如何更好地解耦業務應用開發和設備數據訪問，為設備提供完整的生命周期數據管理，釋放設備數據的價值?如何在保證集群可用性的同時，高效管理和傳輸設備數據，獲得更為方便、靈活的數據訪問方式?云原生邊緣計算的方案選擇可以幫助用戶更好地應對這類問題。

　　KubeEdge設備管理架構的設計實現，有效幫助用戶處理設備數字孿生進程中遇到的場景。用戶可以通過KubeEdge，將物理設備抽象成數字孿生，用云原生的方式對設備和數據進行管理。

　　一、KubeEdge設備管理框架

　　圖 1 KubeEdge設備管理架構設計

　　KubeEdge設備管理架構設計如圖1所示，具體流程如下：

　　1. 用戶調用Kubernetes API接口，創建Device CRD實例到KubeEdge

　　2. KubeEdge云上組件CloudCore watch到Kubernetes中Device CRD實例創建消息

　　3. 此時CloudCore會做兩件事情，一方面CloudCore通過云邊websocket通道下發Device Twin信息到EdgeCore，另一方面CloudCore會生成一份包含Device Profile信息的Configmap，該Configmap是以Node名稱為索引，掛載到對應Mapper的Pod中的

　　4. Mapper通過讀取掛載的Configmap中的Device Profile信息，更新本地維護的Device list列表

　　5. EdgeCore把接收到的Device Twin信息發送到指定的mqtt topic

　　6. 該節點上的所有Mapper都會收到該Device Twin消息，并根據Device名稱來匹配是否是自己維護的list中的Device

　　7. Mapper根據Device Profile信息，通過對應的協議與設備建立連接

　　8. Mapper通過mqtt topic上報設備狀態和采集的數據Device Twin到EdgeCore

　　9. EdgeCore通過云邊websocket通道上報Device Twin數據到CloudCore

　　10. CloudCore更新設備Device Twin數據到Kubernetes

　　二、DMI框架設計

　　在此基礎上，KubeEdge團隊也對框架不斷更新迭代。為幫助用戶應對未來更大規模設備場景、更高的可用性需求、更靈活的功能支持以及更優的用戶體驗，KubeEdge 設計了更優化的設備管理框架——DMI。

　　DMI整合設備管理接口，優化邊緣計算場景下的設備管理能力，打造基于云原生技術的，覆蓋設備管理、設備數據的設備數字孿生管理平臺;同時定義了EdgeCore與Mapper之間統一的連接入口，并分別由EdgeCore和Mapper實現上行數據流和下行數據流的服務端和客戶端，承載DMI具體功能。

　　DMI框架設計中解耦了設備管理面與設備業務面數據，讓Device CRD只承載設備本身的生命周期管理，而設備業務面數據則直接通過微服務的方式為數據消費者應用提供出來。在這樣的架構下，設備就不再是單純的數據源，而是一種云原生的設備微服務，設備數據消費應用的開發者就可以不再關心如何獲取設備數據，而是以更云原生的方式來聚焦應用本身的業務邏輯開發。DMI框架還提供多種數據推送方式，讓數據消費者可以更靈活地獲取設備數據，用戶體驗更優。

　　由于DMI的設備管理面與業務面數據分離的特點，業務面數據可以通過業務面通道更靈活地在云端或邊端被處理，而管理面的云邊通道中只會傳輸少量管理面信息，大大降低了云邊通道擁塞的可能，提高了KubeEdge系統的可用性。另外，DMI提供了統一的設備管理相關接口，無論是設備應用開發者還是設備應用的使用者，都可以以更統一、更靈活、更標準化的方式來開展設備相關工作，不拘泥于具體形式，只要能夠實現DMI接口，就能夠享受KubeEdge邊緣計算平臺帶來的云原生設備管理體驗。

　　▍2.1 DMI框架定位

　　圖 2 DMI 在 KubeEdge 架構中的定位

　　DMI在KubeEdge架構中的定位如圖2所示。DMI類似Kubernetes的CNI、CSI、CRI等接口，定義了一組EdgeCore與Mapper之間的內部API接口以及外部應用訪問Mapper的統一的API接口。其中內部接口底層由gRPC結合UDS的方式來實現，外部API接口支持mqtt和REST兩種接入方式。Mapper不論是何種承載、實現方式，只要實現了DMI中所定義的上行、下行數據接口，即可接入KubeEdge云原生邊緣計算平臺，使用云原生的方式對設備進行管理。

　　▍2.2 DMI設備管理與數據管理

　　DMI框架架構設計如圖3所示，其中黃色線條為設備管理面數據流管理，藍色部分為業務面數據流管理。

　　在DMI的架構設計中，將設備的管理面數據與業務面數據進行分離。其中管理面數據主要包括設備的元數據、設備屬性、配置、狀態、生命周期等，其特點是相對比較穩定，創建后除狀態上報外的信息更新較少，更貼近Pod類型資源所產生的數據，在保證用戶可以通過云端Kubernetes API像訪問Pod一樣維護Device的生命周期的同時，盡量減少設備管理產生的額外數據傳輸開銷。

　　圖 3 DMI設備管理與數據管理架構

　　在DMI框架設計下，設備不再是單純的數據源，而是被抽象為微服務，以云原生的方式為設備數據消費者提供數據服務。DMI框架下的設備數據訪問支持多種場景，更加靈活。圖3中列出了幾種主要的數據訪問方式，包括推數據和拉數據等，具體情況如下：

　　1. 邊緣側應用通過REST Service訪問設備數據

　　2. 云側應用通過REST Service訪問設備數據

　　3. Mapper通過配置REST目的地址，將數據推送到邊緣側應用

　　4. Mapper通過配置REST目的地址，將數據推送到云側應用

　　5. Mapper通過配置目的地址，將數據推送到邊緣側數據庫

　　6. Mapper通過配置目的地址，將數據推送到mqtt broker

　　7. 邊緣側應用通過mqtt broker topic訂閱設備數據

　　8. 云側應用通過mqtt broker topic 訂閱設備數據

　　9. 邊緣側應用處理數據后將處理結果傳上云

　　▍2.3 DMI工作流程

　　圖 4 DMI設備管理工作流程示例

　　在DMI框架下，設備管理工作的流程有一定的變化。如圖4所示，在安裝KubeEdge的時候，云端CloudCore會注冊DeviceController組件用于監聽Device和DeviceModel的CRD資源。DeviceController中存在兩個模塊，Downstream Controller和Upstream Controller，其中Downstream Controller用于監聽云端的Device、DeviceModel事件，并通過Cloudhub下發至邊緣，Upstream Controller用于接收從Cloudhub轉發來的EdgeHub上報的Device狀態和消息，并更新Kubernetes中的Device狀態。在邊緣側，Mapper初始化的時候，需要調用DMI中的Mapper注冊接口，將Mapper的相關信息注冊至Device Manager，并接收接口返回的已下發至該節點的且協議匹配的設備信息。EdgeHub在接收到云端下發的設備消息時，會將其轉發到DeviceManager組件，DeviceManager會根據該設備的協議選擇對應的Mapper驅動程序，發送創建設備的請求，并且本地數據庫也會存儲該設備的信息，后續Mapper會將設備孿生消息轉化為設備協議格式，跟實際的物理設備進行通信。

　　三、DMI接口定義

　　▍3.1 DMI 接口分類

　　DMI接口實現了EdgeCore與Mapper之間的通信，支持REST和mqtt的通信方式，并以標準化的形式呈現，降低了Mapper開發、適配難度。在數據訪問方面，DMI可以實現邊緣側和云側的應用都可以通過REST Service的方式訪問設備數據。

　　圖 5 DMI接口定義

　　如圖5所示，DMI有六類接口，Mapper管理是針對邊緣側各類設備協議驅動程序，Device管理和Device數據管理對管理面和業務面進行了數據拆分，Device升級管理和Device命令管理為具有升級和命令執行功能的設備提供相關的接口，Device事件管理可以監控Mapper及其納管的各個設備的運行狀態。

　　▍3.2 DMI 接口定義示例

　　圖 6 DMI設備管理部分接口定義示例

　　如圖6所示，為DMI設備管理部分接口定義，v1版本以gRPC proto的方式定義，可使用make dmi命令創建對應的gRPC-go代碼。

　　▍3.3 DMI 設備相關 CRD 定義

　　如圖7所示，是DMI設備相關CRD定義，主要分為Device和DeviceModel。其中DeviceModel與設備型號是一一對應的關系，代表同一類設備型號的共有屬性，主要包含設備產生數據屬性Properties和設備支持命令屬性Commands。Device為設備實例，與真實的物理設備為一對一的關系，每個DeviceModel可以對應統一型號的多個Device實例。Device類型資源主要包含設備型號對應關系信息、設備協議配置信息、設備部署節點信息、設備狀態信息以及設備數據Property采集配置信息。

　　圖 7 DMI 設備相關 CRD 定義

　　四、發布計劃

　　DMI發布計劃分為三個版本，Alpha版本提供設備管理相關功能實現，以及提供一個支持DMI接口的Mapper Demo。Beta版本支持設備命令管理、設備升級管理以及設備數據管理的能力，此外還會對接第三方平臺，并提供相關對接Demo。GA版本會對多平臺、多協議進行對接支持，另外會把設備安全以及事件管理的功能補全。

　　目前 KubeEdge Device IoT SIG 專注于第一階段的設備管理和 Mapper Demo 的開發工作。