基于Kubernetes和OpenStack的开源项目在物联网的应用

日前在Austin举办的OpenStack 大会上介绍过基于Kubernetes和Openstack的开源物联网平台。我们来看看这两者的结合在物联网平台如何玩，先说说我们对物联网的解决方法和看法，再给大家展示两个案例。

视频链接

物联网（IoT）是云计算领域的“下一个大事件”。物联网意味着所有的事情，它甚至比云计算服务更加具体。物联网以增加机器间通信为中心，它建立在数据采集传感器网络和连接到云计算服务执行器的基础上。

我们来看看如何使用开源项目，来扩展云服务方法进而创建通用的物联网平台，可以处理多个用户案例。我们定义了以下要求：

开源软件
整个平台基于已存在的开源解决方案，我们想要使用的平台包括：OpenStack，Kubernetes，Docker，OpenContrail等。

HW和独立供应商
没有一家供应商的定位是既包括软件又包括硬件的。物联网网关CPU不是x86/64架构就是ARM架构。我们不想被锁定到用昂贵专用设备的供应商。

可互相操作
物联网平台对多种使用情况来说都是普遍可用的。比如，物联网网关也可用在计算对象的路灯，就如同用在智能工厂或者工业4.0应用程序。因此，我们设计了以下高层次的架构，这个架构使用的是开源项目，OpenStack，Kubernetes，OpenContrail和Docker。

传感器
任意用来阅读环境数据（温度，湿度，二氧化碳水平），对象，计数等等的传感器。

IQRF网络
IQRF是一个操作sub－gigahertz ISM bands的强大无线网格技术。能够很容易地跟传感器整合。

网关
在物联网网关，由IQRF协调员来处理从传感器传来的数据。这些可以是任意的x86/64或者ARM架构，这些基于Docker，Kubernetes，OpenContrail vRouter和Debian，从预构建镜像方面来运行系统。

网络
网关可通过任意网络连接（GSM／LTE／WiFi），因为SDN在Docker service和数据中心之间创建了动态L3VPN。

数据中心
数据中心包括了OpenStack和Kubernetes控制面板。这两个编排解决方法都使用OpenContrail作为单个SDN（软件定义网络）。这就可以从中心点管理整个平台。我们可以在本地远程开启任意Docker容器，然后创建动态连接到OpenStack上的service。OpenStack云容器数据存储和大数据进程services。

虚拟化／API 访问
所有数据在网络端口已经被虚拟化，而且可以通过REST API service访问。

下面，让我们来看两个案例。

案例1: 智能城市Smart City

第一个案例是捷克共和国Pisek城市的SmartCity项目。SmartCity概念和架构将会部署超过3000个端点，大约300个物联网网关，这些网关以高可用模式运行在由Kubernetes驱动的容器中。解决方案的一部分是开放数据门户，数据API对提供信息的第三方公司来说可用：

• 交通，路径，停车

• 监测，管理，节能

• 电子商务，市场，旅游信息

• 环境分析

• 生活方式，社会服务，社交网络

目标解决方案使用基于树莓派2的物联网网关作为物联网网关服务。网关的数据被存储在Graphite，由自定义的数据挖掘应用程序进行处理，结果已经被展示到基于LeonardoCMS的城市公民门户，这是一种允许混合复杂的可视化与任意内容的网页服务。这个开放数据门户使得数据能够通过可视化仪表或者API访问。

以下屏幕用特定时期内的车辆和行人展示了简单的从十字路口Kollarova X Zizkova输出。

案例2: 在Austin OpenStack峰会上的智能会议

为了证明我们的物联网平台在应用程序环境独立，我们从智能城市项目采取了一个物联网网关，然后和基于IQRF网状网络连接传感器（测量湿度，温度和二氧化碳水平）一起在OpenStack峰会上放入Austin会展中心。这说明了物联网网关管理和收集信息的能力，它可以从任意像IQRF，Bluetooth，GPIO之类的基于Linux平台通信技术获得信息。

我们用单个、主动的物联网网关在3楼会议部署了20个传感器和20个路由器，从整个IQRF网状网络接收数据并传送到专门的时间序列数据库，在这个例子里是Graphite。收集器是运行在由Kubernetes管理的Docker容器MQQT－Java桥。最有趣的就是运行在树莓派上的Docker容器，和运行在Europe数据中心的虚拟机。OpenContrail SDN提供动态网络覆盖tunnels。

以下图片展示了单个无线IQRF网状网络传感器和路由器发现。

IQRF是一个在sub－gigahertz频带上操作的无线网状网络技术。它提供非常简单的整合，产品互操作性，最大值240 hops的健壮网状网络，范围多达数百米，以及超低功率操作。

以下截屏从2楼不同的房间展示了各个时间下的CO2值。历史图表展示的是周一的情况。

从收集的Austin数据来看，以下图覆盖了services。

技术总览

所谓“物联网平台”，是用一般视角创建的，这个视角基于收集，管理和安全、动态处理成千上万的端点来集中管理。因此，架构会分成两个主要的部分：

1 数据中心

数据中心是整个物联网平台管理的重点。OpenStack IaaS云和虚拟机一起运行在SDN控制面板上。这些机器包括时间序列存储，处理数据集群，数据API代理服务，虚拟化网页服务等。

2 网关

物联网网关位于像路灯，工业设备，家用电器之类的目标地方。SDN提供传输层用云服务来连接远程物联网网关。网关可以是多平台的，有可能的话，可以将x86/64和ARM设备混合到一起。在单个网关为多个客户处理多个传感器平台，由于微服务分割（Docker容器）和Kubernetes 多租户支持。这个平台可以提供可伸缩的多租户空间。
以下图表展示了在网关方面的数据中心层和组件。这个章节的细节展示了更多信息。

细节图表

细节图表提供了整个物联网平台在本地的架构视图。左边展示的是数据中心，右边展示的是之前提到的网关。

就如同你在下面看到的那样，OpenStack被用作云来处理所有的control service，以及大数据处理，和之前提到的虚拟单元。在网关的Kubernetes被用于services的微分段，这对多租户和不同传感器间的安全来说十分有必要。

OpenContrail被用来连接这两边，并且提供Kubernetes PODs和OpenStack 项目虚拟机间的网络分段。

像上文提到的，SDN覆盖已经完成了分割。重要的是只有数据中心边界路由器和物联网网关之间的IP连接。最底层是网关OS和数据中心边界路由器之间的VPN，在这里OpenContrail可以直接在虚拟机（OpenStack云）和容器（网关）间交流。这个方法允许从不同的传感器和执行器选择，给予他们特权，并且安全地连接处理应用程序内部的云。

数据中心包括以下services：

管理services
HW集群用所有的control service来运行虚拟机：OpenStack controller，OpenContrail controller（SDN），Kubernetes master，SaltMaster。

OpenStack云
OpenStack项目为不同的虚拟机提供分段，虚拟机包括数据库（graphite，influxdb，openTSDB），大数据处理（Hadoop），数据虚拟化（Grafana，LeonardoCMS）。它运行在KVM超管理器上，并且为网络使用OpenContrail neutron插件。

边界路由器
OpenContrail创建iBGP，iBGP与数据中心边界路由器对等，在边界路由器上，从OpenStack虚拟机和物联网网关上的Kubernetes pods可以传播动态网络路由。它创建了标准的L3VPN，MPLSoverGRE或者MPLSoverUDP。

远程网关包括的组件：

Kubernetes Minion
Kubernetes minion与Kubernetes master在数据中心进行交流，并且通过kubelet管理PODs。Kubelet使用opencontrail插件，这个插件可以用vRouter代理连接Docker容器。

Kubernetes PODs
Kubernetes PODs连接到vRouter的单个或者多个容器组。PODs由标签进行分类。这就可以开启不同的应用程序，就可以从像IQRF，Bluetooth或者GPIO这样的消息总线读取。

Docker容器
Kubernetes PODs中的Docker容器带来无须任何特殊装置就可以轻松操作系统的巨大好处。比如IQRF用特定版本来使用简单的Java应用程序，这个版本用容器可以在几分钟内进行交付，而且不会导致跟操作系统网关不匹配的状况。

应用视图

下图提供了应用视图的模式。展示了虚拟机内部OpenStack云能够在任意地理位置L2或者L3上联系到Docker容器的状况，这得益于OpenContrail的覆盖。因此，应用程序开发者能够使用相同的工具，就如同他们在标准云中使用的那样。

比如，我们从环境传感器收集数据。传感器直接连接到容器，数据在容器中处理，之后发送到Graphite时间序列数据库。因为我们想要生动地实时显示数据，我们用读取GraphiyeAPI接口的Leonardo CMS来使用另一个虚拟机，并在网页上展现数据。根据这个，我们就可以在同一个由多个输入和输出的云中，依据相同的准则来创建不同的项目。

结论

以上简述了如何基于Kubernetes和OpenStack来做物联网平台的原型部署，目前我们正在为整个Smart City处理细节上的设计。
今年，在Austin的OpenStack峰会，以及London的KubeCon上，我们得到了很多反馈。对于处理安全问题，大家觉得我们提供的方法思路是可行的，抵抗属性和性能关系到物联网平台，以及很多技术合作伙伴都想要加入我们，跟我们一起努力，然后拓展我们的物联网平台到他们的解决方案。

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