CN115225630A - 一种边缘计算场景下的云边消息通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种边缘计算场景下的云边消息通信方法，涉及边缘计算技术领域；建立云边数据协同架构，所述云边数据协同架构包括中心云端和边缘端，所述中心云端包括分布式消息流服务端、消息收发客户端、账户安全管理组件、文件同步组件和文件接收组件，所述边缘端包括消息服务端、消息收发客户端和文件采集组件，所述中心云端和所述边缘端进行短消息通信及大文件传输。
Description
技术领域
本发明公开一种方法，涉及边缘计算技术领域，具体地说是一种边缘计算场景下的云边消息通信方法。
背景技术
随着边缘计算的提出，通过将云服务“下沉”到边缘侧，可以有效的解决时延问题和网络资源占用率问题,边缘计算既靠近执行单元，更是云端所需高价值数据的采集和初步处理单元，可以更好地支撑云端应用。边缘节点通过自身网络设备进行数据采集，并按照一定规则或数据模型对数据进行初步处理与分析并实时响应，提供近距离的数据传输与分析，既可以大幅减少对传输资源的依赖与消耗，又可以大幅提升本地响应速度。同时，只靠边缘设备处理局部数据，无法形成全局认知，所以在实际应用中仍然需要借助云计算平台，边缘端需要将处理结果以及相关数据上传给云端，云端通过收集数据进行第二轮评估、处理、存储、深入分析和价值挖掘，来实现信息的融合治理，确保数据同时满足安全隐私方面的需求，又可以发挥云服务快速迭代刷新的优势。但目前云边通信时仍存在的云边网络不通消息丢失、消息传送速率受限等问题，且还没有云边之间实时发送互相接收消息的稳定高效的云边通信方法，满足云边协同场景的需求。
发明内容
本发明针对现有技术中问题，提供一种边缘计算场景下的云边消息通信方法，保证安全性和高可用性的基础上为多个边缘端单向访问云端时云与边之间通信提供可靠的解决方法，作为云边数据协同的基础，满足了云边协同场景的需求。
本发明提出的具体方案是：
本发明提供一种边缘计算场景下的云边消息通信方法，建立云边数据协同架构，所述云边数据协同架构包括中心云端和边缘端，所述中心云端包括分布式消息流服务端、消息收发客户端、账户安全管理组件、文件同步组件和文件接收组件，所述边缘端包括消息服务端、消息收发客户端和文件采集组件，
所述中心云端和所述边缘端进行短消息通信：账户安全管理组件创建用户证书和管理用户权限，所述分布式消息流服务端创建Kubernetes用户自定义资源stream和consumer，通过stream定义消息主题字段，根据消息主题利用stream和consumer建立云边短消息通道，所述分布式消息流服务端与消息服务端经用户证书认证后通过云边短消息通道进行短消息通信，
所述中心云端和所述边缘端进行大文件传输：所述分布式消息流服务端基于Kubernetes Operator组建文件同步组件，所述边缘端基于不同的文件传输路径创建所述文件采集组件，通过所述文件采集组件连接所述文件同步组件，通过文件同步组件将文件同步到文件接收组件，通过文件接收组件将文件传输至分布式消息流服务端。
进一步，所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法中所述中心云端的消息收发客户端经用户证书认证将短消息发送至所述分布式消息流服务端，所述分布式消息流服务端经用户证书认证将所述短消息根据消息主题发送至边缘端的消息服务端，所述消息服务端经用户证书认证将所述短消息发送至边缘的消息收发客户端。
进一步，所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法中所述边缘端的消息收发客户端经用户证书认证将短消息发送至所述消息服务端，所述消息服务端经用户证书认证将所述短消息根据消息主题发送至中心云端的分布式消息流服务端，所述分布式消息流服务端经用户证书认证将所述短消息发送至中心云端的消息收发客户端。
进一步，所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法中所述中心云端以集群方式部署分布式消息流服务端，分布式消息流服务端集群利用RAFT协议同步状态和数据，所述分布式消息流服务端集群利用RAFT协议选举集群领导者，通过集群领导者接收消息收发客户端的日志条目。
进一步，所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法中所述stream还定义短消息的存储方式和持久化方式，以及对总共存储的短消息数量、消息总共占用的空间大小及消息的留存时间进行限制。
进一步，所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法中所述账户安全管理组件创建账户，根据账户创建用户证书，通过账户发布用户权限，并通知分布式消息流服务端用户证书信息和用户权限的变更。
进一步，所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法中所述边缘端与中心云端的同一账户通信，发送和接收消息存放在同一账户之中，保障用于短消息通信的相同消息主题不穿越账户边界引发冲突。
进一步，所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法中中心云端和所述边缘端通过GRPC流式传输的方式进行大文件传输。
本发明还提供计算机可读介质，所述计算机可读介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在被处理器执行时，使所述处理器执行所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法。
本发明的有益之处是：
本发明提供一种边缘计算场景下的云边消息通信方法，使云端和边缘端之间建立待缓存的双向通信，边缘节点向stream中发送消息时会将消息进行持久化。边缘节点离线期间仍可发送消息，网络恢复后会对中断期间的消息进行重发，云端可以接收到断网期间发送的消息。
不同的边缘节点连接到云端时，向云端提供用户证书,同时云端会为每个启用边缘节点账户单独创建文件夹存储持久化文件，不同边缘节点中用于消息通信的主题互不干扰。通过使用用户证书和账户隔离机制，边缘节点之间的数据被隔离了起来，更安全地将本地的数据传送到云端集群。并且云端和边缘端通过相应的组件进行大文件传输，满足不同云边协同场景的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明方法中云边协同架构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供一种边缘计算场景下的云边消息通信方法，建立云边数据协同架构，所述云边数据协同架构包括中心云端和边缘端，所述中心云端包括分布式消息流服务端、消息收发客户端、账户安全管理组件、文件同步组件和文件接收组件，所述边缘端包括消息服务端、消息收发客户端和文件采集组件，
所述中心云端和所述边缘端进行短消息通信：账户安全管理组件创建用户证书和管理用户权限，所述分布式消息流服务端创建Kubernetes用户自定义资源stream和consumer，通过stream定义消息主题字段，根据消息主题利用stream和consumer建立云边短消息通道，所述分布式消息流服务端与消息服务端经用户证书认证后通过云边短消息通道进行短消息通信，
所述中心云端和所述边缘端进行大文件传输：所述分布式消息流服务端基于Kubernetes Operator组建文件同步组件，所述边缘端基于不同的文件传输路径创建所述文件采集组件，通过所述文件采集组件连接所述文件同步组件，通过文件同步组件将文件同步到文件接收组件，通过文件接收组件将文件传输至分布式消息流服务端。
本发明方法包含云端和边缘端两部分，云端包括分布式消息流服务端，可以创建持久化规则将消息进行本地持久化，还包括对外暴露的收发消息客户端、账户安全管理组件、文件同步控制组件、文件接收组件，边缘端包括消息服务端、收发消息客户端。分布式消息流服务端使用证书进行身份认证，边缘节点使用用户证书连接分布式消息流服务端，分布式消息流服务端与收发消息客户端之间使用证书进行认证，边缘端节点与收发消息客户端之间使用证书进行认证，通过使用证书认证和账户隔离机制，将数据进行隔离，保证了通信的安全性。当边缘节点网络出现问题时使用本地消息服务器进行持久化，待网络恢复后再消费消息重新进行上传。边缘与云端的消息收发采用发布订阅机制建立基于主题的特定的消息通道，云边通过配置主题来自定义云边路由消息流转，可以获取指定账户中的消息。
具体应用中，在本发明方法的一些实施例中，所述中心云端和所述边缘端进行短消息通信：
所述中心云端的消息收发客户端经用户证书认证将短消息发送至所述分布式消息流服务端，所述分布式消息流服务端经用户证书认证将所述短消息根据消息主题发送至边缘端的消息服务端，所述消息服务端经用户证书认证将所述短消息发送至边缘的消息收发客户端。
以及所述边缘端的消息收发客户端经用户证书认证将短消息发送至所述消息服务端，所述消息服务端经用户证书认证将所述短消息根据消息主题发送至中心云端的分布式消息流服务端，所述分布式消息流服务端经用户证书认证将所述短消息发送至中心云端的消息收发客户端。
进一步地，所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法中所述中心云端以集群方式部署分布式消息流服务端，分布式消息流服务端集群利用RAFT协议同步状态和数据，所述分布式消息流服务端集群利用RAFT协议选举集群领导者，通过集群领导者接收消息收发客户端的日志条目。
其中进一步，分布式消息流服务端创建两种Kubernetes用户自定义资源stream和consumer，通过stream定义消息主题字段，根据消息主题利用stream和consumer建立云边短消息通道，所述stream还定义短消息的存储方式和持久化方式，以及对总共存储的短消息数量、消息总共占用的空间大小及消息的留存时间进行限制。stream保留消息直到被任意一个consumer消费掉。
中心云端还可以控制边缘端的消息服务端的创建，边缘端使用用户证书连接至中心云端，当与分布式消息流服务端集群断开连接时，它仍然可以在本地工作，当云边网络恢复时可以自动重新连接分布式消息流服务端集群，实现了一个稳定高效的云边通信环境。分布式消息流服务端采用了Raft算法，Raft是一种用于管理复制日志的共识算法，包括一种更改集群成员的新机制，该机制使用重叠多数来保证安全。Raft通过首先选举一个领导者来实现共识，然后让领导者完全负责管理复制的日志。领导者接受来自客户端的日志条目，将它们复制到其他服务器上，并告诉服务器何时可以安全地将日志条目应用于其状态机。本发明方法的云边协同架构，还可以提供负载均衡，利用分布式队列在一组订阅者之间均衡进行消息传递。具有相同队列名称的所有订阅者组成队列组，但每条消息只被一个订阅者消费。对订阅者id，如ip或其他参数进行散列，映射到环上的一个节点，计算消息的消息密钥，也映射到环，选择最近的订阅者节点作为消息目的地。
进一步，为保证云边不同用户通信的安全性，所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法中所述账户安全管理组件创建账户，根据账户创建用户证书，通过账户发布用户权限，并通知分布式消息流服务端用户证书信息和用户权限的变更，其中账户安全管理组件依次创建operator、系统账号等账户的初始化配置信息，通过operator负责发布账户，通过账户负责发布用户来限制使用和授权。账户用于将不同的云边之间的连接通道进行隔离，使该连接通道具备相对独立的功能。中心云端分布式消息流服务端集群通过用户证书进行集群间的认证，云端消息收发客户端使用用户证书连接至分布式消息流服务端集群。可以设置证书过期时间来进行管理，账户到期后边缘端和云端服务器的连接会被断开，证书可以存放于多个云端节点上来保证高可用性。
其中发送消息时采用发布订阅机制，在云端与边缘端之间建立通信通道，使用主题进行通信。边缘节点只能与同一账户中的云端直接通信，发送和接收数据只存在于账户之中，保障了用于通信的相同主题不会穿越账户边界引发冲突。边缘端可通过消息收发客户端向云端发送指定json格式的信息，消息收发客户端与边缘消息服务端通过证书进行连接。消息收发采用至少一次的传输策略，服务端收到消息后会返回确认信息，如果在应答窗口期间内没有收到应答，消息会被重新发送，保证消息传输的可靠性。
进一步，所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法中消息收发客户端在云端和边缘均进行部署。它使用证书文件来进行身份验证建立与边缘叶节点消息服务器和云端消息服务器集群的连接。它处理接收到的数据，并提供标准接口供其他应用程序使用。它支持MQTT，可以在边缘的物联网设备和云中心之间更好地交换数据。当连接的服务器因任何原因宕机时，消息收发客户端能够立即连接到其他可用的集群消息服务器成员并重新建立所有订阅。在短暂的离线期间，消息收发客户端将缓存消息，直到重新连接服务器并发送这些缓存的消息。它还使用确认模式来建立额外的可靠性。它限制了连接到消息服务器所需的时间，并且可以在超时之前自动重试重新连接。
另一方面，所述中心云端和所述边缘端进行大文件传输时，在云边具备了消息通信能力的基础上，文件传输功能的实现借助于Kubernetes用户自定义资源扩展特性，基于Kubernetes Operator实现文件同步控制组件。基于不同的文件传输路径边缘端创建文件采集组件，边缘不同的文件采集端连接至云端对应的文件接收组件。边缘端上传文件后，文件会被同步至云端文件接收组件挂载的存储中。在构建CRD及其控制器时，我们使用名为了Operator Framework的开发工具包，它可以快速构建一个Operator项目，自动生成代码。我们在控制器程序中加入了相应的指标、事件记录、日志记录等，以便于查看、汇总和分析。通过operator模式，现在我们可以通过在Kubernetes中创建一个自定义资源来实现灵活的部署工作：由控制器读取自定义资源中的不同配置，实现自动化部署不同参数的云边消息系统的发送端deployment或者接收端deployment。
进一步，所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法中中心云端和所述边缘端通过GRPC流式传输的方式进行大文件传输，其中消息支持gRPC流式传输，消息从边缘应用发送至边缘消息服务端再到中心节点消息服务端再由云端应用接收，整个传输过程都可以进行流式传输，具体是对于边缘端连接消息服务端或者云端连接消息服务端都通过gRPC通道进行消息的流式传输，对于边端节点和云端中心节点也通过gRPC通道进行消息的流式传输。在每个流式传输步骤中，消息是通过一段一段的消息流连续不断进行传输，如果出现网络故障导致传输异常，会对传输异常开始位置继续进行传输以实现断点续传。大消息通过整体流程的流式传输，既实现了消息稳定高效传输，又实现了消息传输故障异常下的继续传输。
本发明还提供计算机可读介质，所述计算机可读介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在被处理器执行时，使所述处理器执行所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法。具体地，可以提供配有存储介质的系统或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机(或CPU或MPU)读出并执行存储在存储介质中的程序代码。
在这种情况下，从存储介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此程序代码和存储程序代码的存储介质构成了本发明的一部分。
用于提供程序代码的存储介质实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上下载程序代码。
此外，应该清楚的是，不仅可以通过执行计算机所读出的程序代码，而且可以通过基于程序代码的指令使计算机上操作的操作系统等来完成部分或者全部的实际操作，从而实现上述实施例中任意一项实施例的功能。
此外，可以理解的是，将由存储介质读出的程序代码写到插入计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展单元中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展单元上的CPU等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施例中任一实施例的功能。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (9)
1.一种边缘计算场景下的云边消息通信方法，其特征是建立云边数据协同架构，所述云边数据协同架构包括中心云端和边缘端，所述中心云端包括分布式消息流服务端、消息收发客户端、账户安全管理组件、文件同步组件和文件接收组件，所述边缘端包括消息服务端、消息收发客户端和文件采集组件，
所述中心云端和所述边缘端进行短消息通信：账户安全管理组件创建用户证书和管理用户权限，所述分布式消息流服务端创建Kubernetes用户自定义资源stream和consumer，通过stream定义消息主题字段，根据消息主题利用stream和consumer建立云边短消息通道，所述分布式消息流服务端与消息服务端经用户证书认证后通过云边短消息通道进行短消息通信，
所述中心云端和所述边缘端进行大文件传输：所述分布式消息流服务端基于Kubernetes Operator组建文件同步组件，所述边缘端基于不同的文件传输路径创建所述文件采集组件，通过所述文件采集组件连接所述文件同步组件，通过文件同步组件将文件同步到文件接收组件，通过文件接收组件将文件传输至分布式消息流服务端。
2.根据权利要求1所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法，其特征是所述中心云端的消息收发客户端经用户证书认证将短消息发送至所述分布式消息流服务端，所述分布式消息流服务端经用户证书认证将所述短消息根据消息主题发送至边缘端的消息服务端，所述消息服务端经用户证书认证将所述短消息发送至边缘的消息收发客户端。
3.根据权利要求1或2所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法，其特征是所述边缘端的消息收发客户端经用户证书认证将短消息发送至所述消息服务端，所述消息服务端经用户证书认证将所述短消息根据消息主题发送至中心云端的分布式消息流服务端，所述分布式消息流服务端经用户证书认证将所述短消息发送至中心云端的消息收发客户端。
4.根据权利要求1所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法，其特征是所述中心云端以集群方式部署分布式消息流服务端，分布式消息流服务端集群利用RAFT协议同步状态和数据，所述分布式消息流服务端集群利用RAFT协议选举集群领导者，通过集群领导者接收消息收发客户端的日志条目。
5.根据权利要求1所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法，其特征是所述stream还定义短消息的存储方式和持久化方式，以及对总共存储的短消息数量、消息总共占用的空间大小及消息的留存时间进行限制。
6.根据权利要求1所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法，其特征是所述账户安全管理组件创建账户，根据账户创建用户证书，通过账户发布用户权限，并通知分布式消息流服务端用户证书信息和用户权限的变更。
7.根据权利要求1所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法，其特征是所述边缘端与中心云端的同一账户通信，发送和接收消息存放在同一账户之中，保障用于短消息通信的相同消息主题不穿越账户边界引发冲突。
8.根据权利要求1所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法，其特征是中心云端和所述边缘端通过GRPC流式传输的方式进行大文件传输。
9.计算机可读介质，其特征是所述计算机可读介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在被处理器执行时，使所述处理器执行权利要求1至8任一项所述的一种边缘计算场景下的云边消息通信方法。
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