CN111061491A - 一种基于lxc容器技术的边缘计算网关管理***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及边缘计算领域，尤其是一种基于LXC容器技术的边缘计算网关管理***。本发明提供的边缘计算网关管理***包括：边缘计算网关集群和云服务器；边缘计算网关集群包括若干个边缘计算网关，边缘计算网关中部署有若干个LXC容器；云服务器中设置有IoT云管理平台和LXC容器镜像库，其中IoT云管理平台负责对整个网关集群进行统一管理和监控，LXC容器镜像库中存有LXC容器基础镜像；边缘计算网关集群中的各个边缘计算网关与云服务器建立通讯连接，共同构成一种轻量级、灵活、可定制的容器化平台。本发明还公开了一种应用本***的边缘计算网关管理方法，基于该方法，用户可以快速批量部署应用，实现应用间的资源隔离，能够满足多种物联网应用场景。

Description

一种基于LXC容器技术的边缘计算网关管理***及方法
技术领域
本发明涉及边缘计算领域，尤其是一种基于LXC容器技术的边缘计算网关管理***。
背景技术
目前，随着物联网的快速发展和5G无线网络的逐渐普及，万物互联成为一种趋势。随着网络边缘设备数量的迅速增加，传统的以云计算模型为核心的集中式大数据处理方式已经不能高效及时的处理海量数据。边缘计算提出将数据在边缘进行处理，能够高效、及时、安全的处理终端数据，极大的减轻了云计算中心的压力，成为了物联网领域一种新的趋势。
在云计算平台上，通常采用以Docker为代表的容器技术。Docker容器是一个开源的应用容器引擎，让开发者可以打包他们的应用以及依赖包到一个可移植的容器中，然后发布到任何流行的Linux机器上，从而实现虚拟化，具有高资源利用率与资源隔离、跨平台、易于部署、统一管理等优点。但是在边缘计算领域，由于边缘计算网关设备功能单一，资源有限，功能复杂的Docker容器显得过于庞大和冗余，需针对边缘计算网关的特点设计出一种轻量级、灵活、可定制的容器化管理***。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出了具有轻量级、灵活、可定制特点的一种基于LXC容器技术的边缘计算网关管理***及其管理方法。
本发明提供的基于LXC容器技术的边缘计算网关管理***，包括：
边缘计算网关集群和云服务器；边缘计算网关集群包括若干个边缘计算网关，边缘计算网关中部署有若干个LXC容器；云服务器中设置有IoT云管理平台和LXC容器镜像库，其中IoT云管理平台负责对整个网关集群进行统一管理和监控，LXC容器镜像库中存有基础镜像；边缘计算网关集群中的各个边缘计算网关与云服务器建立通讯连接。
优选的，还包括用户终端：用户终端用于通过IoT云管理平台对***中的各个边缘计算网关进行统一管理和监控。
优选的，所述边缘计算网关还包括底层硬件、连接底层硬件和LXC容器的Linux内核层、容器管理进程和即时通讯协议代理；
所述底层硬件用于完成存储、计算和通信功能；
所述Linux内核层用于通过设备描述的方式抽象边缘计算网关的所有通信接口，并根据需要将设备描述挂载到相应的容器当中；
所述容器管理进程负责对LXC容器进行管理和监控，并且作为边缘计算网关和IoT云管理平台之间交互的接口，用以接收来自IoT云管理平台的相关命令并执行，以及上传LXC容器的相关信息。
优选的，每一个LXC容器中设置有一个应用程序。
优选的，边缘计算网关还设置有管理容器的API调用接口。
一种基于LXC容器技术的边缘计算网关管理方法，所述方法应用于上述***，所述方法包括以下步骤：
用户通过应用终端选择镜像方式创建LXC容器镜像，或者选定既定边缘计算网关通过克隆方式在原有LXC容器基础上克隆一个新的LXC容器；
用户通过IoT云管理平台选定要安装的边缘计算网关，推送包含有应用程序的LXC容器镜像或者IoT云管理平台直接向克隆过LXC容器的边缘计算网关推送应用程序的安装文件和配置信息，下发安装命令，边缘计算网关内的容器管理进程根据命令进行安装；
LXC容器安装后，容器管理进程监控管理网关内运行的LXC容器状态，并将相关信息上传至云服务器，同时接收来自云服务器的信息。
优选的，创建容器镜像的过程还包括：LXC容器内的应用程序通过本地安装和远程安装，所有的应用程序均以Linux service的方式由Linux systemd进行统一管理，Linuxsystemd可配置应用程序在异常退出后重新启动。
优选的，LXC容器内的应用程序通过即时通讯协议MQTT连接到即时通讯协议代理MQTT Broker上与外部进行通信。
优选的，安装过程的另一种方式为：用户通过SSH登录网关，从LXC容器镜像库中下载LXC镜像，再进行安装。
与现有技术相比，本发明的一种基于LXC容器技术的边缘计算网关***具有以下特点和优点：
1、本平台拥有容器化技术的基本优点—高资源利用率与资源隔离、跨平台、易于部署和统一标准等。
2、基于边缘计算网关特点定制的、轻量化的容器化平台，占用资源少，也更为灵活。
3、IoT云管理平台对边缘计算网关集群进行统一管理和监控，不仅能够实时查看整个***的工作状态，还能对各个边缘计算网关进行远程管理，降低管理难度。
4、由于边缘计算网关还设置有管理容器的相关API调用接口，拥有二次开发的能力，用于适应各种类型的网关设备。
5、本轻量级的基于LXC容器技术的边缘计算网关，用户可以快速批量部署应用，实现应用间的资源隔离，能够满足多种物联网应用场景。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例中一种基于LXC容器技术的边缘计算网关***框架；
图2为实施例中边缘计算网关的结构示意图；
图3为实施例中镜像安装的流程图；
图4为实施例中克隆安装的流程图。
具体实施方式
以下，结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
图1所示，一种基于LXC容器技术的边缘计算网关***框架包括：边缘计算网关集群和云服务器；边缘计算网关集群包括若干个边缘计算网关，边缘计算网关中部署有若干个LXC容器；云服务器中设置有LXC容器镜像库，LXC容器镜像库中存储有基础镜像；云服务器还设置有IoT云管理平台，用于对整个网关进行统一监控和管理；边缘计算网关集群中的各个边缘计算网关与云服务器建立通讯连接。***还包括用户终端：用户终端用于通过IoT云管理平台对***中的各个边缘计算网关进行统一管理和监控。
其中，LXC容器镜像仓库用于存储LXC基础镜像文件；根据CPU类型提供了armel(软浮点)、armhf(硬浮点)、amd64、i386、Risc-v等基础镜像，用户可以根据边缘计算网关的实际硬件选择合适的基础镜像，再在本地根据应用场景对基础镜像进行裁剪。
IoT云管理平台是一个基于Web的平台***，用于实现对整个边缘计算网关***的统一管理和监控；上行方面——(1)管理边缘计算网关的心跳信息，如没有心跳则认为该边缘计算网关掉线；(2)收集各个边缘计算网关上报的告警信息；(3)当边缘计算网关出现问题时可远程登录查看；(4)根据需要远程下载某个边缘计算网关的日志信息；下行方面——(1)下发配置信息到某个边缘计算网关；(2)LXC容器管理，比如LXC容器远程安装、远程卸载、远程监控等；(3)应用程序管理，比如应用程序远程安装、应用程序远程卸载、应用程序远程监控等；(4)推送服务，根据业务场景推送一些服务，如推送标准时间用于设备进行时间校准。
图2所示，为实现轻量级、灵活、可定制的容器化平台，进一步设计了基于LXC的边缘计算网关内部框架，边缘计算网关还包括底层硬件、连接底层硬件和LXC容器的Linux内核层、容器管理进程和即时通讯协议代理MQTT Broker；
其中，底层硬件是网关的底层硬件，用以存储、计算和通信；
Linux内核层通过设备描述的方式抽象边缘计算网关的所有通信接口，并根据需要将设备描述符挂载到相应的容器当中；图示中，DI/DO(Date Input/Date Output)表示数据输入、数据输出；RS232和RS485代表串行通讯标准，边缘计算网关内部可通过串口进行通讯，使软件层和硬件层可以连接；Ethernet表示以太网；NB-IoT和LoRa都是远距离无线传输，但各自的应用领域不同，LoRa比较适合局域网，自己管理数据，自己架设基站进行数据处理，比如一个农场、一个蔬菜基地等，而NB-IoT较适合广域网部署，应用领域比较适合广泛部署，用户根据自己的需求可以选择不同的传输方式，使整个***可以适应于不同的状况。
容器管理进程是一个后台守护进程，主要负责LXC容器的管理和监控，具体为：1)记录LXC容器的生命周期过程，包括创建、修改和销毁。2)边缘计算网关和IoT云管理平台之间交互的接口，负责接收来自IoT云管理平台的相关命令并执行，以及相关信息的上传，IoT云管理平台可远程查看LXC容器的状态信息。3)监控LXC容器的工作状态，如运行状态、IP地址、CPU占用率、内存占用率、存储占用率等。4)告警上报，如***掉电、硬件错误、环境温度和湿度过高过低，以及LXC容器和应用程序异常退出、CPU、内存和存储占用率超过阈值等，将告警信息及时上报给IoT云管理平台，并针对某些告警信息做一些处理，如LXC容器异常退出后重启容器，CPU和内存占用资源占用过高重启容器等。
为保证资源的充分隔离，通常一个LXC容器内只包含一个应用程序。
此外，边缘计算网关还开放管理LXC容器的相关API调用接口，用户可基于API进行二次开发，以便适用于不同类型的边缘计算网关设备。
另外本***配置了即时通讯协议MQTT，其每个边缘计算网关上都运行一个即时通讯协议代理MQTT Broker，LXC容器内的应用程序可通过MQTT协议连接到此broker上，通过MQTT Broker与外部进行通讯，MQTT Broker起到消息转发的作用。
一种基于LXC容器技术的边缘计算网关管理方法，基于上述边缘计算网关管理***，包括以下步骤：
用户通过用户终端选择镜像方式创建LXC容器镜像，或者选定既定边缘计算网关通过克隆方式在原有LXC容器基础上克隆一个新的LXC容器；
用户通过云服务器选定要安装的边缘计算网关，推送LXC容器镜像或者云服务器直接向克隆过LXC容器的边缘计算网关推送应用程序的安装文件和配置信息，下发安装命令，边缘计算网关内的容器管理进程根据命令进行安装；
LXC容器安装后，容器管理进程监控管理网关内运行的LXC容器状态，并将相关信息上传至云服务器，同时接收来自云服务器的信息。
上述所说的LXC容器是基于LXC技术创建的能实现资源隔离的容器，可以采用本地安装和远程安装两种安装方式。
其中，本地安装是指用户通过SSH(Secure Shell)登录网关，然后从LXC容器镜像仓库下载LXC镜像到本地，然后再利用镜像安装的方式，本方式通常在开发测试阶段使用；远程安装是通过IoT云管理平台在远端进行镜像推送以及下发安装命令的一种方式，这种方式是***正式发布后的主要应用方式。所以本发明以远程安装作为实施例中LXC容器的安装方式。
LXC容器内的应用程序用于实现用户的业务，比如对传感器的控制工作、解析传感器传来的数据并进行转发或计算等。应用程序由一个可执行文件和一个配置文件组成，以Linux服务的方式运行在LXC容器内部，由Linux systemd进行统一管理，并且通常配置成异常退出后可重新启动，从而提升***可靠性。
当用户已经在边缘计算网关中利用镜像方式安装了一个基础LXC容器后，后续的LXC容器可以再次以镜像方式安装，也可以在基础LXC容器的基础上进行克隆，克隆的LXC容器采用overlayfs堆叠文件***，并没有和基础LXC容器完全一样的文件副本，而是把基础LXC容器文件作为Lower dir，克隆LXC容器文件作为Upper dir，最后再合并后呈现给用户，极大的节省了用户的存储空间。
下述为使用镜像安装和克隆安装两种方式安装LXC容器并管理的具体实施方式：
参见图3，根据镜像安装方法的实施例具体包括：
步骤301、用户根据边缘计算网关的硬件类型从LXC容器镜像仓库中选择合适的基础镜像，在本地根据业务需要对基础镜像进行裁剪；
步骤302、用户将应用程序的可执行文件和配置信息一并打包进容器镜像，然后将新的镜像上传至LXC容器镜像仓库；
步骤303、通过IoT云管理平台选择要安装LXC容器的边缘计算网关，IoT云管理平台会推送步骤302产生的LXC容器镜像到某个边缘计算网关上并下发安装命令；
步骤304、边缘计算网关中容器管理进程接收到命令后将LXC容器镜像安装到LXC容器上；
步骤305、LXC容器安装成功后自动启动，其内部的应用程序也开始工作；
步骤306、容器管理进程对LXC容器进行监控，IoT云管理平台可在线实时查看容器状态。当有异常发生时，如***掉电、硬件错误、环境温度/湿度过高过低，以及容器/应用程序异常退出、CPU/内存/存储占用率超过阈值等，容器管理进程上报告警信息给IoT云管理平台。
结合图4所示，根据克隆安装方法的实施例具体包括：
步骤401、IoT云管理平台选择要安装LXC容器的边缘计算网关，下发LXC容器克隆命令；
步骤402、边缘计算网关中容器管理进程接收到命令后，基于基础LXC容器克隆一个新LXC容器；
步骤403、IoT云管理平台推送应用程序安装文件和配置信息，下发应用程序安装命令；
步骤404、边缘计算网关中容器管理进程根据命令安装应用程序到指定LXC容器；
步骤405、启动克隆的新LXC容器，其内部的应用程序也开始工作；
步骤406、容器管理进程对LXC容器进行监控，IoT云管理平台可在线实时查看LXC容器工作状态。当有异常发生时，如***掉电、硬件错误、环境温度/湿度过高过低，以及容器/应用程序异常退出、CPU/内存/存储占用率超过阈值等，容器管理进程上报告警信息给IoT云管理平台。
本实施例中的基于LXC容器技术的边缘计算网关的LXC容器安装方法基于前述的一种基于LXC容器技术的边缘计算网关管理***实现的，因此其具体实施方式中可以参考相对应的各个部分实施例的描述。在此不再展开介绍。另外，由于本方法实施例基于前述***实施例实现，因此其作用与上述平台的作用相对应，这里不再赘述。
以上对本发明所提供的一种基于LXC容器技术的边缘计算网关***进行了详细的介绍，同时对边缘网关管理方法进行了介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明这是帮助理解本发明的方法及其核心思想。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在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于LXC容器技术的边缘计算网关管理***，其特征在于，包括：边缘计算网关集群和云服务器；边缘计算网关集群包括若干个边缘计算网关，边缘计算网关中部署有若干个LXC容器；云服务器中设置有IoT云管理平台和LXC容器镜像库，其中IoT云管理平台负责对整个网关集群进行统一管理和监控，LXC容器镜像库中存有基础镜像；边缘计算网关集群中的各个边缘计算网关与云服务器建立通讯连接。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，还包括用户终端：用户终端用于通过IoT云管理平台对***中的各个边缘计算网关进行统一管理和监控。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述边缘计算网关还包括底层硬件、连接底层硬件和LXC容器的Linux内核层、容器管理进程和即时通讯协议代理；
所述底层硬件用于完成存储、计算和通信功能；
所述Linux内核层用于通过设备描述的方式抽象边缘计算网关的所有通信接口，并根据需要将设备描述挂载到相应的容器当中；
所述容器管理进程负责对LXC容器进行管理和监控，并且作为边缘计算网关和IoT云管理平台之间交互的接口，用以接收来自IoT云管理平台的相关命令并执行，以及上传LXC容器的相关信息。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，每一个LXC容器中设置有一个应用程序。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，边缘计算网关还设置有管理容器的API调用接口。
6.一种基于LXC容器技术的边缘计算网关管理方法，所述方法应用于权利要求1-5任一项所述的***，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
用户通过应用终端选择镜像方式创建LXC容器镜像，或者选定既定边缘计算网关通过克隆方式在原有LXC容器基础上克隆一个新的LXC容器；
用户通过IoT云管理平台选定要安装的边缘计算网关，推送包含有应用程序的LXC容器镜像或者IoT云管理平台直接向克隆过LXC容器的边缘计算网关推送应用程序的安装文件和配置信息，下发安装命令，边缘计算网关内的容器管理进程根据命令进行安装；
LXC容器安装后，容器管理进程监控管理网关内运行的LXC容器状态，并将相关信息上传至云服务器，同时接收来自云服务器的信息。
7.根据权利要求6所述的一种基于LXC容器技术的边缘计算网关管理方法，其特征在于，创建容器镜像的过程还包括：LXC容器内的应用程序通过本地安装和远程安装，所有的应用程序均以Linux service的方式由Linux systemd进行统一管理，Linux systemd可配置应用程序在异常退出后重新启动。
8.根据权利要求7所述的一种基于LXC容器技术的边缘计算网关管理方法，其特征在于：LXC容器内的应用程序通过即时通讯协议MQTT连接到即时通讯协议代理MQTT Broker上与外部进行通信。
9.根据权利要求6所述的一种基于LXC容器技术的边缘计算网关管理方法，其特征在于，安装过程的另一种方式为：用户通过SSH登录网关，从LXC容器镜像库中下载LXC镜像，再进行安装。
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