CN117009981A - 一种基于容器操作系统的边缘智能软件平台的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于容器操作系统的边缘智能软件平台的实现方法，属于边缘计算领域，本发明提出了构成边缘智能软件平台的基础组件，并通过容器化技术封装各平台组件，通过容器操作系统的机制加载运行，利用云边协同技术进行运维升级。本发明实现的边缘智能软件平台具有轻量化资源消耗小、启动快捷、安全性高、升级方便、边缘应用灵活等有益效果。

Description

一种基于容器操作系统的边缘智能软件平台的实现方法

技术领域

本发明涉及边缘计算领域，涉及容器操作系统、云原生，云边协同，容器化、边缘计算、边缘智能等相关技术领域，尤其涉及一种基于容器操作系统的边缘智能软件平台的实现方法。

背景技术

边缘计算是指在靠近人、物等数据源头的边缘侧，通过融合了计算、存储、网络、应用等核心能力，就近提供服务，来满足行业数字化在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。边缘计算具有数据处理实时性、业务数据可靠性、应用多样化的特性需求。边缘智能是边缘计算发展的卜一个阶段，与人工智能结合，让每个边缘计算的节点都具有计算和决策的能力，利用人工智能技术为边缘侧赋能，是人工智能的一种应用与表现形式，也是边缘计算与人工智能融合的新模式，让边缘计算更注重与产业应用的结合，促进产业的落地与实现。

要形成边缘智能载体，在硬件基础上需要专门的平台级软件和行业边缘应用软件。由于边缘智能是在数据源附近提供计算、存储和网络资源，这些资源面对数量众多且空间上分散的各类终端、传感器，需要一套软件系统进行统一管理和控制，使应用集成商和开发者可以快速开发和部署应用。边缘智能软件平台是一套面向边缘计算的软件系统，负责对边缘侧的计算、存储、网络等资源和各类边缘终端、传感器进行统一管理和控制，并提供边缘应用的运行环境，使应用集成商或开发者可以快速开发和部署边缘应用。

当前边缘计算所面临的问题有：边缘计算资源的异构性复杂，如CPU/GPU，X86/ARM等不同的处理器架构；边缘节点的资源受限，如内存有限，存储空间有限；边缘应用的轻量灵活和专有性，边缘应用虽然种类很多，但是运行在某个边缘节点上的边缘应用通常相对功能单一且固定；边缘节点运维升级困难，由于边缘节点通常部署分散规模大，导致运维升级困难；边缘安全威胁大，边缘节点不可能数据中心的服务器具有高防护性条件，边缘节点上的系统及软件更容易收到攻击和破坏。

边缘计算与云计算之间不是替代关系，而是互补协同关系。边缘计算与云计算需要通过紧密协同才能更好的满足各种需求场景的匹配，从而放大边缘计算和云计算的应用价值。边云协同的能力与内涵，涉及IaaS、PaaS、SaaS各层面的全面协同，包括资源协同、数据协同、服务协同、智能协同等。

容器是一种轻量级操作系统层面的虚拟机，它为应用软件及其依赖组件提供了一个资源独立的运行环境。应用软件所依赖的组件会被打包成一个可重用的镜像，镜像可以方便的分发到各种运行宿主机上，镜像运行环境可以独立于宿浓度主操作系统，这样应用程序可以以容器的方式在不同计算环境下快速启动运行。

容器操作系统是一种专门面向云原生领域的轻量级操作系统，它从Linux底层进行了内核裁减，仅保留最基本的支持运行Docker所需要的组件，体积极小、启动极快。所有其他功能组件和所有应用程序都通过容器镜像的方式由docker动态加载，在容器中运行。最小操作系统映像仅包含运行容器所需的工具，没有包管理器，没有配置漂移。在不可变的文件系统上交付操作系统消除了一整类安全漏洞，自动原子更新意味着可以获得最新的安全更新和开源技术，具备体积小，部署简化，运维管理方便的优势。

边缘智能软件平台负责统一管理和控制众多的边缘设备，管理边缘节点的计算、存储、网络资源，支撑边缘应用的部署运行和调度，并且随着云计算的深入发展，边缘智能软件平台还有具备支持云边协同的能力。目前主要的边缘智能平台通常是基于传统的通用操作系统实现的，如Ubuntu Server 18.04或Red Hat Enterprise Linux 8等。基于传统通用操作系统构建虽然功能强大，但是会使边缘智能软件平台，遇到系统内核过大、运行内存需求高、内核安全性弱、运维升级困难等问题。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种基于容器操作系统的边缘智能软件平台的实现方法。充分利用容器操作系统的体积小、启动快、应用加载灵活的特点，可以使边缘智能软件平台具有轻量化资源消耗小、启动快捷、安全性高、运维升级方便、边缘应用灵活等有益效果，特别适合在边缘计算领域的边缘节点上运行轻量的、行业专用的边缘应用，可以作为软件定义的通用边缘网关的基础平台。

本发明的技术方案是：

一种基于容器操作系统的边缘智能软件平台的实现方法，包括如下步骤：

1)构建容器操作系统内核，平台底层基于容器操作系统内核构建，对Linux进行剪裁，仅保留最基本的支持运行Docker容器所需要的组件；

2)系统层容器运行时是容器操作系统将Docker守护进程作为内核启动的第一进程PID 1运行，所有其他系统服务都作为docker容器运行；

3)将系统服务容器化，所有的系统服务都是由系统层容器运行时负责启动和管理；

4)设计设备接入容器服务，为边缘智能平台的设计的系统服务，负责接入边缘设备、创建消息通道接收设备数据；

5)设计容器化边缘智能基础服务框架；边缘智能基础服务框架是一组为边缘智能软件平台提供基础服务的组件，以使应用集成商或开发者可以快速开发和部署边缘应用；

6)用户层容器运行时为一个独立的Docker容器守护进程，负责运行和管理各种边缘应用；这样用户的边缘应用容器就与系统服务容器隔离开来。

进一步的，

系统服务在容器操作系统内核启动后，自动加载运行。

系统服务层将原传统操作系统的系统服务进行容器化；通过系统层容器运行时以容器的方式运行最基本的系统服务，这些容器作为平台的必选组件提供.

进一步的，

统一管理和控制边缘设备，边缘设备可以是智能终端、传感器、摄像头。

将不同物联协议的设备微服务驱动，以容器的方式加载到边缘智能平台中。

进一步的，

边缘智能基础服务层是运行边缘计算基础组件，为边缘应用提供的基础服务，同样这些组件也以容器化的方式提供，可根据不同的行业边缘应用，选择不同的边缘基础服务，使得边缘智能软件平台面向专有的行业边缘应用可定制。

进一步的，

边缘智能基础服务框架的组件全部以容器镜像的形式，存储在镜像仓库中，在系统启动后，通过系统层容器运行时，拉取镜像，加载启动；镜像仓库的地址和安全方位方式通过config文件配置，在系统启动时生效。

设备管理提供设备模型、设备注册、设备查看、设备控制的基础服务；

数据管理提供数据采集、数据存储、数据分析的基础服务；

安全控制提供设备权限、数据保护、传输加密的基础服务；

Watchtower提供边缘应用自动升级服务。

进一步的，

用户层容器负责运行管理所有的用户应用容器，任何以用户权限(非系统)启动的容器都在用户层容器运行时上运行。

进一步的，

各种边缘应用都是以容器的形式在用户层容器运行时之上运行，与系统容器服务完全隔离；通过edge agent可以动态的加载部署具体的边缘应用。

本发明的有益效果是

本发明提出的基于容器操作系统构建边缘智能软件平台的架构和实现方法解决了基于传统通用操作系统构建边缘智能软件平台，系统内核过大、运行内存需求高、内核安全性弱、运维升级困难等问题。

基于容器操作系统构建边缘智能软件平台充分利用容器操作系统的体积小、启动快、应用加载灵活的特点，在不可变的文件系统上交付操作系统消除了一整类安全漏洞，可以使边缘智能软件平台具有轻量化资源消耗小、启动快捷、安全性高、运维升级方便、边缘应用加载灵活等有益效果，特别适合在边缘计算领域的边缘节点上运行轻量的、行业专用的边缘应用，可以作为软件定义的通用边缘网关的基础平台。作为物联网网关可以解决设备协议种类众多，更新适配难度大的问题。作为视联网关可以解决视频分析模型，可以解决众多视频分析模型动态加载更新的问题。

附图说明

图1是本发明的工作架构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种云边协同边缘智能基于容器操作系统构建边缘智能软件平台的实现方法。平台底层基于容器操作系统内核构建，对Linux进行了彻底的剪裁，移除了所有不必要的库和服务及其他维护组件，仅保留最基本的支持运行Docker容器所需要的组件，没有包管理器，没有配置漂移等组件。系统层容器运行时是容器操作系统将Docker守护进程作为内核启动的第一进程PID 1运行，所有其他系统服务都作为docker容器运行。系统服务层将原传统操作系统的系统服务进行容器化，如ntpd,syslog等，通过系统层容器运行时以容器的方式运行最基本的系统服务，这些容器作为平台的必选组件提供。边缘智能基础服务层是运行边缘计算基础组件，为边缘应用提供的基础服务，同样这些组件也以容器化的方式提供，可以根据不同的行业边缘应用，选择不同的边缘基础服务，使得边缘智能软件平台面向专有的行业边缘应用可定制，提升了平台的灵活性。用户层容器运行时是一个特殊的系统服务容器，为一个独立的Docker容器守护进程，负责运行和管理各种边缘应用。这样用户的边缘应用容器就与系统服务容器隔离开来，确保了边缘应用不会影响到系统服务，提升了平台的安全性。

边缘智能软件平台的设计架构图，如图1所示。

本发明提出了构成边缘智能软件平台的基础组件，并通过容器化技术封装各平台组件，通过容器操作系统的机制加载运行，利用云边协同技术实现运维升级。

具体方案如下：

a)构建容器操作系统内核如图中标号①所示，通过彻底剪裁Linux内核实现，移除了所有不必要的库和服务及其他维护组件，仅保留最基本的支持运行Docker容器所需要的组件。

b)系统层容器运行时如图中标号②所示，将Docker容器守护进程作为内核启动的第一进程PID 1运行，所有其他系统服务都作为Docker容器运行。系统层容器运行时取代了传统的init初始化系统，如systemd

c)将系统服务容器化。所有的系统服务都是由系统层容器运行时负责启动和管理，如ntpd,syslog等系统服务及必要的库函数等，都是以容器的形式加载并运行的。还有一些作为边缘智能软件平台必备的系统服务，如图中标号③所示。系统服务在容器操作系统内核启动后，自动加载运行。

其中设计了设备接入容器服务，如图中标号④所示，是专门为边缘智能平台的设计的系统服务，负责接入边缘设备、创建消息通道接收设备数据的。边缘智能软件平台的核心能力就是要统一管理和控制众多的边缘设备，边缘设备可以是智能终端、传感器、摄像头等。通过本发明中使用的容器操作系统，可以很灵活的将不同物联协议的设备微服务驱动，以容器的方式加载到边缘智能平台中，比如modbus或者MQTT设备协议，使得边缘智能平台更加轻量、灵活，解决了设备协议种类众多，更新适配难度大的问题。

比如,加载一个设备协议驱动Modbus，举例如下:

#system-docker run--rm-p 1502:1502device-modbus

其中设计了Edge agent服务，如图中标号⑤所示，提供云边协同的边缘应用全生命周期管理服务,在云边协同节详述。

d)容器化边缘智能基础服务框架。如图中标号⑥所示，边缘智能基础服务框架是一组为边缘智能软件平台提供基础服务的组件，以使应用集成商或开发者可以快速开发和部署边缘应用。组件全部以容器镜像的形式，存储在镜像仓库中，由系统管理员在系统启动后，通过系统层容器运行时，拉取镜像，加载启动。镜像仓库的地址和安全方位方式通过config文件配置，在系统启动时生效。

设备管理提供设备模型、设备注册、设备查看、设备控制等边缘平台对设备管理的基础服务。

数据管理提供数据采集、数据存储、数据分析的基础服务。

安全控制提供设备权限、数据保护、传输加密的基础服务。

Watchtower提供边缘应用自动升级服务。

启动系统服务容器watchtower方式举例如下：

#ros service enable/var/lib/rancher/conf/watchtower.yml

#ros service up watchtower

watchtower.yml配置文件如下：

watchtoer:

image:watchtower:1.0

restart:always

e)用户层容器运行时。如图中标号⑦所示，系统层容器运行时创建一个特别的系统服务容器，称为用户层容器运行时，它是一个独立的Docker守护进程，负责运行管理所有的用户应用容器，任何以用户权限(非系统)启动的容器都在用户层容器运行时上运行。这样的设计可以使得系统服务容器与用户应用容器分开，用户的边缘应用不会影响系统服务，从而提升了边缘智能软件平台的整体安全性。

f)容器化边缘应用。如图中标号⑧所示，边缘智能软件平台上运行的各种边缘应用都是以容器的形式在用户层容器运行时之上运行，与系统容器服务完全隔离。通过edgeagent可以动态的加载部署具体的边缘应用，从而实现了边缘智能平台的灵活性，满足边缘设备轻量化、功能专一的特点需求，可以作为软件定义的通用边缘网关的基础。

本发明中以用边缘智能软件平台实现一个软件定义的智能视频网关为例，同样也可以用于实现物联网关、工控网关等其他边缘智能设备、边缘网关设备。智能视联网关中设计了流媒体服务、视频采集服务、视频边缘分析服务、和视频处理转发服务，全部都是以容器的方式实现，可以动态的从中心管控平台或者云平台下载并运行，实现了软件定义网关的效果，提升了边缘智能的灵活性。各种视频分析模型可以以容器镜像的方式，从中心下载到边缘平台，在边缘进行视频分析推理。

如下是一个用于识别火灾的视频分析模型的容器镜像构建方法(dockerfile)：

FROM arm64v8/python:3.8.13

ADD Arial.ttf Arial.Unicode.ttf/root/.config/Ultralytics/

RUN sed-i s@/deb.debian.org/@/mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/@g/etc/apt/sources.list\

&&sed-i s@/security.debian.com/@/mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/@g/etc/apt/sources.list

RUN apt update&&apt install-y zip htop screen libgl1-mesa-glx

COPY requirements.txt.

RUN pip config set global.index-url https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple\

&&python3-m pip install--upgrade pip\

&&pip install--no-cache-r requirements.txt

RUN mkdir-p/home/work\

&&mkdir-p/home/work/result

WORKDIR/home/work

COPY./home/work

RUN mv fire.pt object.pt

ENTRYPOINT["python","detect.py","--weights","object.pt"]

如下是启动一个视频分析服务的示例：

docker run--rm-d\

-v</path/to/result>:/home/work/result\#path to save results

-v</path/to/model>:/home/work/object.pt\#path to pytorch model file

yolov5-detect:v0.0.1\

g)云边协同运维升级

云边协同能力是边缘智能软件平台的一项重要能力，为了实现边缘应用与云中心间的协同，本发明中设计了Edge agent和watchtower模块,以系统服务容器的方式运行。

Edge agent模块，如图中标号⑤所示，负责对边缘应用提供全生命周期管理，从云中心可通过Edge agent控制应用在边缘侧平台上启动运行及中止，并且在边缘与云中心间的网络不稳定时，edge agent负责边缘应用的离线自治运行，直到网络恢复时，边缘应用重新接受云中心的控制。

Watchtower模块，如图中标号⑨所示，负责边缘应用的升级更新，Watchtower监控所有正在运行的容器应用以及其对应的镜像,当检测本地镜像与镜像仓库中的镜像有差异时,会自动拉取最新镜像并使用之前部署时的参数重新启动相应的容器，实现自动升级。

本发明将容器操作系统作为边缘智能软件平台的基础，充分利用容器操作系统的体积小、原子性等优势，给出了一种实现边缘智能软件平台的方法，给出了边缘智能软件平台的各组成部分，及在容器操作系统中的编排、启动、运行方式。

将边缘智能软件平台分为系统层容器运行时和用户层容器运行时两部分。中边缘智能基础服务框架作为系统层容器服务，构成通用支撑平台，而将与边缘设备相关的具体应用作为用户层容器服务，用户的边缘应用容器与系统服务容器隔离开来，确保了边缘应用不会影响到系统服务，提升了平台的安全性。

设计了边缘智能基础服务框架的组成模块，所有模块均以容器化的形式运行，将设备协议作为系统容器服务的方式加载，解决了边缘网关设备协议种类众多的问题。

设计了云边协同的边缘应用全生命周期管理模式，设计了Edge agent模块，云中心可通过Edge agent控制应用在边缘侧平台上启动运行及中止，设计了watchtower模块，通过检测本地镜像与镜像仓库中的镜像的差异，实现自动升级。

给出了基于边缘智能软件平台构建边缘智能视频网关的设计方法，将流媒体服务、视频采集服务、视频边缘分析服务、和视频处理转发服务容器化，作为边缘应用在用户层容器运行时上运行，设计了将具体视频分析模型以容器化的方式加载运行的推理调度架构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于容器操作系统的边缘智能软件平台的实现方法，其特征在于，

包括如下步骤：

1)构建容器操作系统内核，平台底层基于容器操作系统内核构建，对Linux进行剪裁，仅保留最基本的支持运行Docker容器所需要的组件；

2)系统层容器运行时是容器操作系统将Docker守护进程作为内核启动的第一进程PID1运行，所有其他系统服务都作为docker容器运行；

3)将系统服务容器化，所有的系统服务都是由系统层容器运行时负责启动和管理；

4)设计设备接入容器服务，为边缘智能平台的设计的系统服务，负责接入边缘设备、创建消息通道接收设备数据；

5)设计容器化边缘智能基础服务框架；边缘智能基础服务框架是一组为边缘智能软件平台提供基础服务的组件，以使应用集成商或开发者可以快速开发和部署边缘应用；

6)用户层容器运行时为一个独立的Docker容器守护进程，负责运行和管理各种边缘应用；这样用户的边缘应用容器就与系统服务容器隔离开来。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

系统服务在容器操作系统内核启动后，自动加载运行。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

系统服务层将原传统操作系统的系统服务进行容器化；通过系统层容器运行时以容器的方式运行最基本的系统服务，这些容器作为平台的必选组件提供。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

统一管理和控制边缘设备，边缘设备可以是智能终端、传感器、摄像头。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

将不同物联协议的设备微服务驱动，以容器的方式加载到边缘智能平台中。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

边缘智能基础服务层是运行边缘计算基础组件，为边缘应用提供的基础服务，同样这些组件也以容器化的方式提供，可根据不同的行业边缘应用，选择不同的边缘基础服务，使得边缘智能软件平台面向专有的行业边缘应用可定制。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

边缘智能基础服务框架的组件全部以容器镜像的形式，存储在镜像仓库中，在系统启动后，通过系统层容器运行时，拉取镜像，加载启动；镜像仓库的地址和安全方位方式通过config文件配置，在系统启动时生效。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

设备管理提供设备模型、设备注册、设备查看、设备控制的基础服务；

数据管理提供数据采集、数据存储、数据分析的基础服务；

安全控制提供设备权限、数据保护、传输加密的基础服务；

Watchtower提供边缘应用自动升级服务。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

用户层容器负责运行管理所有的用户应用容器，任何以用户权限(非系统)启动的容器都在用户层容器运行时上运行。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

各种边缘应用都是以容器的形式在用户层容器运行时之上运行，与系统容器服务完全隔离；通过edge agent可以动态的加载部署具体的边缘应用。