5G时代边缘计算：LF Edge生态与EdgeGallery技术详解
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2.2　边缘计算架构设计原则

2.2.1　模型驱动

在边缘计算环境中，硬件与资源受限，导致需要差异化对待来自不同厂商的软硬件产品与服务；另外，极简运维又要求服务应标准化和模板化，尤其是服务快速部署和弹性运维是开展规模化边缘计算服务的前提。这就要求应对典型边缘计算场景、算力、带宽等资源进行标准化和模板化设计，实现快速复制和拓展。因此边缘计算系统应该是个模型驱动的系统。

介绍模型驱动前，需要介绍一下什么是模型。模型是对“事物”的一种抽象化表达，即从特定角度对系统进行描述，省略部分不重要的细节，聚焦感兴趣的特性。

模型驱动在软件开发领域有多种表达方式，比如MBD（Model Based Development，基于模型的开发）、MDD（Model Driven Development，模型驱动开发）、MDA（Model Driven Architecture，模型驱动架构）。模型驱动的核心是从模型中生成代码和其他开发过程中的组件，在解决领域问题的同时，提高生产效率。比如，发生需求变更时，软件设计不变或变更较少（模型不变）。与之对应的传统开发方式则是硬编码（即使用编程语言C、C++、Java、Python等编写代码）。但从本质上来说，只要是进行变更，就肯定需要某人/某个应用在某个地方进行某些修改，这样才能让变更真正生效。模型驱动的修改与硬编码方式的修改真正的差异在于谁负责修改、改什么（包括在哪修改）和影响多大。对于硬编码方式而言，所有变更都需要由原软件提供者来修改，且需要在实际产品代码上重新进行编译、发布、打包等操作，再经过商业交付流程提供给使用者。而使用者在此过程中只能等待，等待供应商提供修改后的版本，然后再经过入网测试、升级部署等流程才能在实际网络中使用。传统修改方式不仅代价大、周期长（一般以月为单位），而且多数情况下，产品升级还可能需要重启系统，影响较大。如果整个过程中发生任何问题，包括理解上的差异，很可能需要从头再来。

而对于模型驱动的架构，在进行变更时，平台开发者（比如边缘计算产品的供应商）不需要参与代码修改，平台本身也不需要停机，不需要进行重新编译、发布等开发过程，使用者通过修改外部（相对平台/边缘计算产品自身代码而言）的模型文件（TOSCA或YANG等）或插件（可能包括JavaScript、Python等动态语言）即可动态变更，这一开发过程可称为模型驱动的设计。当然，为了实现这一点，需要提前定义一些内容：模型的格式（模型文件应该如何描述）、模型生效的流程（模型如何加载、生效，如果中间出现错误如何处理等）。多数模型驱动的架构还会定义一些预定制的元模型或领域模型示例，以简化学习流程，加速在指定领域中的应用。

在本书中，模型驱动是指，系统支持在不修改自身框架代码的前提下，通过对模型进行组合/变更（新增、删除或修改），进而实现业务变更。上述这些一般通过修改某些脚本，或动态加载部分插件、驱动来实现。

注意

模型驱动并不意味着业务变更完全不需要修改代码，只是不需要修改系统自身的框架代码，即修改分成两部分：一部分是对平台的修改，尽可能少甚至不需要修改；另一部分是（在多数场景下）第三方（非系统开发人员）对模型进行组合与修改（也可能包括一些脚本的开发）。

1. 常见模型

常见模型包括信息模型、数据模型、对象实例（物理数据模型）以及元模型等，这些模型分别表示从现实世界到信息世界的不同层次的抽象。

□ 信息模型（Information Model，IM）：包括业务模型和概念模型，是对现实世界中真实事物的描述，不涉及具体软件实现，是根据现实世界中具体事物定义出的抽象概念（对象名称），例如员工、合同、客户、网络、站点、设备等，也包括这些抽象概念之间的关系，比如站点中“包含”设备，而交换机“属于”某种设备等。

□ 数据模型（Data Model，DM）：是对业务模型或概念模型的进一步分解和细化，包括所有的实体（抽象代表一类对象，员工代表所有具体的员工）和关系（实体间的关系）。需要确定每个实体的属性，定义每个实体的主键，指定实体的外键，需要进行范式处理。一般在软件设计中定义对应的数据/对象结构，比如员工包括工号—字符Char(8)、姓名—最长20个字符的可变字符串varchar(20)、年龄—数字integer、出生日期—日期date等。

□ 对象实例：用于在数据模型基础上定义每个具体的独立对象，比如某个具体员工A的工号是00123456，则员工A就是一个实例。

□ 元模型（Meta Data）：即模型的模型，是模型驱动设计中更高层次的抽象。一般针对特定领域的模型定义抽象概念（元模型），并用其构建该领域中的具体数据模型。比如在网络领域，IPV4（形如10.10.10.10的32位的对象）或IPV6（形如：1:123::ABCD:0:1/96的128位的对象）就可视为元模型，用它们的组合可表示新的模型对象，比如VPN（每个接入点都可以是IPV4/IPV6的IP地址）。

目前很多领域都有自己特有的模型和模型语言。下面就一一介绍。

2. 常见模型语言

（1）XML

XML（eXtensible Markup Language，可扩展的标记语言），1998年2月由W3C（World Wide Web Consortium，万维网联盟）正式批准定义的标准且通用的标记语言。“标记”指计算机所能理解的信息符号，通过标记，计算机之间可以处理包含各种信息的文档。在定义这些标记时，既可以选择国际通用的标记语言，比如HTML（Hyper Text Markup Language，超文本标记语言），也可以使用像XML这样由相关人士自由决定的标记语言，这就是语言的可扩展性。XML是由SGML（The Standard Generalized Markup Language，标准通用标记语言）简化修改而来的。XML是一套定义语义标记的规则，这些标记将文档分成很多部件并对这些部件加以标注，即定义了用于定义其他与特定领域中有关的、语义的、结构化的标记语言的句法语言（元标记语言）。

直白解释就是，XML是一种规则，其把一个文档划分为不同的层次或部分，并对这些层次或部分做好标记。这个文档支持不同领域，比如文学、物理、化学、音乐等。不同领域的文档可定义特有的领域语言（也用XML定义）。XML文档的字符分为标记与内容两类。标记通常以<开头，以>结尾；或者以字符&开头，以；结尾。

XML有如下几个特征：

□ 内容与形式分离，XML的设计宗旨是传输数据和存储数据，而不是显示数据。

□ 良好的可扩展性，标签没有被预定义，需要自行定义标签。

□ 具有自我描述性。

□ 遵循严格的语法要求。

□ 便于不同系统之间进行信息传输，是W3C的推荐标准。

一个简单例子如下：

<student>
    <age>19</age>
    <name>John</name>
    <school> Wuhan University</school>
</student>

以上XML脚本描述的是一个学生，记录了学生如下信息：年龄、姓名、学校。其中的<student>学生和<age>年龄等即为自定义标签（tag）。具体如图2-1所示。

图2-1　学生模型示意

（2）XML Schema

XML虽然可以描述一个对象（通过自定义标签），如上例所示，但对于计算机处理来说这是不够的，上述示例只能说是“语法正确”（术语称为well-formed XML），但不一定“合法”（术语称之为validating XML）。

比如年龄这个标签，在计算机处理中还需更进一步严格定义，数据类型是一个“数值”，而不是字符串。显然，说年龄是10（岁）是合法的（一个数值），而把年龄说成一个字符串“OK”或“非常大”，则是非法的。

为了约束一个字段或者说为了约束XML的类型，就有了XML Schema，它是一套W3C标准，即用于XML的模式定义语言，定义XML标记规范。

以下是一个对年龄进行约束的例子。年龄这个标签（XML也称为元素，element）有如下定义/约束：

□ value必须是整型（xs:integer）；

□ 取值范围必须是7～50。

<xs:element name="age">
    <xs:simpleType>
        <xs:restriction base="xs:integer">
            <xs:minInclusive value="7"/>
            <xs:maxInclusive value="30"/>
        </xs:restriction>
    </xs:simpleType>
</xs:element>

（3）YAML

YAML（Yet Another Markup Language，另一种标记语言）是一种以数据为中心的标记语言，是一种人性化的数据格式定义语言。数据组织主要依靠的是空白、缩进、分行等结构，相比XML其有如下优点：

□ 可读性好；

□ 和脚本语言的交互性好；

□ 使用实现语言的数据类型；

□ 有一致的信息模型；

□ 易于实现。

比如上面那个学生的例子，用YAML语言可表述为如下形式。

- student:
    name: John
    age: 19
    school:  Wuhan University
    friends:              # YAML用缩进后的横杠‘-’表示列表项的多个取值
      - 'mike'
      - 'Tom'

由于YAML有较好的可扩展性与可读性，且比XML编码效率更高，故在特定场景下具备明显优势。比如常用的动态语言（Python、Ruby等）就支持用YAML定义的数据结构与数据类型。一些常见的IT工具也使用YAML来定义模板，比如Heat、Cloud Formation、Saltstack、Puppet、Chef。

一个环境描述的Heat实例（包括对Nova、Database、Chef的定义）如下：

# Environment
environment: environment_1000_stag
    name: Rackspace Cloud US - staging
    Providers:
        Nova:
            id: nova
            vendor: rackspace
            provides:
            - compute: Linux
            - compute: windows
            constraints:
            - region: ORD
        Database:
            id: Database
            vendor: rackspace
            provides:
            - Database: MySQL
        Chef:
            id: chef-Server
            vendor: opscode
            provides:
            - Application: http 
            - Database: MySQL

（4）YANG

YANG是IETF在RFC 6020中定义的用于网络配置的数据模型描述语言，可支持NETCONF接口协议，实现网络配置的标准化，是一种DSL（领域特有语言）。

注意

NETCONF（Network Configuration Protocol）是一个网络配置管理协议，是由IETF标准组织定义的一套管理网络设备的机制。用户可使用这套机制增加、修改、删除网络设备的配置，获取网络设备的配置和状态信息。

YANG与XSD（XML Schema Definition）基本等价，也就是说YANG是一种Schema定义语言，而不是像XML或YAML一样用于数据的传输和存储。

从设备维护的角度，YANG将数据的层次结构模型化为一棵树，树中每个节点都有名称且有一个值或一个子节点集。YANG给节点提供了清晰简明的描述，同样提供了节点间的交互。相比XML Sechema，YANG语言定义的数据模型具有可读性好、简单易懂、可扩展的特点。当前YANG已在设备配置领域被普遍采用，IETF、ONF等标准组织都要求提交的模型用YANG来写。其他组织（如Openconfig、OpenDayLight等）也普遍支持YANG。

用YANG定义一个RPC（远程进程调用）的示例代码如下所示。

rpc activate-software-image {
    input {
        leaf image-name {
            type string;
        }
    }
    output {
        leaf status {
            type string;
        }
    }
}

上述示例表示一个activate-software-image的远程调用方法，输入是一个string参数image-name，输出是string类型的status。

（5）TOSCA

TOSCA（Topology and Orchestration Specification for Cloud Applications）是一种数据建模描述语言，一种面向云计算环境中的应用拓扑和编排描述语言，由OASIS组织（https://www.oasis-open.org/）制定，目前支持YAML和XML实现。

TOSCA基本概念有两个—节点（node）和关系（relationship），且都可通过程序来扩展，同时TOSCA规范中也支持Plan（即Workflow工作流文件）。

节点预定义了很多基础类型，包括云基础设施中常用的计算节点、网络节点、数据库节点等。

关系定义了节点之间的关联关系，常见关系类型如下。

□ DependsOn（依赖）：表示节点间的顺序依赖关系，一般影响实例化过程中的创建顺序，比如A节点依赖B节点，则在创建A对象前须先创建B。

□ HostedOn（运行）：比如“MySQL数据库”与“计算机”的关系就是HostedOn的关系，即数据库运行在计算机上。

□ ConnectsTo（连接）：表示连接关系。

TOSCA面向云计算环境中的应用拓扑和编排场景预定义了一些属性，因此一般认为较适合用于满足以下需求：

□ 自动化部署和管理软件。

□ 应用生命周期（安装、扩容、卸载等）管理方案的可移植性（注意：不是应用本身的可移植性）。

□ 组件之间的互操作性和重用性。

注意

OpenStack中的Heat子模块也是基于TOSCA标准的。

YANG、TOSCA都具备较强的扩展能力。笔者认为，语言本身没有本质区别，也不存在谁一定更适合某领域的说法，这更多是不同领域使用习惯的问题。而且IETF、OASIS等组织也都在不断扩展这两种语言。比如，NFV领域的VNFD就是用TOSCA来描述文件的（可以是YAML或XML格式），描述项包括安装软件过程中都有哪些组件、组件之间有什么依赖关系等。当然，实际运行时还需要TOSCA运行态环境来对TOSCA文件进行读取（分析文件的语法、语意）和解释执行（进行具体的软件安装、配置工作）。

下面看一个TOSCA描述文件（称为Service Template）示例。该示例包括一个名为my_Server的节点，类型是TOSCA.nodes.Compute，该类型预置了两个capabilities（能力）信息，一个是host，定义了硬件信息；另一个是os，定义了操作系统信息。

该示例代码如下：

TOSCA_definitions_version: TOSCA_simple_YAML_1_0
description: Template for deploying a single Server with predefined properties.
topology_Template:
    node_Templates:
        my_Server:
            type: TOSCA.nodes.Compute
            capabilities:
                host:
                    properties:
                        num_cpus: 1
                        disk_size: 10 GB
                        mem_size: 4096 MB
                os:
                    properties:
                        architecture: x86_64
                        type: Linux 
                        distribution: rhel 
                        version: 6.5

TOSCA脚本还可用于表达对输入、输出的建模。比如，以下代码就定义了一个TOSCA.nodes.DBMS.MySQL新节点类型。该类型允许接收root_password和port的参数。在requirements里定义了MySQL这个节点，该节点需要安装到db_Server节点上，这就是“关系”。

topology_Template:
    inputs:
        # 略
    node_Templates:
        MySQL:
            type: TOSCA.nodes.DBMS.MySQL
            properties:
                root_password: { get_input: my_MySQL_rootpw }
                port: { get_input: my_MySQL_port }
            requirements:
                - host: db_Server
        db_Server:
            type: TOSCA.nodes.Compute
            capabilities:
                # 略
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