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如何通过 IoT Edge 透明网关连接设备

  • 项目

IoT Edge 设备可以充当网关，提供本地网络上其他设备与 IoT Central 应用程序之间的连接。 当设备无法直接访问 IoT Central 应用程序时，使用网关。

IoT Edge 支持透明网关模式和转换网关模式 。 本文总结了如何实现透明网关模式。 在此模式中，网关将消息从下游设备传递到 IoT Central 应用程序中的 IoT 中心终结点。 网关不会在消息传递时对其进行操作。 在 IoT Central 中，每个下游设备都显示为网关设备的子设备：

一个示意图，其中将 IoT Edge 显示为一个透明网关。

重要

本文包括使用共享访问签名（也称为对称密钥身份验证）连接设备的步骤。 此身份验证方法便于测试和评估，但使用 X.509 证书对设备进行身份验证是一种更安全的方法。 若要了解详细信息，请参阅“安全最佳做法 > 连接安全性”。

为简单起见，本文使用虚拟机来托管下游设备和网关设备。 在实际情况中，下游设备和网关将在本地网络上的物理设备上运行。

本文介绍了如何使用 IoT Edge 1.4 运行时来实施方案。

先决条件

若要完成本文中的步骤，需要：

若要执行本文中的步骤，请将以下文件下载到计算机：

导入部署清单

每个 IoT Edge 设备都需要一个部署清单来配置 IoT Edge 运行时。 若要导入 IoT Edge 透明网关的部署清单，请执行以下操作：

  1. 导航到“Edge 清单”。

  2. 选择“+ 新建”，输入部署清单的名称（例如“透明网关”），然后上传之前下载的 EdgeTransparentGatewayManifest.json 文件。

  3. 选择“创建”，将部署清单保存在应用程序中。

添加设备模板

下游设备和网关设备都可以使用 IoT Central 中的设备模板。 IoT Central 允许你对下游设备和网关之间的关系进行建模，以便在它们连接后可以查看和管理它们。 将下游设备连接到网关不需要设备模板。

若要为下游设备创建设备模板，请创建一个标准设备模板，该模板对设备的功能进行建模。 本文所示的示例使用下载的恒温器设备模型。

为下游设备创建设备模板：

  1. 创建设备模板，然后选择“IoT 设备”作为模板类型。

  2. 在向导的“自定义”页上，输入设备模板的名称，例如“恒温器”。

  3. 创建设备模板后，选择“导入模型”。 选择一个模型，比如之前下载的 thermostat-1.json 文件。

  4. 若要为恒温器生成一些默认视图，请选择“视图”，然后选择“生成默认视图”。

  5. 发布设备模板。

为 IoT Edge 透明网关设备创建设备模板：

  1. 创建设备模板，然后选择“Azure IoT Edge”作为模板类型。

  2. 在向导的“自定义”页上，输入设备模板的名称，例如“Edge 网关”。

  3. 在向导的“自定义”页上，选中“这是网关设备”。

  4. 在“查看”页上，选择“创建” 。

  5. 在“创建模型”页面上，选择“自定义模型”。

  6. 将“关系”中的条目添加到下游设备模板。

以下屏幕截图显示了 IoT Edge 网关设备的“关系”页面，该网关设备具有使用“恒温器”设备模板的下游设备：

显示 IoT Edge 网关设备模板与恒温器下游设备模板关系的屏幕截图。

上一个屏幕截图显示了没有定义模块的 IoT Edge 网关设备模板。 透明网关不需要任何模块，因为 IoT Edge 运行时将消息直接从下游设备转发到 IoT Central。 如果网关本身需要发送遥测、同步属性或处理命令，则可以在根组件或模块中定义这些功能。

在发布网关和下游设备模板之前，添加任何所需的云属性和视图。

添加设备

将设备添加到 IoT Central 应用程序时，可以定义下游设备与透明网关之间的关系。

添加设备：

  1. 导航到 IoT Central 应用程序中的“设备”页。

  2. 添加透明网关 IoT Edge 设备的实例。 添加设备时，请确保选择“透明网关”部署清单。 在本文中，网关设备 ID 是 edgegateway。

  3. 添加下游设备的一个或多个实例。 在本文中，下游设备是 ID 为 thermostat1 和 thermostat2 的恒温器。

  4. 在设备列表中，选择每个下游设备并选择“附加到网关”。

以下屏幕截图显示你可以在“下游设备”页面上查看附加到网关的设备列表：

显示连接到透明网关的下游设备列表的屏幕截图。

在透明网关中，下游设备连接到网关本身，而不是网关托管的自定义模块。

在部署设备之前，你需要：

  • IoT Central 应用程序的“ID 范围”。
  • 网关和下游设备的“设备 ID”值。
  • 网关和下游设备的“主密钥”值。

若要查找这些值，请导航到设备列表中的每个设备并选择“连接”。 在继续之前，请记下这些值。

提示

可以连接设备并建立关系，而无需先为设备创建设备模板。 可以将未分配的下游设备连接到未分配的网关设备。

部署网关和设备

若要试用此方案，以下步骤将向你展示如何将网关和下游设备部署到 Azure 虚拟机。

提示

若要了解如何将 IoT Edge 运行时部署到物理设备，请参阅 IoT Edge 文档中的创建 IoT Edge 设备。

若要尝试透明网关场景，请选择下面的按钮以部署两个 Linux 虚拟机。 一个虚拟机安装了 IoT Edge 1.4 运行时，并且是透明的 IoT Edge 网关。 另一个虚拟机是一个下游设备，将在该设备中运行代码来发送模拟恒温器遥测数据：

“部署到 Azure”按钮

部署并运行这两个虚拟机时，请验证 IoT Edge 网关设备是否在 edgegateway 虚拟机上运行：

  1. 转到 IoT Central 应用程序中的“设备”页。 如果 IoT Edge 网关设备连接到 IoT Central，则其状态为“已预配”。

  2. 打开 IoT Edge 网关设备并在“模块”页面上验证模块的状态。 如果 IoT Edge 运行时启动成功，“$edgeAgent”和“$edgeHub”模块的状态为“正在运行” ：

    屏幕截图显示了在 IoT Edge 网关上运行的 $edgeAgent 和 $edgeHub 1.4 版模块。

    提示

    当虚拟机启动且设备在 IoT Central 应用程序中进行预配时，你可能需要等待几分钟。

配置网关

若要使 IoT Edge 设备充当透明网关，它需要一些证书来向任何下游设备证明其身份。 本文使用演示证书。 在生产环境中，使用证书颁发机构的证书。

生成演示证书并将其安装到网关设备上：

  1. 使用 SSH 连接并登录网关设备虚拟机。

  2. 运行以下命令克隆 IoT Edge 存储库并生成演示证书：

    # Clone the repo
cd ~
git clone https://github.com/Azure/iotedge.git

# Generate the demo certificates
mkdir certs
cd certs
cp ~/iotedge/tools/CACertificates/*.cnf .
cp ~/iotedge/tools/CACertificates/certGen.sh .
./certGen.sh create_root_and_intermediate
./certGen.sh create_edge_device_ca_certificate "mycacert"

    运行上述命令后，就可以在接下来的步骤中使用以下文件：

    • ~/certs/certs/azure-iot-test-only.root.ca.cert.pem - 根 CA 证书，用于生成所有其他演示证书以测试 IoT Edge 场景。
    • ~/certs/certs/iot-edge-device-mycacert-full-chain.cert.pem - 从 IoT Edge 配置文件引用的设备 CA 证书。 在网关场景中，该 CA 证书是 IoT Edge 设备向下游设备验证其身份的方式。
    • ~/certs/private/iot-edge-device-mycacert.key.pem - 与设备 CA 证书关联的私钥。

    若要了解有关这些演示证书的详细信息，请参阅创建演示证书以测试 IoT Edge 设备功能。

  3. 在文本编辑器中打开 config.toml 文件。 例如：

    sudo nano /etc/aziot/config.toml

  4. 在配置文件中找到以下设置。 添加如下证书设置：

    trust_bundle_cert = "file:///home/AzureUser/certs/certs/azure-iot-test-only.root.ca.cert.pem"

[edge_ca]
cert = "file:///home/AzureUser/certs/certs/iot-edge-device-ca-mycacert-full-chain.cert.pem"
pk = "file:///home/AzureUser/certs/private/iot-edge-device-ca-mycacert.key.pem"

    前面的示例假设你以 AzureUser 身份登录并创建了一个名为“mycacert”的设备 CA 证书。

  5. 保存更改并重启 IoT Edge 运行时：

    sudo iotedge config apply

如果 IoT Edge 运行时在更改后成功启动，则在 IoT Central 网关设备的“模块”页面上，“$edgeAgent”和“$edgeHub”模块的状态更改为“运行” 。

如果运行时未启动，请检查在 IoT Edge 配置文件中所做的更改，并查看对 IoT Edge 设备进行故障排除。

透明网关现已配置好，可以开始从下游设备转发遥测。

预配下游设备

IoT Central 依赖设备预配服务 (DPS) 在 IoT Central 中预配设备。 目前，IoT Edge 无法使用 DPS 为 IoT Central 应用程序预配下游设备。 以下步骤向你展示了如何手动预配 thermostat1 设备。 若要完成这些步骤，需要一个安装了 Python 且具有 Internet 连接的环境。 查看 Azure IoT Python SDK 以了解当前的 Python 版本要求。 Azure Cloud Shell 预装了 Python：

  1. 运行以下命令以安装 azure.iot.device 模块：

    pip install azure.iot.device

  2. 运行以下命令，下载执行设备预配的 Python 脚本：

    wget https://raw.githubusercontent.com/Azure-Samples/iot-central-docs-samples/main/transparent-gateway-1-4/provision_device.py

  3. 若要在 IoT Central 应用程序中预配 thermostat1 下游设备，请运行以下命令，替换 {your application id scope} 和 {your device primary key}。 将设备添加到 IoT Central 应用程序时，请记下这些值：

    export IOTHUB_DEVICE_DPS_DEVICE_ID=thermostat1
export IOTHUB_DEVICE_DPS_ID_SCOPE={your application id scope}
export IOTHUB_DEVICE_DPS_DEVICE_KEY={your device primary key}
python provision_device.py

在 IoT Central 应用程序中，验证 thermostat1 设备的“设备状态”现在是否为“已预配”。

配置下游设备

在上一部分中，你使用演示证书配置了 edgegateway 虚拟机，使其能够作为网关运行。 leafdevice 虚拟机已经准备好安装恒温器模拟器，该模拟器使用网关连接到 IoT Central。

leafdevice 虚拟机需要在 edgegateway 虚拟机上创建的根 CA 证书的副本。 将 /home/AzureUser/certs/certs/azure-iot-test-only.root.ca.cert.pem 文件从 edgegateway 虚拟机复制到 leafdevice 虚拟机上的主目录。 可使用 scp 命令在 Linux 虚拟机之间复制文件。 例如，从 leafdevice 计算机：

scp AzureUser@edgegateway:/home/AzureUser/certs/certs/azure-iot-test-only.root.ca.cert.pem .

若要了解如何检查从下游设备到网关的连接，请参阅测试网关连接。

在 leafdevice 虚拟机上运行恒温器模拟器：

  1. 使用 SSH 连接并登录 leafdevice 虚拟机。

  2. 将 Python 示例下载到主目录：

    cd ~
wget https://raw.githubusercontent.com/Azure-Samples/iot-central-docs-samples/main/transparent-gateway-1-4/simple_thermostat.py

  3. 安装 Azure IoT 设备 Python 模块：

    sudo apt update
sudo apt install python3-pip
pip3 install azure.iot.device

  4. 设置环境变量以配置示例。 用前面记录的 thermostat1 的主密钥替换 {your device shared key}。 这些变量假定网关虚拟机的名称为 edgegateway，恒温器设备的 ID 为 thermostat1：

    export IOTHUB_DEVICE_SECURITY_TYPE=connectionString
export IOTHUB_DEVICE_CONNECTION_STRING="HostName=edgegateway;DeviceId=thermostat1;SharedAccessKey={your device shared key}"
export IOTEDGE_ROOT_CA_CERT_PATH=~/azure-iot-test-only.root.ca.cert.pem

    请注意连接字符串使用网关设备的名称（而不是 IoT 中心的名称）的方式。

  5. 若要运行代码，请使用以下命令：

    python3 simple_thermostat.py

    此命令的输出如下所示：

    Connecting using Connection String HostName=edgegateway;DeviceId=thermostat1;SharedAccessKey={your device shared key}
Listening for command requests and property updates
Press Q to quit
Sending telemetry for temperature
Sent message
Sent message
Sent message
...

    提示

    如果你在下游设备尝试连接时看到错误， 请尝试重新运行设备预配步骤。

  6. 若要查看 IoT Central 中的遥测，请导航到“thermostat1”设备的“概述”页 ：

    显示下游设备遥测的屏幕截图。

    在“关于”页上，你可以查看从下游设备发送的属性值；在“命令”页上，你可以调用下游设备上的命令 。