使用 Docker 进行快速 IoT 部署

August 16, 2018

Patrick Mannion

随着 IoT 端点数量的成倍增长，使用其数据的服务也不断增加，这就需要以更具可扩展性的方式协调和部署软件。

像 Docker 这样的容器技术对解决这一挑战有很大帮助。容器化代码可以跨分布式系统集中编排，从而可以更轻松地扩展设计。容器还提供了硬件抽象层，允许它们在 IoT 端点中常见的各种系统上运行。

但这只是解决了问题的一半。与 IoT 端点一样，IoT 服务多种多样，而且使用许多不同的 API 和消息传输协议。为了在异构的设备和服务组合之间传输数据，开发人员需要一个可以在所有这些系统之间转换消息的通信中心。

这些挑战导致结合了容器化和消息传输的平台的兴起。借助这些平台，开发人员可以在云中创建 Docker 化的工作负载，将其部署到边缘设备、在本地分析数据并进行适当响应。然后，边缘设备可以将数据和结果推送回云中，以便根据需要进行远程监控（图 1）。

图 1. Azure IoT Edge 等平台支持 Docker 化的工作负载配置和端到端消息传输。（资料来源：Microsoft）

在本文中，我们将介绍一种此类服务，即 Microsoft Azure IoT。

容器化过程

Azure IoT 是用于开发、部署和管理 IoT 应用的云平台。除其他功能外，该平台还提供各种可加快产品上市的服务模块，例如机器学习和数据流分析。

虽然这些云服务很有用，但是使平台真正有价值的是它能够将工作负载推送到边缘。借助最近发布的 Azure IoT Edge 2.0，开发人员可以使用 Docker 对模块进行容器化，并将它们部署到运行 Linux 或 Windows 的设备上。通过这种方式，云智能和分析可以扩展到从 Raspberry Pi 到功能强大的工业网关等各种设备。

为了管理这些不同的端点，IoT Edge 与 Azure IoT Hub 紧密合作。此服务支持身份验证并建立与 IoT 设备的通信，同时自动执行设备注册和配置。IoT Hub 还可用作容器化模块的注册表、安全消息传输的渠道以及已部署模块的远程管理连接。

如图 2 所示，使用 IoT Edge 的过程如下：

创建 IoT Hub（或使用已建立的 IoT Hub）
将 IoT Edge 设备注册到该 IoT Hub
启动 IoT Edge 运行时
将模块远程部署到 IoT Edge 设备

图 2. Azure IoT Edge 允许使用 Docker 对模块进行容器化，并通过安全消息传输进行远程管理。（资料来源：Microsoft）

边缘设备上的 IoT Edge 运行时负责基本服务，例如边缘设备离线时的安全、数据存储和转发，以及管理与 Internet 隔离的系统（例如连接到边缘设备的传感器）。它还管理模块和云之间的通信。例如，机器学习 (ML) 模块可能仅向云发送警报，而不是向所有数据发送警报（图 3）。

图 3. Azure Edge IoT 运行时控制包含所需功能和服务的 Docker 模块。（资料来源：Microsoft）

IoT Edge 使用与 IoT Hub 相同的 API，因此网关可以像本地 IoT Hub 一样工作。“通过这种方式，这些模块可以预先配置并在存储库中的云中运行，同时等待被移除。” Microsoft 技术专家 Brett Stateham 说。

预先打包的服务和定制服务

当预先打包的服务可用时，开发人员可以自由复制其中的内容并对其进行修改。或者他们可以使用他们选择的语言从头开始编写自己模块的代码，并使用 Docker 对其进行打包。“所以，它的可扩展性极强。” Stateham 说。

这些服务包括商务智能分析、人工智能和机器学习以及移动服务等等。但是任何服务都可以访问数据，因为 Azure IoT Hub 支持 Python、Java、PHP 和 .Net 的开放 API 和 SDK。“最糟糕的情况是，一些标准的 REST API 能够使用这些消息。” Stateham 说。

使用安全的消息遥测传输（例如 AMQPS、MQTTS 和 HTTPS）从边缘设备安全地传输数据，并且一旦对数据进行存储，它就可用于可能想要读取它的任何后端服务。IoT Edge 和 IoT Hub 使用相同的安全消息传输协议，因此简化了通信、配置、注册和整体管理。

部署到边缘硬件

虽然 IoT Edge 可以在各种设备上运行，但许多现有系统都不具有对 Internet 连接的本地支持。例如，传感器模块可能具有用于 Modbus 或 CAN 总线的有线接口，或用于低功耗蓝牙 (BLE) 的无线接口，但不具有 TCP/IP 堆栈，无法将数据直接推送到云。

Stateham 表示，这就是英特尔^® NUC 等设备的用武之地（图 4）。这些设备可以运行 Windows 10 或 Wind River Linux 并部署在边缘。“它的上面有 USB 端口、Wi-Fi 和其他一些很酷的东西。” 他说，“它可以用来与 BLE 模块通信，这些模块可以从那里连接到云。” 同样，对于任何其他有线或无线模块或传感器，它们可以作为聚合点连接到网关。