Облачная платформа для Wiren Board

Мы разработали облачную платформу для управления промышленными IoT-устройствами. Делимся, как нам удалось это сделать небольшой командой в сжатые сроки и при этом не потерять в качестве. 

Наш клиент — компания Wiren Board. Они делают модульные программируемые контроллеры на базе Linux. Это маленькие компьютеры, размером как два сложенных вместе айфона. Их используют для того, чтобы управлять вещами в реальной жизни. Умные жалюзи дома, климат-контроль в дата-центрах и теплицах, холодильники в магазинах и фритюрницы в ресторанах, оборудование заводов и даже управление баней — вы удивитесь, как часто вы пользуетесь контроллерами Wiren Board, не замечая их.

Задача

Крупные заказчики используют несколько десятков, а иногда даже сотен таких контроллеров и управление ими — это куча работы. Их нужно учитывать, настраивать и прошивать, а об инцидентах узнавать как только они произошли, а не от пользователей.

При этом, если вы покупали какое-нибудь умное устройство в последнее лет 5-10, от часов до робота-пылесоса, то наверняка производитель предлагал вам возможность управлять своим устройством через интернет. Аналогичная облачная платформа сильно упростит жизнь клиентам Wiren Board.

Мы решили начать с интерфейса, где пользователи смогут посмотреть все принадлежащие им контроллеры — чтобы можно было проверить показания датчиков и бизнес-метрик, а в случае проблем — подключиться к устройствам по SSH; напомню, наши пользователи — это сисадмины крупных компаний. Забегая вперёд, добавлю, что инструмент оказался полезным не только сисадминам, но и IoT-энтузиастам, которые держат 1– 2 контроллера у себя дома.

Клиент, как всегда, хотел запуститься как можно скорее. Для этого мы максимально использовали готовые opensource-решения.  IoT — уже довольно развитая область и это позволило нам запуститься в рекордные 3 месяца, а ещё не тратить время и деньги на изобретение и поддержку своих собственных велосипедов.

Метрики

Для сбора данных с IoT устройств есть целый ворох протоколов и решений. Мы остановились на связке Telegraf и InfluxDB. 

Telegraf — это агент для сбора данных, который живёт на устройстве, собирает несчётное количество параметров системы и передаёт их к нам в облако. В итоговом решении мы получаем через него стандартный набор системных метрик вроде состояния сервисов,нагрузки на CPU и количества свободной памяти, а также данные с MQTT-шины, на которой работает системное ПО Wiren Board.

В мире IoT очень важен размер программы. Telegraf — модульная система, так что мы выключили лишнюю функциональность при компиляции и собрали 15Мб образ вместо 211Мб.

Для бэкенда облака мы выбрали базу временных рядов InfluxDB. База временных рядов — это база данных, которая хранит изменяемые во времени значения. Если привычный PostgreSQL работает со статичными таблицами, как в справочнике, то InfluxDB хранит историю изменений — как в выписке из банка есть остаток на счёте после каждой операции. Такой формат позволяет делать быстрые выборки вида «как коррелирует время ответа сервиса с загрузкой CPU между 01:30 и 01:35 5 февраля».

Нам важна безопасность данных, чтобы клиенты не могли случайно получить доступ к информации друг-друга, а хакеры — вообще ни к каким данным.

В InfluxDB мы надежно разделяем данные пользователей путем создания внутри базы изолированных организаций, а также используем встроенный API для ротации токенов как на запись для агентов, так и для доступа к данным со стороны Grafana для конечных пользователей.

Часть самых важных метрик системы, а некоторые данные с MQTT-шины мы интегрировали с бекендом, который разработали на Django и выводим самую ключевую информацию прямо на странице контроллера:

Туннели

Обычно контроллеры живут в закрытых корпоративных сетях и подсоединиться к ним извне довольно тяжело — вряд ли кто-то будет давать белый IP-адрес железке, которая управляет фритюрницей. Решение — туннели: сам контроллер подключается к нашему серверу, а мы, при необходимости, используем уже установленное соединение, чтобы достучаться до контроллера.

Самый простой механизм для этого — VPN — виртуальная частная сеть, проложенная поверх интернета. Сегодня VPN ассоциируется с доступом к инстаграму, но изначально он был разработан как раз для решения подобных задач. Нам, к сожалению, VPN не подходит. Имеющиеся решения либо тяжеловесны, либо плохо работают на территории России — Роскомнадзор режет все VPN без разбора. А ещё они требовали от нас очень много телодвижений — настроить распределение IP-адресов в сети и изолировать сети клиентов  друг от друга.

Мы любим простые решения, поэтому остановились на frp. Fast reverse proxy — маленькая программа, которая очень хорошо решает одну конкретную задачу. Клиентская часть frp устанавливается на контроллер и соединяет выбранные локальные порты контроллера с сервером. Для подключения по SSH мы используем слегка доработанный веб-терминал WebSSH, который внутри сети облака соединяется с открытым портом frp через авторизационный прокси. Прокси нужен, чтобы пользователи не могли получить доступ к чужим контроллерам.

Авторизация звучит просто, а для пользователей проходит абсолютно незаметно, но на деле это одна из самых сложных частей этого проекта:

Ключевой элемент системы — уникальный аппаратный ключ, который установлен на каждом контроллере: его мы используем для аутентификции контроллера на сервере и для шифрования всего трафика. Делает это небольшой агент на python, который ходит в облако и получает оттуда инструкции — какие создавать туннели и как ротировать токены

Схема работы frp с нашим агентом:

Итоги и планы

Весь проект удалось сделать всего двумя программистами и уже через 3 месяца после начала работ мы запустили тест с первыми настоящими пользователями.

Мы уже собрали первую обратную связь от пользователей и сформировали беклог продуктовых задач. Оказалось, что клиенты Wiren Board уже давно ждали такой инструмент и остались довольны тестированием MVP.

Сейчас мы помогаем Wiren Board нанять сотрудников в команду, которая будет поддерживать и развивать этот продукт дальше.

В проекте участвовали:

• Ведущий разработчик и автор этого текста — Алексей Чудин,
• фронтендер — Тимур Брачков,
• бекендер — Николай Кирьянов,
• руководитель проекта — Настя Шаркова.