
2.2.1　Kubernetes相關的容器運行時部署31
2.2.2　Kubernetes的學習環境部署34
2.2.3　Kubernetes的生產環境部署39
2.3　部署邊緣部分—KubeEdge45
2.3.1　以系統進程的方式部署KubeEdge45
2.3.2　以容器化的方式部署KubeEdge51
2.4　部署端部分—EdgeX Foundry52
2.4.1　以系統進程的方式部署EdgeX Foundry53
2.4.2　以容器化的方式部署EdgeX Foundry57
2.5　本章小結60
原理篇
第3章　邊緣計算系統邏輯架構63
3.1　邊緣計算系統邏輯架構簡介63
3.2　云、邊協同64
3.3　邊、端協同65
3.4　云、邊、端協同68
3.5　本章小結68
第4章　云部分原理解析71
4.1　整體架構71
4.2　邏輯架構72
4.3　控制流程74
4.3.1　集群基礎設施層面的資源的控制流程74
4.3.2　集群中應用負載層面的資源的控制流程77
4.4　數據流81
4.4.1　集群內應用負載間的數據訪問流81
4.4.2　集群外應用到集群內應用負載的數據訪問流86
4.5　資源調度88
4.5.1　資源調度流程88
4.5.2　資源調度算法和調度策略89
4.6　資源編排90
4.7　本章小結91
第5章　邊緣部分原理解析93
5.1　KubeEdge的整體架構93
5.2　與云交互的組件94
5.3　管理邊緣負載的組件96
5.4　與終端設備交互的組件97
5.5　云、邊協同98
5.6　設備管理模型100
5.7　邊緣存儲和網絡資源102
5.8　邊緣節點管理103
5.8.1　以節點的形式管理邊緣計算資源103
5.8.2　以獨立集群的形式管理邊緣計算資源104
5.8.3　以多集群的形式管理邊緣計算資源105
5.9　本章小結106
第6章　端部分原理解析107
6.1　整體架構107
6.2　設備服務層108
6.3　核心服務層110
6.4　支持服務層115
6.5　導出服務層119
6.6　安全組件122
6.7　系統管理組件122
6.8　本章小結123
源碼分析篇
第7章　云部分源碼分析127
7.1　搭建開發環境127
7.1.1　安裝Go和GoLand127
7.1.2　安裝Git並下載Kubernetes源碼130
7.1.3　Go Modules簡介130
7.1.4　下載Kubernetes的源碼依賴131
7.2　Kubernetes源碼整體結構分析131
7.3　組件源碼分析133
7.3.1　共享命令行工具庫Cobra133
7.3.2　Kube-apiserver136
7.3.3　Kube-controller-manager140
7.3.4　Kube-scheduler145
7.3.5　Kubelet148
7.3.6　Kube-proxy150
7.4　本章小結153
第8章　邊緣部分源碼分析155
8.1　搭建開發環境155
8.2　源碼整體架構分析155
8.2.1　源碼目錄及組件源碼入口155
8.2.2　組件中各功能模塊的共享框架和功能分析160
8.3　組件源碼分析166
8.3.1　配置文件讀取166
8.3.2　CloudCore172
8.3.3　EdgeCore之Edged180
8.3.4　EdgeCore之DeviceTwin189
8.3.5　EdgeCore之EdgeHub195
8.3.6　EdgeCore之EventBus202
8.3.7　EdgeCore之MataManager206
8.3.8　EdgeCore之EdgeMesh212
8.4　本章小結217
第9章　端部分源碼分析219
9.1　搭建開發環境219
9.2　源碼整體架構分析219
9.3　組件源碼分析220
9.3.1　Config-seed221
9.3.2　Core-command232
9.4　本章小結238