Praktische Tipps für die leichte und einfache Verwaltung von IoT Edge Devices

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Überall dort wo Cloud-Computing auf die Steuerung und Überwachung im Feld trifft und dies zudem zuverlässig funktionieren muss, wird oft auf Edge-Computing zurückgegriffen.
Dies hilft beispielsweise Unterbrechungen im Betrieb zu vermeiden, da das Gesamtsystem auch ohne eine permanente Online-Verbindung über ein Netzwerk weiter funktioniert.
In der Cloud selbst (und dies gilt auch für jedes vernünftige Rechenzentrum) ist es hier ohne Probleme möglich, eine entsprechende Verfügbarkeit zu gewährleisten.
Wendet man den Blick aber in Richtung Edge, sieht die Welt wieder ganz anders aus: Keine redundante Internetanbindung/-Infrastruktur, Zuständigkeiten verschiedenster Dienstleister/Provider und Netzwerke zwischen Rechenzentrum und Edge-Device.
Hier kann dann schnell mal etwas schiefgehen oder einfach ausfallen – die Fehlerquellen sind sehr vielfältig. Eine Analyse der Probleme ist jedoch unter diesen Umständen relativ zeitraubend und aufwendig.
Aber schieben wir diese sehr kurze Einführung in das Thema Edge-Computing beiseite und betrachten das hieraus resultierende Problem:

Wie verwalte ich die Edge-Devices am besten?

Hat man bereits ein Cloud-Setup für seine IT-Infrastruktur und nutzt hier die Vorteile wie beispielsweise IaC (Infrastrucute-as-Code) und CD (Continuous-Delivery), meldet sich sofort dieses unangenehme Gefühl in der Magengegend, das einem nichts Gutes signalisiert, da solche Tools und Workflows für Edge-Computing – wenn überhaupt – nur sehr schwer umzusetzen sind.
Um genau dieses Thema zu adressieren, haben die großen Cloud Anbieter – und hier allen voran AWS – entsprechende Frameworks für Edge Devices geschaffen. Mit AWS Greengrass steht ein mächtiges Werkzeug zur Verfügung, um Komfortfunktionen, wie man sie aus der Cloud Welt kennt, auch auf einem Edge Device zur Verfügung zu haben.
Zu den wichtigsten Funktionen zählen:

Sicherer Remote Zugriff auf die Geräte (Tunnel)
Verwaltung von Software, insbesondere die Verteilung von Updates
Sicherer Datenkanal in die Cloud mit automatischer Zwischenspeicherung für den Fall, dass die Verbindung nicht möglich ist
Eine Laufzeitumgebung, um z.B. Serverless-Anwendungen, wie z.B. Lambda auszuführen

Der Workflow sieht dabei primär vor, die Greengrass Installation in einen Container zu packen und diesen auf dem Edge-Device laufen zu lassen. Da sich tendenziell auch viel häufiger Änderungen an der Anwendung selbst ergeben, als es z.B. nötig ist, eine neue Greengrass Version einzusetzen oder die Firmware des Edge-Devices zu aktualisieren, ist hiermit zumindest schon einmal ein großer Teil der Deployments von Änderungen an der Software sehr einfach möglich.

Firmware und Betriebssystemupdates

Was ist aber mit dem ganzen Rest: Updates von Greengrass selbst, das Betriebssystem, sonstige Systemkomponenten, wie Treiber, Bibliotheken, usw.?
Auch diese Teile des Systems müssen regelmäßig aktualisiert werden!
Um dies zu ermöglichen, ist ein Edge-Device mit einer zuverlässigen Gesamtarchitektur notwendig. Das bedeutet, das es möglich sein muss, die Basis Softwarekomponenten upzudaten, ohne hier im Urschleim der Linux Paketverwaltung herumzuwühlen.
Aus unserer Sicht hat HARTING hier mit der MICA Box ein hervorragendes Gesamtsystem gebaut, welches den Betreiber von diesen Arbeiten großenteils entlastet.
Was bedeutet das in der Praxis?
Bei der HARTING MICA stellt der Hersteller das Basissystem (Linux) sowie diverse Funktionscontainer zur Verfügung. Das Besondere dabei ist der Umstand, dass alle vom Hersteller gelieferten Container mit einer Web-Socket Schnittstelle ausgestattet sind. Damit wird es einem ermöglicht, sehr einfache die Container zu Verwalten und zu Konfigurieren.
Auf diese Weise ist es mit sehr geringem Aufwand möglich, über den von SIC! Software verfügbaren Greengrass Container alle anderen Container auf der MICA und das Betriebssystem selbst über einige wenige API-Aufrufe vollständig zu steuern. Der Greengrass Container ist der Master und somit in der Lage, neue Container zu installieren, bestehende Upzudaten, etc.
Ohne die Bereitstellung dieser Basisfunktionalität von HARTING müsste der geneigte Nutzer das alles selbst in die Hand nehmen. Insbesondere das Update der Basissoftware eines Edge-Device, wie der MICA, ist ohne diese Vorarbeiten nur mit erheblichem Entwicklungsaufwand zu bewerkstelligen.
Um dies zu gewährleisten greift Harting hier auf Container zurück.
Allerdings setzt man hier aufgrund der nur geringen Hardware-Ressourcen, die in der Regel auf einem Edge-Device zur Verfügung stehen, nicht auf Technologien wie Docker oder Podman, sondern verwendet die Basis-Technologie LXC.
Mit Containern kann man alle diese Abhängigkeiten als ein einzelnes Image zur Verfügung stellen, dass mit wenig Handgriffen installiert bzw. aktualisiert werden kann.
Nachdem nun die Application(s) sowie das Image über eine CD-Pipeline ausgerollt werden können, bleibt noch die Aktualisierung des Host-OS bzw. der Firmware selbst.
Hier gilt es ein Edge-Device auszuwählen, das per Netzwerk aktualisiert werden kann.
Integrieren wir nun unseren Management-Dienst mit AWS Greengrass, erhalten wir einen zentralen Management-Hub in der Cloud, der alle Teilbereiche unseres Edge-Devices verwaltet – von Firmware über LXC-Container bis hin zur Greengrass Installation.
Und damit ist dann das Ziel eines jeden Systemadministrators erreicht: Ein transparenter, durchgängiger Prozess, um alle Ebenen der Software eines professionell eingesetzten Edge-Computing-Devices zu verwalten.

Fazit

Unter Verwendung der HARTING MICA und von AWS Greengrass lassen sich grundsätzlich alle Aspekte eines Edge-Devices zentral verwalten. Integrieren wir diese nun in einen Management-Dienst, erhalten wir einen zentralen Management-Hub, der alle Teilbereiche unseres Edge-Devices verwaltet – von Firmware über LXC-Container bis hin zur Greengrass Installation. Außerdem lassen sich so der Status und die Zustände aller Komponenten zentral überwachen, und im Falle von Problemen können diese schnell identifiziert werden oder sogar vor dem Eintreten erkannt und beseitigt werden.

Einige IoT Praxis-Beispiele für den Einsatz der der HARTING MICA mit AWS Greengrass finden Sie bei unseren IoT Case Studies.

Z.B. beim Technologiedemonstrator für vernetzte Ventilatoren, einem Projekt der Firma Rosenberg Ventilatoren:

Stehen Sie aktuell vor einer Edge Computing Herausforderung?

Gerne unterstützen unsere IoT Experten Sie bei Ihren Projekten und helfen Ihnen dabei, möglichst optimale Lösungen zu finden.

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2020-02-07/0 Kommentare/von Rayko Enz

Embedded Software Entwicklung mit dem Standard Finite State Machine Framework

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Herausforderungen bei IoT- und Smart Products Projekten

Heutzutage ist Embedded Software Entwicklung nicht mehr vergleichbar mit dem, was noch vor 10 Jahren Stand der Technik war. Die IoT-Produkte werden immer komplexer und die IoT-Hardware immer leistungsfähiger. Steigende Komplexität beim Embedded Software Design führt aber aber zwangsweise auch zu einer höheren Fehleranfälligkeit.

Gerade bei Smart Products ist aber die Robustheit des Embedded Software Designs ein ganz entscheidendes Kriterium. Denn die IoT-Devices müssen häufig über sehr lange Zeiträume laufen, haben aber kein User Interface, um das Gerät neu zu starten, wenn es mal hängt.

Mit klassischen Software-Entwicklungs-Methoden lässt sich aber die Komplexität bei der Entwicklung eines robusten Embedded Software Designs kaum mehr beherrschen. Zahlreiche von uns durchgeführte Code-Review-Projekte zeigen das immer wieder schmerzlich aufs Neue.

Doch wie erreicht man nun einen anderen Level bei der Embedded Software Entwicklung für Smart Products mit einem Real Time OS wie z.B. RTOS oder ThreadX?

Quality by Design: Das Standard Finite State Machine Framework

Das Zauberwort heißt hier: Event Driven Architecture. Durch den Einsatz eines Standard Finite State Machine Framework (http://www.state-machine.com/) erreicht man einen neuen Level an Stabilität und Robustheit im Embedded Software Design. Dabei geht die Architektur weg von klassischen Thread-Syncronisations-Methoden hin zu Event gesteuerten Programmabläufen.

Dieses Schaubild verdeutlich diesen Paradigmenwechsel sehr gut:

Embedded Software Design Paradigm Shift

http://embedded-computing.com/eletter-products/asynchronous-event-driven-architecture-for-high-reliability-systems/

Doch warum ist nun eine Event Driven Architecture so viel besser als „klassische“ Embedded Software Entwicklungs-Methoden?

Dafür gibt es zwei Gründe:

1. Threads

Threads sind eine große Hilfe bei der Entwicklung komplexer Embedded Software. Allerdings gestaltet sich die Synchronisation und Kommunikation schwierig und erfordert vom Entwickler ein sehr hohes Maß and Disziplin, Erfahrung und Überblick über den Code. Mit wachsender Komplexität der Anwendung wird das Thread Handling aber immer anfälliger für Fehler. Die üblichen damit einhergehenden Probleme sind Race Conditions, Deadlocks, Performance Probleme, usw. Fehler in diesem Bereich sind in der Regel auch am schwersten zu finden und zu reproduzieren.

Um diese Probleme beim Embedded Software Design zu adressieren, hat man entsprechende Regeln für die Software Entwickler erdacht.

Siehe: https://herbsutter.com/2010/07/12/effective-concurrency-prefer-using-active-objects-instead-of-naked-threads/

Don’t block inside your code. Instead communicate among threads asynchronously via event objects → This makes threads run truly independently, without blocking on each other
Don’t share any data or resources among threads. Keep data and resources encapsulated inside threads (“share-nothing” principle) and instead use events to share information
Organize your threads as “message pumps” (event queue + event loop)

Wenn man es schafft, diese Regeln konsequent umzusetzen, erhält man entsprechend robusten Embedded Software Code. Die Erfahrung zeigt aber, dass Menschen immer wieder Fehler machen bzw. sich aufgrund von Komplexität Fehler einschleichen.

Die Lösung:
Durch den Einsatz des Standard Finite State Machine Framework erzwinge ich die Einhaltung der oben genannten Regeln einfach durch eine Umkehr der Kontrolle. Das Framework sorgt mit dem Design dafür, dass die Spielregeln bei der Embedded Software Entwicklung eingehalten werden und ich kann als Entwickler keine solchen Fehler mehr einbauen.

2. Spaghetti Code

In der Regel fängt alles immer ganz harmlos an und der Entwickler schreibt eine Methode, um Events zu verarbeiten. Mit der Zeit kommen jedoch immer mehr neue Events und immer komplexere Bedingungen hinzu. Die if-then-else Statements werden mehr und mehr und immer verschachtelter – bis zu dem Punkt, dass ein Außenstehender nicht mehr versteht, was eigentlich passiert. Dieses Problem lässt sich dann durch entsprechendes Refactoring zwar wieder eindämmen – besser wäre es aber, wenn es erst gar nicht entstehen kann.

Die Lösung:
Auch dafür sorgt das Standard Finite State Machine Framework, weil hier gänzlich anders an die Problemstellung heran gegangen werden muss. Das führt nachweislich zu besseren Ergebnissen bei der Entwicklung eines robusten Embedded Software Designs. Eine sehr schöne Beschreibung (englisch) gibt es hier:
https://www.state-machine.com/doc/Modern_Programming_Slides.pdf

Wenn auch Sie Probleme mit unzuverlässigem Embedded Software Code haben, sprechen Sie uns an! Unsere Spezialisten prüfen gerne gemeinsam mit Ihnen, wie ein Re-Design Ihrer Lösung aussehen kann. Sie profitieren dabei von unserem speziellen Architektur- und Entwicklungs-Know-how für robustes Embedded Software Design und der langjährigen Erfahrung aus zahlreichen IoT- und Smart Products Projekten.

Auch für die Entwicklung neuer Smart Products und in neuen IoT-Projekten hat sich diese Vorgehensweise mit dem Standard Finite State Machine Framework als sehr erfolgversprechend gezeigt.

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