车联网架构设计(一)_消息平台的搭建

车联网是物联网的一个主要应用方向，车辆通过连接车联网平台，实时进行消息的交互，平台可以提供车辆远程控制，故障检测，车路协同等各方面的功能。

我在车联网行业从事了很长时间的技术工作，参与了整个车联网平台的构建以及很多不同车联网应用的开发工作，这里打算以构建一个车联网平台作为例子，总结一下涉及到的架构设计方面的东西。

系统功能

一个车联网平台需要实现以下的一些功能：

1. 与车辆的消息交互

在物联网中，主要应用的通信协议是MQTT，这是一个基于发布/订阅模式的物联网通信协议，具备了支持QoS，简单易实现，报文紧凑等特点。在车联网中，大部分的车企也是采用MQTT协议来进行通讯。因此在车联网的架构中，我们需要考虑设置一个MQTT Broker集群来与大量的车辆进行连接通信。目前有很多的开源的Broker，例如ActiveMQ, EMQ, RocketMQ等等，其中EMQ和RocketMQ都是国内的产品，有详尽的中文资料介绍。这里我选择EMQ作为MQTT Broker。

2. 车辆消息的消费与存储

MQTT Broker接收到车辆的消息后，需要把消息给到上层应用来进行处理。我们可以把这些消息保存到数据库或者转发到一个消息队列来缓存。这里我选择Kafka。上层应用通过订阅Kafka主题，来获得其需要的相关车辆信息，进行处理。上层应用也可以把要下发给车辆的消息发送到Kafka的主题，然后让MQTT Broker再转发给车辆，也可以直接通过MQTT主题发布消息的方式来直接发送给车辆。

3. V2X应用

包括了V2V， V2I， V2P等应用场景，车辆需要能和不同的数据源进行消息交互，从而为驾驶提供决策信息。我将基于这个平台展示一些V2X应用的开发设计，实现3GPP规范里面制定的一些V2X场景。

4. 车辆数据分析与报表

车联网平台每天都收集和生成了大量的数据，通过对这些数据进行发掘分析，可以更好的了解业务运行的情况，同时也可以更好的为商业决策提供参考。我们可以基于目前流行的大数据处理平台，例如Spark/Beam/Flink等，对数据进行即时的处理，保存到数据仓库，随后再进行各种数据分析和报表呈现。

在这篇文章中，我先对以上提到的第一点功能进行介绍，搭建一个MQTT消息平台。

MQTT消息平台

我选择EMQX来搭建这个平台，EMQX是国内的一个优秀的MQTT broker软件，有企业版和开源版，这里我选择开源版。在官网上有介绍安装方式，在Kubernetes上是采用Operator的方式来安装的，但是我这里采用kustomization的方式来安装，因为这样方便我进行一些设置上的改动。在我本地用minikube启动了一个kubernetes cluster。

安装EMQX集群

定义一个新的namespace

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:name: emqx

为这个namespace创建一个service account并赋予相关权限

apiVersion: v1
kind: ServiceAccount
metadata:namespace: emqxname: emqx
---
kind: Role
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:namespace: emqxname: emqx
rules:
- apiGroups:- ""resources:- endpoints verbs: - get- watch- list
---
kind: RoleBinding
apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1
metadata:namespace: emqxname: emqx
subjects:- kind: ServiceAccountname: emqxnamespace: emqx
roleRef:kind: Rolename: emqxapiGroup: rbac.authorization.k8s.io

定义一个configmap，因为我们要创建一个statefulset的emqx多个节点，要实现auto cluster的功能，自动把这多个节点组成一个cluster，因此需要定义相关的配置：

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:name: emqx-confignamespace: emqx
data:EMQX_NAME: "emqx"EMQX_CLUSTER__DISCOVERY_STRATEGY: "k8s"EMQX_CLUSTER__K8S__SERVICE_NAME: "emqx-headless"EMQX_CLUSTER__K8S__NAMESPACE: "emqx"EMQX_CLUSTER__K8S__ADDRESS_TYPE: "hostname"EMQX_CLUSTER__K8S__APISERVER: "https://kubernetes.default.svc:443"EMQX_CLUSTER__K8S__SUFFIX: "svc.cluster.local"

定义一个headless的service，用于statefulset的服务暴露和通信。

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: emqx-headlessnamespace: emqx
spec:type: ClusterIPclusterIP: Noneselector:app: emqxports:- name: mqttport: 1883protocol: TCPtargetPort: 1883- name: mqttsslport: 8883protocol: TCPtargetPort: 8883- name: mgmtport: 8081protocol: TCPtargetPort: 8081- name: websocketport: 8083protocol: TCPtargetPort: 8083- name: wssport: 8084protocol: TCPtargetPort: 8084- name: dashboardport: 18083protocol: TCPtargetPort: 18083

最后是定义一个statefulset，里面包含了2个节点。

apiVersion: apps/v1
kind: StatefulSet
metadata:name: emqx-statefulsetlabels:app: emqxnamespace: emqx
spec:serviceName: emqx-headlessupdateStrategy:type: RollingUpdatereplicas: 2selector:matchLabels:app: emqxtemplate:metadata:labels:app: emqxspec:serviceAccountName: emqxcontainers:- name: emqximage: emqx/emqx:5.1.6resources:requests:memory: "1Gi"cpu: "250m"limits:memory: "1Gi"cpu: "250m"ports:- name: mqttcontainerPort: 1883- name: mqttsslcontainerPort: 8883- name: mgmtcontainerPort: 8081- name: wscontainerPort: 8083- name: wsscontainerPort: 8084- name: dashboardcontainerPort: 18083envFrom:- configMapRef:name: emqx-config

定义一个kustomization.yaml文件，把以上定义的manifest包括进来：

apiVersion: kustomize.config.k8s.io/v1beta1
kind: Kustomization
resources:
- namespace.yaml
- rbac.yaml
- configmap.yaml
- headless.yaml
- statefulset.yaml

最后运行kubectl apply -k即可部署，我们可以运行以下命令来查看emqx cluster的状态：

kubectl exec emqx-statefulset-0 -n emqx -- emqx_ctl cluster status

如果成功运行，将显示如下信息：

Cluster status: #{running_nodes =>['emqx@emqx-statefulset-0.emqx-headless.emqx.svc.cluster.local','emqx@emqx-statefulset-1.emqx-headless.emqx.svc.cluster.local'],stopped_nodes => []}

可见当前的EMQX cluster包括了两个节点并已成功运行。

配置HAProxy

下一步我将配置一个HAProxy来作为Load balancer，连接EMQX集群。这种方式可以提供如下好处：

  • HAProxy作为一个反向代理可以隐藏emqx节点的信息，并为外部提供一个统一的地址来连接
  • 可以用作MQTT over TLS的终结，减轻emqx节点处理SSL加密的计算负荷，并且简化证书部署和管理的工作
  • 提供内在的MQTT支持，支持解析MQTT消息以实现粘性附着和智能负荷分配等功能
  • 通过主备方式提供高可靠性

同样我也是以kustomization的方式来部署HAProxy

定义一个namespace

apiVersion: v1
kind: Namespace
metadata:name: haproxy

定义一个configmap，因为haproxy启动需要读取haproxy.cfg配置文件的信息，把这个文件通过configmap的方式来加载

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:name: haproxy-confignamespace: haproxy
data:haproxy.cfg: |global  log 127.0.0.1 local3 info daemon  maxconn 10240defaults  log global mode tcp option tcplog #option dontlognull  timeout connect 10000 # timeout > mqtt's keepalive * 1.2  timeout client 240s  timeout server 240s maxconn 20000backend mqtt_backendmode tcp# 粘性会话负载均衡stick-table type string len 32 size 1000k expire 30mstick on req.payload(0,0),mqtt_field_value(connect,client_identifier)server emqx0 emqx-statefulset-0.emqx-headless.emqx.svc.cluster.local:1883server emqx1 emqx-statefulset-1.emqx-headless.emqx.svc.cluster.local:1883frontend mqtt_serversbind *:1883mode tcp# 拒绝非 MQTT 连接# tcp-request content reject unless { req.payload(0,0),mqtt_is_valid }default_backend mqtt_backend

定义一个deployment

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:labels:app: haproxyname: haproxynamespace: haproxy
spec:replicas: 1selector:matchLabels:app: haproxytemplate:metadata:labels:app: haproxyspec:containers:- name: haproxyimage: haproxy:2.8ports:- name: httpcontainerPort: 80- name: httpscontainerPort: 443- name: haproxy-mgmtcontainerPort: 1024- name: mqttcontainerPort: 1883- name: mqttsslcontainerPort: 8883- name: mgmtcontainerPort: 8081- name: wscontainerPort: 8083- name: wsscontainerPort: 8084- name: dashboardcontainerPort: 18083volumeMounts:- name: haproxy-configmountPath: /usr/local/etc/haproxy/haproxy.cfgsubPath: haproxy.cfgvolumes:- name: haproxy-configconfigMap:name: haproxy-configitems:- key: haproxy.cfgpath: haproxy.cfg

定义一个service，暴露harpoxy的端口

apiVersion: v1
kind: Service
metadata:name: haproxy-servicenamespace: haproxy
spec:selector:app: haproxyports:- name: mqttport: 1883protocol: TCPtargetPort: mqtt- name: mqttsport: 8883protocol: TCPtargetPort: 8883- name: wsport: 8083protocol: TCPtargetPort: 8083- name: wssport: 8084protocol: TCPtargetPort: 8084- name: dashboardport: 18083protocol: TCPtargetPort: 18083

最后定义一个kustomization.yaml

apiVersion: kustomize.config.k8s.io/v1beta1
kind: Kustomization
resources:
- namespace.yaml
- configmap.yaml
- haproxy_deployment.yaml
- service.yaml

运行kubectl apply -k来部署

配置Ingress

在我的minikube k8s集群上暴露HAProxy的端口，使得外部可以访问MQTT。因为我想仍然暴露1883端口给外部访问，所以需要在minikube启动的时候设置

minikube start --extra-config=apiserver.service-node-port-range=1-65535

然后安装HAProxy ingress，通过helm的方式安装

helm repo add haproxytech https://haproxytech.github.io/helm-charts
helm repo update
helm install haproxy-kubernetes-ingress haproxytech/kubernetes-ingress \--create-namespace \--namespace haproxy-controller

安装完成之后，我们需要创建一个configmap，配置要暴露的TCP端口，通过kubectl apply -f来部署。

apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:name: tcpnamespace: haproxy
data:1883:haproxy/haproxy-service:18838883:haproxy/haproxy-service:8883   8083:haproxy/haproxy-service:80838084:haproxy/haproxy-service:808418083:haproxy/haproxy-service:18083

读取HAProxy ingress的配置信息，保存在values.yaml文件

helm show values haproxytech/kubernetes-ingress > values.yaml

然后在values.yaml里面找到以下对应位置，进行修改：

    tcpPorts:- name: mqttport: 1883targetPort: 1883nodePort: 1883- name: mqttsport: 8883targetPort: 8883nodePort: 8883- name: wsport: 8083targetPort: 8083nodePort: 8083- name: wssport: 8084targetPort: 8084nodePort: 8084- name: dashboardport: 18083targetPort: 18083nodePort: 18083
# add extra args in controller sectionextraArgs:- --configmap-tcp-services=haproxy/tcp

运行以下命令更新haproxy-ingress的配置

helm upgrade -f values.yaml haproxy-kubernetes-ingress -n haproxy-controller haproxytech/kubernetes-ingress

现在我们就可通过一个MQTT客户端来通过HAPROXY来连接EMQX了，服务器地址是minikubeip:1883，通过访问minikubeip:18083可以访问EMQX的dashboard

配置证书

在实际应用中，车辆和平台之间是通过TLS加密来通信的，有单向认证和双向认证两种方式。单向认证指客户端需要验证服务器端是否持有受信任的证书，双向认证则指双方都需要验证。这里以双向认证为例进行配置。

1. 创建根CA证书

以自签证书的方式来做，首先是创建一个根CA证书，如以下命令。

openssl req -newkey rsa:2048 -nodes -x509 -days 3650 -keyout root-ca.key -out root-ca.crt

用以下命令可以查看创建的证书内容

openssl x509 -noout -text -in root-ca.crt

2. 为客户端签发证书

 

有了中间CA证书后，我们就可以为客户端创建证书了，例如为一辆ID为vehicle-1的车辆签发证书。

openssl req -newkey rsa:2048 -nodes -days 365 -subj "/CN=vehicle-1/O=vehicle" -keyout client.key -out client.csr

创建一个扩展文件client-cert-extensions.cnf，声明其是client certificate type

basicConstraints = CA:FALSE
keyUsage = digitalSignature
extendedKeyUsage = clientAuth
subjectKeyIdentifier = hash
authorityKeyIdentifier = keyid,issuer

然后用中间CA证书签发

openssl x509 -req -in client.csr -out client.crt -CA intermediate-ca.crt -CAkey intermediate-ca.key    -CAcreateserial -days 365 -extfile client-cert-extensions.cnf

3. 为服务器端签发证书

同理，为服务器端也签发证书，这里稍微不同的是需要在证书里面指定服务器的IP或DNS地址。

首先创建服务器的private key

openssl genrsa -out emqx.key 2048

创建一个扩展文件openssl.cnf，其中distinguished_name可以按照自己需要设置，在IP.1和DNS.1里面设置服务器的地址。例如我在IP.1上面设置了Minikube的IP

[req]
default_bits  = 2048
distinguished_name = req_distinguished_name
req_extensions = req_ext
x509_extensions = v3_req
prompt = no
[req_distinguished_name]
countryName = CN
stateOrProvinceName = Zhejiang
localityName = Hangzhou
organizationName = EMQX
commonName = Server certificate
[req_ext]
subjectAltName = @alt_names
[v3_req]
subjectAltName = @alt_names
[alt_names]
IP.1 = BROKER_ADDRESS
DNS.1 = BROKER_ADDRESS

生成一个请求签发证书的csr

openssl req -new -key ./emqx.key -config openssl.cnf -out emqx.csr

用根CA证书签发

openssl x509 -req -in ./emqx.csr -CA root-ca.crt -CAkey root-ca.key -CAcreateserial -out emqx.crt -days 3650 -sha256 -extensions v3_req -extfile openssl.cnf

然后把emqx.crt和emqx.key合成一个文件

cat emqx.crt emqx.key > server.pem

4. 创建一个secret

把刚才创建的emqx.pem，root-ca.crt文件的内容保存到secret中，定义一个yaml

apiVersion: v1
kind: Secret
metadata:name: haproxy-secretnamespace: haproxy
type: Opaque
stringData:server.pem: |-----BEGIN CERTIFICATE-----XXXX-----END CERTIFICATE----------BEGIN RSA PRIVATE KEY-----XXXX-----END RSA PRIVATE KEY-----cacert.pem: |-----BEGIN CERTIFICATE-----XXXX-----END CERTIFICATE-----

5. 修改haproxy deployment

修改之前定义的haproxy deployment manifest，在Volumes增加一个secret类型的volume

      - name: haproxy-secretsecret:secretName: haproxy-secretitems:- key: server.pempath: server.pem- key: cacert.pempath: cacert.pem

在volumeMounts里面增加挂载

        - name: haproxy-secretmountPath: /etc/haproxy/certs/cacert.pemsubPath: cacert.pem- name: haproxy-secretmountPath: /etc/haproxy/certs/server.pemsubPath: server.pem

6. 修改HAproxy.cfg配置

在刚才定义的configmap中，修改HAproxy.cfg的配置，增加一个mqtt_tls_frontend的配置，表示要启用双向认证

    frontend mqtt_tls_frontend# bind *:8883 ssl crt /etc/haproxy/certs/server.pem # 双向认证bind *:8883 ssl crt /etc/haproxy/certs/server.pem ca-file /etc/haproxy/certs/cacert.pem verify requiredmode tcpdefault_backend mqtt_backend

最后重新部署HAproxy即可生效

连接检验

我们可以用mqttx来测试一下连接到MQTT消息平台

运行以下命令来订阅hello主题的消息，可见能成功连接。

mqttx sub -t "hello" -h "minikubeip" -p 8883 -l "mqtts" --key "client.key" --cert "client.crt" --ca "root-ca.crt"

可见我们已经成功搭建了一个EMQX的消息平台，可以实现与车辆之间的MQTT消息通信。

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