使用 Docker 快速部署物聯網

August 16, 2018

Patrick Mannion

隨著物聯網端點的數量倍增，使用其資料的服務也跟著增加，我們需要用擴充性更好的方式來協調和部署軟體。

容器技術如 Docker 對於克服這項挑戰很有幫助。容器化的程式碼可以橫跨分散式系統從中央整合協調，因此能夠更輕鬆擴大設計規模。容器也有一道硬體抽象層，可以在物聯網端點中常見的不同系統上執行。

但是這只解決了一半的問題。有如物聯網端點，物聯網服務有極大差異性，各服務使用許多不同的 API 和傳訊通訊協定。要在各種異質的裝置和服務之間傳輸資料，開發人員需要一個通訊中樞，把所有這些系統之間的訊息轉譯。

為了克服這些挑戰，結合容器化與傳訊的平台因此崛起。開發人員可利用這些平台在雲端建立 Docker 化的工作負載，把它們部署到邊緣裝置，在本機分析資料，並做出適當反應。邊緣裝置接著把資料和結果推送到雲端，必要時可供遠端監控（圖 1）。

圖 1. Azure IoT Edge 這類的平台可進行 Docker 化工作負載佈建與端對端傳訊。（資料來源：Microsoft）

在本文中，我們會探討一種這類的服務，也就是 Microsoft Azure IoT。

容器化程序

Azure IoT 是一個可以開發、部署和管理物聯網應用程式的雲端平台。在眾多功能之中，此平台提供可縮短上市時程的各種服務模組，例如機器學習和串流分析。

雖然這些雲端服務很實用，但是此平台真正的價值在於它有能力把工作負載推送到邊緣。使用最近發佈的 Azure IoT Edge 2.0，開發人員可以利用 Docker 把模組容器化，並將它們部署到執行 Linux 或 Windows 的裝置上。這樣一來，雲端智慧和分析便可以擴大適用於更多裝置，從 Raspberry Pi 乃至強大的工業閘道。

為了管理這些不同的端點，IoT Edge 與 Azure IoT Hub 密切合作。此服務驗證並建立與物聯網裝置的通訊，然後自動執行裝置註冊和佈建。IoT Hub 也可以當作容器化模組的登錄檔、安全傳訊的管道，以及已部署模組的遠端管理連結。

如圖 2 所示，使用 IoT Edge 的程序如下：

建立一個 IoT Hub（或使用已經建立的）
向該 IoT Hub 註冊一個 IoT Edge 裝置
開始 IoT Edge 執行階段
從遠端部署一個模組到 IoT Edge 裝置

圖 2. Azure IoT Edge 允許使用 Docker 把模組容器化，並利用安全傳訊進行遠端管理。（資料來源：Microsoft）

邊緣裝置上的 IoT Edge 執行階段負責基本服務，例如邊緣裝置離線時的安全性、儲存和轉送資料，以及管理與網際網路隔離的系統（例如連接到邊緣裝置的感應器）。它也管理模組與雲端之間的通訊。例如，機器學習 (ML) 模組可能僅傳送警示到雲端，而不是全部資料（圖 3）。

圖 3. Azure Edge IoT 執行階段控制含有必要功能與服務的 Docker 模組。（資料來源：Microsoft）

IoT Edge 使用相同的 API 作為 IoT Hub，所以閘道可以當作本機 IoT Hub 使用。Microsoft 應用技術開發經理 Brett Stateham 指出：「這樣一來，便可以預先設定模組並且同時存放在雲端和儲存庫中，等待被下載使用。」

預裝與自訂服務

雖然目前提供預裝服務，但是開發人員仍可自由複製預裝服務的內容再作修改。或者，他們可以使用自選的語言，從頭編寫自己的模組，再使用 Docker 將它包起來。「所以，它的延伸性極大。」Stateham 表示。

這些服務包括用於商業智慧、人工智慧和機器學習的分析，以及行動服務等，族繁不及備載。但是任何服務均可存取資料，因為 Azure IoT Hub 支援 Python、Java、PHP 和 .Net 使用開放 API 與 SDK。「最差的情況下，有些標準 REST API 可以消耗這些訊息。」Stateham 說道。

透過安全的遙測傳訊功能，例如 AMQPS、MQTTS 和 HTTPS，邊緣裝置的資料會安全地傳送出去，而且儲存完成之後，即可供任何後端服務讀取使用。IoT Edge 和 IoT Hub 使用相同的安全傳訊通訊協定，所以通訊、佈建、註冊和整體管理更加簡易。

部署在邊緣硬體上

雖然 IoT Edge 可以在各種各樣的裝置上執行，許多既有系統並非原生支援網際網路連線功能。例如，感應器模組可能具有 Modbus 或 CAN 匯流排的有線介面，或是藍牙低功耗 (BLE) 的無線介面，但是沒有 TCP/IP 堆疊且無法把資料直接推送到雲端。

這時候，Intel^® NUC 這類的裝置便能派上用場，Stateham 這樣指出（圖 4）。這些裝置可以執行 Windows 10 或 Wind River Linux，而且能部署在邊緣。他說：「它有 USB 連接埠和 Wi-Fi，以及許許多多其他酷炫的設計」，「而且它可以用來與 BLE 模組對話，並藉此與雲端連線」。同樣地，任何其他模組或感應器，無論有線或無線，均可連接到閘道作為聚合點。