KubeEdge之设备管理：如何在云端点亮您家的灯

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边缘计算与KubeEdge

云计算离终端设备（如摄像头、传感器等）较远，对于实时性要求高的计算需求，把计算放在云上会引起较长的网络延时、网络拥塞、服务质量下降等问题。而终端设备通常计算能力不足，无法与云端相比。在此情况下，边缘计算应运而生，将云端计算能力延伸到靠近终端设备的边缘节点，完美解决上述问题。

KubeEdge作为全球首个Kubernetes原生的开源边缘计算平台，依托Kubernetes的容器编排和调度能力，通过纳管用户的边缘节点，提供将云上应用延伸到边缘的能力，联动边缘侧和云端的数据，满足客户对边缘计算资源的远程管控、数据处理、分析决策、智能化的诉求。同时，在云端提供统一的设备/应用监控、日志采集等运维能力，为企业提供完整的边云协同一体化服务的边缘计算解决方案。

本文将介绍KubeEdge是如何在云端管理边缘侧的设备的，例如：用户只需在按下手机上app的一个按钮，就能打开自己家中的电灯。

设备孪生与KubeEdge设备管理

说到IoT设备，不得不提到一个概念叫做设备孪生Device Twin。设备孪生作为一种IoT设备元数据在应用平台上的虚拟映射，已经成为IoT设备管理的重要组成部分。IoT设备通常包含两类数据：一是不会改变的元数据，包括序列号、资产标识符、Mac地址等描述设备的详细信息，也可以称为设备的静态属性。另一类是设备的动态数据，包括特定背景下的设备专有实时数据，例如灯的开、关状态，也可以称为设备的Twin属性。设备孪生具有与物理设备相同的特性，便于设备与应用之间进行更好地通信。应用发送的命令首先到达设备孪生，设备孪生根据应用设置的Expected State进行状态更新，此外IoT设备实时反馈自身的Actual State，设备孪生同时记录IoT设备的Actual State和Expected State 。这种方式也使IoT设备在离线状况下再次上线时，设备的状态也能得到同步。

设备管理也是边缘计算中IoT场景的关键功能。KubeEdge作为一个云端和边缘侧都开源的边缘计算平台，除了实现云端应用的配置和下发之外，另一个很重要的功能就是在云端管理IoT设备，并且实现云边之间的设备状态同步。

KubeEdge设备管理组件

KubeEdge设备管理相关的组件如下：

• DeviceController：扩展的 Kubernetes 控制器，管理云端的设备信息以及云端与边缘侧设备的同步。

• CloudHub：WebSocket 服务端，负责监听云端资源变化, 缓存并发送消息到 EdgeHub。

• EdgeHub：WebSocket 客户端，包括同步云端资源更新、报告边缘节点和设备信息到云端等功能。

• DeviceTwin：负责存储设备状态并将设备状态同步到云端。

• EventBus：与 MQTT 服务器Mosquitto交互的客户端，为其他组件提供订阅和发布消息的功能。

• Mapper：用于连接和控制端侧设备，例如开、关灯。

KubeEdge通过CRD（Customer Resource Definition）扩展Kubernetes的API，扩展的API资源包括：Device和DeviceModel等，这样我们能在云端通过Kubernetes命令行工具Kubectl或其他方式对设备资源进行CRUD的操作。Device资源映射与各个边缘节点关联的设备，例如传感器。DeviceModel则是对一类设备定义的模板，方便用户可以在云端依据DeviceModel模板轻易地完成对Device资源的批量操作。

使用KubeEdge点亮您家的灯

在云端点亮您家的灯，让我们来看看KubeEdge如何实现这件有趣的事情？一个设备孪生的参考示例如下所示：

这里就需要用到上面提到Device Twin。例如灯的元数据信息以Json的格式描述如上，包含静态属性attributes和动态属性twin。这里定义一个名为powerstatus的twin属性，它的expected值和actual值可以为ON或者OFF。设备自身可以上报powerstatus的actual值到云端，云端则可以通过修改为powerstatus属性的expected值来控制边缘侧灯的开、关。

首先我们看看如何上报灯的powerstatus的actual值到云端：

1. Mapper实时上报实际状态Actual State给MQTT服务器Mosquitto。

2. EventBus从Mosquitto收到订阅消息，消息内容包含设备的实际状态Actual State。

3. EventBus把设备实际状态Actual State发送给Device Twin。

4. Device Twin更新设备实际状态Actual State到边缘节点本地的轻量级数据库，例如SQLite。

5. Device Twin同步实际状态Actual State给WebSocket客户端EdgeHub。

6. EdgeHub发送消息给WebSocket服务端CloudHub。

7. CloudHub回馈消息给DeviceController。

8. DeviceController同步实际状态Actual State到Kubernetes API Server。

最后用户就能在云端查询设备的powerstatus的actual值，获取到边缘侧设备上的灯开、关的实际状态。

加入KubeEdge

设备管理毫无疑问是边缘计算IoT场景中十分关键的特性，目前KubeEdge的设备管理特性仍在开发之中，将会在0.3版本发布，敬请期待。

KubeEdge作为一个100%开源的项目，十分欢迎您的加入。KubeEdge Github项目地址：

https://github.com/kubeedge/kubeedge