IoT云供应中间件：原理、组件与运行机制

# IoT云供应中间件：原理、组件与运行机制 ## 1. 引言 在物联网云环境中，供应中间件起着至关重要的作用。它能够帮助用户实现和执行物联网云系统中的供应工作流，应对大规模资源池的弹性扩展、无处不在的访问以及资源定制等挑战。物联网云供应主要涉及两个核心任务：一是分配和部署软件定义网关（SDGs），二是使用特定于应用的工件对软件定义网关进行定制。 ## 2. 物联网云供应中间件概述 ### 2.1 中间件架构 物联网云供应中间件基于微服务架构设计，分布在云和边缘设备上。其主要组件包括： - 软件定义网关（SDGs） - 运行在边缘设备上的供应守护进程和虚拟缓冲区守护进程 - 运行在云端的供应控制器 以下是中间件的主要组件架构图： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(Provisioning Controller):::process -->|管理| B(APIManager):::process A -->|监控| C(MonitoringCoordinator):::process A -->|处理| D(DeploymentHandler):::process A -->|构建| E(ImageBuilder):::process A -->|管理| F(SDGManager):::process A -->|管理| G(ArtifactsManager):::process H(Edge Device):::process -->|通信| A H -->|运行| I(Software-Defined Gateway):::process H -->|运行| J(Provisioning Daemon):::process H -->|运行| K(Virtual Buffers Daemon):::process I -->|包含| L(Artifacts Package):::process I -->|包含| M(Provisioning Agent):::process I -->|包含| N(Device Connectivity):::process I -->|包含| O(SDG Monitor):::process K -->|包含| P(VirtualBuffers):::process K -->|包含| Q(DeviceDrivers):::process ``` ### 2.2 主要任务 - **分配和部署软件定义网关（SDGs）**：SDGs是一种特殊类型的软件定义物联网单元，用于支持物联网云计算资源的虚拟化，提供隔离和管理的应用执行环境。 - **定制软件定义网关**：使用特定于应用的工件对SDGs进行定制，以满足不同应用的需求。 ## 3. 软件定义网关（SDGs） ### 3.1 SDG原型 SDG原型定义了SDGs和特定于应用组件的隔离运行时环境，其主要目的是提供隔离的命名空间，并限制和隔离CPU和内存等资源的使用。SDG原型依赖于内核支持的虚拟化方法，如LXC、libvirt - sandbox或chroot等容器技术，通过定义良好的API，SDGs可以在运行时进行动态配置、供应、互连和部署。 ### 3.2 SDG组件 #### 3.2.1 工件包（Artifact Packages） 物联网云应用由不同的应用组件和支持文件组成，这些被称为特定于应用的工件。为了实现自动化工件供应，这些工件需要被打包，工件包包含以下内容： | 内容 | 说明 | | ---- | ---- | | 供应指令 | 包含安装和卸载包等必要指令 | | 元信息 | 如工件的硬件要求和暴露的API | #### 3.2.2 供应代理（Provisioning Agent） 供应代理是一个轻量级组件，预先安装在SDGs内部。其主要职责包括： - 定期检查供应控制器的更新队列，下载工件包并执行供应工作流中引用的指令。 - 作为供应指令的本地解释器，处理供应控制器发起的各种请求，如创建当前设备状态的快照并上传到控制器。 #### 3.2.3 设备连接（Device Connectivity） SDGs部署在边缘设备上，具有有限的权限，不能直接访问硬件。设备连接组件提供了一个SDG端点，用于暴露底层设备并实现基于服务的交互。该组件提供了一个可插拔的连接层，默认预配置了自定义的REST - 类似应用层协议，也支持CoAP和MQTT等通信协议。 ## 4. 边缘设备中间件支持 ### 4.1 虚拟缓冲区守护进程（Virtual Buffers Daemon） 虚拟缓冲区守护进程（VBD）的主要目的是调解与连接到现场总线的设备的通信，并提供对这些设备的虚拟独占访问。其主要概念是虚拟缓冲区，它提供了传感器和执行器的虚拟表示。VBD的主要组件包括： - **虚拟缓冲区（VirtualBuffers）**：包装设备驱动程序，与设备驱动程序共享共同的行为。 - **设备驱动程序包（DeviceDrivers Package）**：包含一组驱动程序实现。 - **虚拟缓冲区管理器（VirtualBuffersManager）**：管理缓冲区和驱动程序的生命周期。 以下是VBD的简化UML图： ```mermaid classDiagram class Component { +initialize() ```