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  • 分享一个通信网关软件架构

    千次阅读 2018-04-12 19:11:55
    问: 1、首先何为通信网关? 2、通信网关有何用处? 3、为什么要用通信网关? 答: 1、通信网关是一个包含丰富硬件通信接口和通信协议的通信代理设备,同时硬件接口和通信协议可按需定制、扩展。 2、如图1所示...

         问: 

         1、首先何为通信网关?

          2、通信网关有何用处? 

          3、为什么要用通信网关?      

         答:

          1、通信网关是一个包含丰富硬件通信接口和通信协议的通信代理设备,同时硬件接口和通信协议可按需定制、扩展。

          2、如图1所示,通信网关可通过代理使各种硬件设备接入互联网,同时通过扩展硬件接口和通信协议它几乎可以将任何含通信接口的硬件设备接入互联网。

          3、首先使用通信网关可使硬件设备更方便的接入互联网,针对互联网只需提供一套标准的通信协议和通信接口,让下层设备无需任何改动即可接入互联网,其次使用通信网关可减少对云服务器IP和端口的占用数量,同时可对通信网关进行管理实现下层设备的统一授权操作,如安全、加密等功能都可直接在通信网关上面完成。

                                                          

                                                                                图 1

           本文所述通信网关软件架构如图2所示。整个软件结构分为配置管理层、数据层、协议转换层、协议层、硬件接口抽象层、硬件接口层6大层次。


    图2 通信网关软件架构

    1、配置管理层

          配置管理层提供通信网关的参数查看和设置功能,采用web网页进行管理操作,实现方案为内嵌web服务器。

    2、数据层

          数据层数据分两个方面,一个是共享数据库,缓存各个通信协议采集到的数据;另一个是配置数据,保存通信管理机基本的配置参数。

    3、协议转换层

          协议转换层的主要功能是做协议转换,将A协议与B协议数据进行交换,协议转换层通常提供一个协议转换器集,针对不同协议之间的转换提供专门的转换器,在使用的时候通过配置管理进行工作。需要实现不同协议之间的转换时在该层增加协议转换器即可完成扩展,对以往的功能不造成影响。

    4、协议层

          协议层提供通信网关支持的协议集,需要增加通信协议的支持时,在该层添加实现新的协议即可。

    5、硬件接口抽象层

         该层提供抽象的硬件读写访问接口,对协议层提供统一的R/W接口,对硬件接口层做差异化的对接,以此增强软件的可移植性和可扩展性。

    6、硬件接口层

          该层提供具体的各种硬件接口的通信访问实现,并服务于硬件接口抽象层完成数据在通信线路上的读写传输。

    注:有兴趣者可加技术交流QQ992764510进行详聊。


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    边缘计算网关是实现物联网系统级应用不可或缺的设备,凭借边缘计算实时响应、节省数据通信高效、设备策略智能执行等优势,可应用的行业广泛覆盖了智慧路灯杆、5G多功能杆、智能输配电、工业机器人监测、机械设备监控、智能制造、智慧水利等。针对不同的行业和项目需求,如何定制适用性强、性价比高的边缘计算网关呢?

    边缘计算网关支持的定制内容包括品牌贴牌、通信协议定制、软件功能定制、硬件功能定制、结构尺寸定制等,不同的定制项可以针对性满足现场设备设施的通信需求、计算能力需求和设备接入需求。为了协助客户快速实现物联网+,佰马全系智能网关、边缘计算网关、智慧路灯杆网关支持非标定制,也可据客户要求进行专项研发设计。

    边缘网关定制.jpg

    边缘计算网关品牌贴牌定制

    贴牌定制主要为帮助客户快速形成企业竞争力优势,省去独立研发的资源投入和时间成本。边缘计算网关贴牌主要包括贴牌LOGO、产品名称型号,以及嵌入式系统软件的界面内容。

    边缘计算网关通信协议定制

    边缘网关进行通信协议定制,可以实现接入不同行业产业的特殊应用设备,例如BMG700边缘智能网关,支持定制开发透明传输、MQTT、TCP/IP、UDP、MODBUS、TFTP、HTTP等协议,实现智能照明灯控、监控摄像头、环境传感器、无线网络WiFi、广播喇叭、微基站接入等设备的便捷接入。

    边缘网关协议定制.jpg

    边缘计算网关硬件功能定制

    为适应复杂的工况环境和通信需求,网关可以选择进行硬件功能定制,例如高性能处理器芯片、4G/5G通信芯片、千兆级通信网口、工业串口、PoE供电口等,同时如果需要远距离打通多设备通信,还可以拓展网关WiFi,实现无线物联网接入。

    边缘计算网关软件功能定制

    边缘计算智能网关支持二次开发,BMG700网关集成Python开发环境和C语言开发环境,针对接入的设备能够定制管控模式、联动策略和响应机制,实现对设备远程智能监控,并且支持对接上云。

    边缘计算网关结构尺寸定制

    佰马边缘计算智能网关可根据在不同箱体内的设备安装要求,进行适配性定制,网关支持包括挂耳式、导轨式、嵌入式的结构设计和改造。

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    BMG800 系列边缘计算网关,产品采用高性能的工业级高端处理器,配备丰富的数据采集、控制与传输接口,集成 2G/3G/4G/NB-IoT/GPS/WiFi/有线等多种通信方式,集成强大的本地存储和外扩存储功能,为客户整合提供数据采集、本地存储、多种协议转换、智能网关、安全网关、全网通/4G 无线通信、数据处理转发、VPN 虚拟专网、WIFI 覆盖、本地与远程控制等功能。

    产品采用 Linux 操作系统,集成 Python 开发环境和 C 语言开发环境,支持 MQTT,设计完全满足工业行业需求,广泛应用于工业 4.0、工业远程监测、远程控制、远程维护、安全管理等领域。

    1、ARM 架构处理器,强大边缘计算能力

    2、丰富接口,方便现场设备广泛接入

    3、支持 MQTT,兼容协议广、开放包容,平滑接入各种云平台

    4、大容量本地存储,数据可保存 10 年

    5、兼容多种通信方式,专利技术保障无线通信“永久在线”

    6、数据 5 中心同步传输,管理协同更高效

    7、支持数据补传

    8、支持本地或远程配置升级,网关管理简便

    9、专为无人值守环境设计,适用恶劣工况环境

    10、7 英寸高清触摸屏(选配)

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    本发明涉及一种基于docker的边缘计算网关虚拟化方法,更具体说,它涉及一种通过docker容器自动化构建网关边缘计算服务的方法

    背景技术:

    随着物联网终端设备数量的快速增加,由于网络带宽有限,高昂的传输成本和较高的响应时延等问题,传统基于云服务的集中式数据处理方式已经不能有效处理网络边缘设备所产生的海量数据。而边缘计算的应用场景非常复杂,区别与传统的网关,需要提供智能化运算能力;所需的开发工具和编程语言的多样性,导致计算机编程技术百花齐放,无法形成统一的标准;设备终端的异构协议,边缘计算服务的多样性,也导致设备与程序维护的高额成本。

    docker是pass提供商doctcloud开源的一个基于lxc的高级容器引擎,源代码托管在github上,基于go语言并遵从apache2.0协议开源。docker技术利用linux内核虚拟化技术(lxc),提供轻量级的虚拟化,以便隔离进程和资源。

    以docker为主的容器技术,使得越来越多的工具服务通过容器封装、分发和运行,边缘计算网关并不像云平台拥有理论上无限的计算资源,所以对资源隔离带来的额外开销比较敏感。同时边缘计算平台的运算请求通常是事件驱动式的,特定的工作负载通过容器封装,不需要常驻内存的特性,正满足了边缘计算平台的需求。所以基于docker技术,将边缘计算网关虚拟容器化编排运行,正是边缘计算服务化的趋势。本专利的重点是提出一种基于docker的通用边缘计算网关虚拟化方法。

    技术实现要素:

    为了克服现有边缘计算网关在部署升级时的不足和高运维成本的不足,本发明提供一种稳定的、灵活的、安全的、通用的基于docker技术的边缘计算网关虚拟化方法。

    为了解决上述技术问题本发明提供如下的技术方案:

    一种基于docker的边缘计算网关虚拟化方法,包括如下步骤:

    步骤一:边缘计算服务生成镜上传至私有仓库,将需要部署至网关的边缘计算服务制作成镜像文件,并上传至docker的私有仓库保存;

    步骤二:运行边缘计算的网关设备须具备linux操作系统并支持运行docker服务,网关启动后安装docker服务和docker-compose工具,并运行基础服务,通过mqtt协议连接云平台,设备信息将在云端平台后台被持久化并显示在前端中进行交互;

    步骤三:在前端页面中,可进行虚拟化容器服务的配置,配置完成后可通过mqtt协议下发至边缘网关设备,并同步发送构建命令,在构建命令中,可通过两种方式进行服务配置,其一通过dockerfile脚本文件,脚本文件按照dockerfile既定语法进行撰写,将需构成边缘计算服务进行定制化配置;其二可通过通用配置面板进行相关配置,完后配置后,后台将生成相应的dockerfile文件,脚本文件生成后,通过mqtt协议进行文件下发至边缘网关设备中;

    步骤四:边缘计算服务构建,脚本文件下发后同步发送运行命令,根据是否属于更新命令,如为更新则先使用dockerstop和dockerrm命令暂停并销毁旧容器;如首次创建,则终端设备将按照要求从镜像仓库中拉取镜像并构建容器运行,同时根据脚本文件配置要求进行端口映射和内部网络配置,并运行容器,至此,边缘计算服务启动;

    步骤五:虚拟化边缘计算服务容器管理与更新,前端页面可对边缘网关设备进行docker命令控制,对虚拟化服务容器进行管理,并依据空中下载技术进行容器卸载更新操作。

    本发明中,基于docker技术对边缘计算服务进行虚拟化部署,包括浏览器前端、云端、边缘计算网关设备和边缘设备四部分。浏览器前端进行容器脚本文件的配制以及边缘计算网关设备的管理;云端运行管理后台,并使用私有镜像仓库管理docker镜像;边缘计算网关设备通过dockerfile构建容器提供边缘计算服务;边缘设备为边缘计算数据的提供者。

    本发明的有益效果表现在:(1)与目前主流方法相比,本发明可通过云端下发脚本文件的方式进行服务构建,消除了主流方法中对边缘网关设备进行实地个性化安装的限制。(2)本发明可通过云端命令方式对边缘设备网关内容器的运行进行管理,无需拆卸硬件设备,可使网关无感知的进行虚拟化服务的更新。(3)本发明使用docker容器进行边缘计算服务虚拟化,更加灵活的进行部署,可适应复杂的计算服务模式和场景。(4)本发明使用容器虚拟化技术,将服务进行隔离,在进程和资源层面互补干扰,增强了系统的稳定性和鲁棒性。(5)本发明实现了面向边缘计算网关的软件定义服务,具有较高的通用性。

    附图说明

    图1为基于docker的边缘计算网关虚拟化方法架构图;

    图2为构建边缘计算网关虚拟化方法流程图。

    具体实施方式

    下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

    参照图1和图2,一种基于docker的边缘计算网关虚拟化方法,包括如下步骤:

    步骤一:边缘计算服务生成镜上传至私有仓库,将需要部署至网关的边缘计算服务制作成镜像文件,并上传至docker的私有仓库保存;

    步骤二:运行边缘计算的网关设备须具备linux操作系统并支持运行docker服务,网关启动后安装docker服务和docker-compose工具,并运行基础服务,通过mqtt协议连接云平台。设备信息将在云端平台后台被持久化并显示在前端中进行交互;

    步骤三:在前端页面中,可进行虚拟化容器服务的配置,配置完成后可通过mqtt协议下发至边缘网关设备,并同步发送构建命令。在构建命令中,可通过两种方式进行服务配置,其一通过dockerfile脚本文件,脚本文件按照dockerfile既定语法进行撰写,将需构成边缘计算服务进行定制化配置;其二可通过通用配置面板进行相关配置,完后配置后,后台将生成相应的dockerfile文件,脚本文件生成后,通过mqtt协议进行文件下发至边缘网关设备中;

    步骤四:边缘计算服务构建,脚本文件下发后同步发送运行命令,根据是否属于更新命令,如为更新则先使用dockerstop和dockerrm命令暂停并销毁旧容器;如首次创建,则终端设备将按照要求从镜像仓库中拉取镜像并构建容器运行,同时根据脚本文件配置要求进行端口映射和内部网络配置,并运行容器,至此,边缘计算服务启动;

    步骤五:虚拟化边缘计算服务容器管理与更新,前端页面可对边缘网关设备进行docker命令控制,对虚拟化服务容器进行管理,并依据空中下载技术进行容器卸载更新操作。

    如图1所示,该方法主要涉及浏览器前端、云端、边缘计算网关设备以及边缘设备四部分。其中浏览器端主要展示前端管理平台,对边缘计算网关设备进行管理和服务容器的虚拟化配置。云端主要为平台后台和私有镜像仓库,通过http协议与前端进行交互。平台后台为前端提供服务接口,并下发容器的脚本文件,以及和边缘计算网关设备进行数据传输交互;私有镜像仓库为网关设备构建容器提供服务镜像。边缘计算网关设备通过mqtt协议与云端相连,并根据脚本进行容器构建以及为下端边缘设备提供边缘计算服务。边缘设备通过各类终端异构协议连接边缘计算网关设备。

    如图2所示,完成一次边缘计算网关设备的虚拟化服务构建包括如下步骤:

    步骤一:将通用的边缘计算服务代码制作成镜像文件,并上传至私有仓库备用;

    步骤二:设备初始化。选择可以安装linux(ubuntu或centos)的边缘计算网关设备,将linux系统安装到网关设备端,并安装相应的docker服务和docker-compose模块,同时安装基于mqtt协议的基础通讯模块,安装完毕后接入网络,云端后台接收到设备接入信息,并将信息持久化存储,在前端可查询到设备基本信息,至此设备初始化完毕;

    步骤三:边缘计算服务容器配置,可在前端选择对设备进行更新和服务容器的创建,并可选择是否自定义虚拟化服务容器,若选择自定义,则在前端编写dockerfile脚本文件,该文件可在设备运行并构建容器服务,若不选择自定义,则选择前端提供的通用容器构建服务,选择后通过http协议将配置信息传输至后台,并在后台生成响应的dockerfile文件,后台收到生成的dockerfile文件后,通过mqtt协议发至指定的边缘计算网关设备中;

    步骤四:边缘计算服务构建,边缘设备接收到dockerfile脚本文件后将文件保存至本地,并根据是否更新容器选择不同的操作,若更新,则先使用dockerstop和dockerrm命令销毁相应的旧容器,销毁后,使用docker-compose模块运行dockerfile脚本文件,docker服务会根据脚本文件中的定义从私有仓库中拉取镜像文件,生成容器部署至设备,容器与容器自称局域网进行通信,容器与主机之间组成host主机模式,与主机进行网络通信,同时主机通过端口映射将服务提供给下层设备,下层设备可以根据定义的端口或访问方式进行边缘计算服务的使用。

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