KubeEdge之設備管理：如何在雲端點亮您家的燈

邊緣計算與KubeEdge

雲計算離終端設備（如攝像頭、傳感器等）較遠，對於實時性要求高的計算需求，把計算放在雲上會引發較長的網絡延時、網絡擁塞、服務質量降低等問題。而終端設備一般計算能力不足，沒法與雲端相比。在此狀況下，邊緣計算應運而生，將雲端計算能力延伸到靠近終端設備的邊緣節點，完美解決上述問題。

KubeEdge做爲全球首個Kubernetes原生的開源邊緣計算平臺，依託Kubernetes的容器編排和調度能力，經過納管用戶的邊緣節點，提供將雲上應用延伸到邊緣的能力，聯動邊緣側和雲端的數據，知足客戶對邊緣計算資源的遠程管控、數據處理、分析決策、智能化的訴求。同時，在雲端提供統一的設備/應用監控、日誌採集等運維能力，爲企業提供完整的邊雲協同一體化服務的邊緣計算解決方案。

本文將介紹KubeEdge是如何在雲端管理邊緣側的設備的，例如：用戶只需在按下手機上app的一個按鈕，就能打開本身家中的電燈。

 

設備孿生與KubeEdge設備管理

說到IoT設備，不得不提到一個概念叫作設備孿生Device Twin。設備孿生做爲一種IoT設備元數據在應用平臺上的虛擬映射，已經成爲IoT設備管理的重要組成部分。IoT設備一般包含兩類數據：一是不會改變的元數據，包括序列號、資產標識符、Mac地址等描述設備的詳細信息，也能夠稱爲設備的靜態屬性。另外一類是設備的動態數據，包括特定背景下的設備專有實時數據，例如燈的開、關狀態，也能夠稱爲設備的Twin屬性。設備孿生具備與物理設備相同的特性，便於設備與應用之間進行更好地通訊。應用發送的命令首先到達設備孿生，設備孿生根據應用設置的Expected State進行狀態更新，此外IoT設備實時反饋自身的Actual State，設備孿生同時記錄IoT設備的Actual State和Expected State 。這種方式也使IoT設備在離線情況下再次上線時，設備的狀態也能獲得同步。

設備管理也是邊緣計算中IoT場景的關鍵功能。KubeEdge做爲一個雲端和邊緣側都開源的邊緣計算平臺，除了實現雲端應用的配置和下發以外，另外一個很重要的功能就是在雲端管理IoT設備，而且實現雲邊之間的設備狀態同步。

 

KubeEdge設備管理組件

KubeEdge設備管理相關的組件以下：

• DeviceController：擴展的 Kubernetes 控制器，管理雲端的設備信息以及雲端與邊緣側設備的同步。

• CloudHub：WebSocket 服務端，負責監聽雲端資源變化, 緩存併發送消息到 EdgeHub。

• EdgeHub：WebSocket 客戶端，包括同步雲端資源更新、報告邊緣節點和設備信息到雲端等功能。

• DeviceTwin：負責存儲設備狀態並將設備狀態同步到雲端。

• EventBus：與 MQTT 服務器Mosquitto交互的客戶端，爲其餘組件提供訂閱和發佈消息的功能。

• Mapper：用於鏈接和控制端側設備，例如開、關燈。

KubeEdge經過CRD（Customer Resource Definition）擴展Kubernetes的API，擴展的API資源包括：Device和DeviceModel等，這樣咱們能在雲端經過Kubernetes命令行工具Kubectl或其餘方式對設備資源進行CRUD的操做。Device資源映射與各個邊緣節點關聯的設備，例如傳感器。DeviceModel則是對一類設備定義的模板，方便用戶能夠在雲端依據DeviceModel模板輕易地完成對Device資源的批量操做。

 

使用KubeEdge點亮您家的燈

在雲端點亮您家的燈，讓咱們來看看KubeEdge如何實現這件有趣的事情？一個設備孿生的參考示例以下所示：

這裏就須要用到上面提到Device Twin。例如燈的元數據信息以Json的格式描述如上，包含靜態屬性attributes和動態屬性twin。這裏定義一個名爲powerstatus的twin屬性，它的expected值和actual值能夠爲ON或者OFF。設備自身能夠上報powerstatus的actual值到雲端，雲端則能夠經過修改成powerstatus屬性的expected值來控制邊緣側燈的開、關。

首先咱們看看如何上報燈的powerstatus的actual值到雲端：

1. Mapper實時上報實際狀態Actual State給MQTT服務器Mosquitto。

2. EventBus從Mosquitto收到訂閱消息，消息內容包含設備的實際狀態Actual State。

3. EventBus把設備實際狀態Actual State發送給Device Twin。

4. Device Twin更新設備實際狀態Actual State到邊緣節點本地的輕量級數據庫，例如SQLite。

5. Device Twin同步實際狀態Actual State給WebSocket客戶端EdgeHub。

6. EdgeHub發送消息給WebSocket服務端CloudHub。

7. CloudHub回饋消息給DeviceController。

8. DeviceController同步實際狀態Actual State到Kubernetes API Server。

最後用戶就能在雲端查詢設備的powerstatus的actual值，獲取到邊緣側設備上的燈開、關的實際狀態。

 

加入KubeEdge

設備管理毫無疑問是邊緣計算IoT場景中十分關鍵的特性，目前KubeEdge的設備管理特性仍在開發之中，將會在0.3版本發佈，敬請期待。

KubeEdge做爲一個100%開源的項目，十分歡迎您的加入。KubeEdge Github項目地址：

https://github.com/kubeedge/kubeedge