Container-Anwendungen auf ressourcenarme Edge-Hardware bringen

Die Herausforderung: Kubernetes ist für kleine Edge-Systeme zu komplex

Viele Industrieunternehmen stehen beim Betrieb ihrer OT-Lösungen vor zwei grundlegenden Herausforderungen:

• Anwendungen rücken näher an Maschinen und Anlagen heran und bilden eine Industrial Edge.
• Der Bedarf wächst, auch in der Industrial Edge Container-Anwendungen zu nutzen.

Container-Anwendungen vereinfachen den Einsatz auf heterogener Hardware und erleichtern die Aktualisierung auf neue Versionen. Hinzu kommt, dass viele Produktionsstandorte nicht dauerhaft mit einer zentralen Cloud oder einem Rechenzentrum verbunden sind. Anwendungen müssen deshalb auch bei einem instabilen Netzwerk lokal weiterlaufen. Für Unternehmen entsteht damit ein Spagat zwischen moderner Anwendungsplattform und geringem Ressourcenverbrauch.

In der IT hat sich Kubernetes als Standard für das Management von Container-Anwendungen etabliert. Es bietet ein großes Ökosystem an Werkzeugen, standardisierten Schnittstellen und fertigen Anwendungen. Der Kubernetes-Betrieb bringt jedoch eine Komplexität mit sich, die auf kleinen Geräten nicht sinnvoll ist. Denn die Software wurde ursprünglich für Cluster mit mehreren Rechenknoten (Nodes) entwickelt. Dazu gehören außerdem eine sogenannte Control Plane als zentrale Steuerungsebene, Netzwerkfunktionen, Speicherverwaltung und zahlreiche Mechanismen für verteilte Systeme.

Kurz: Eine Kubernetes-Umgebung ist normalerweise umfangreich und ressourcenintensiv. Selbst die schlanken Kubernetes-Distributionen K3s oder MicroK8s haben relativ hohe Anforderungen. Anspruchsvolle Funktionen wie Multi-Node-Clustering oder Hochverfügbarkeit brauchen viele Systeme der Industrial Edge dagegen gar nicht.

Ein weiterer Faktor ist das Know-how. Gerade im Mittelstand ist die OT-Kompetenz groß, die IT-Ressourcen sind jedoch knapp. Selbst in IT-Abteilungen fehlt oft Erfahrung mit Containern und Kubernetes. Gefragt ist deshalb eine Distribution, die auf kleinen Systemen arbeitet, alle Grundfunktionen mitliefert und sich betreiben lässt, ohne dass Mitarbeitende zu Kubernetes-Experten werden müssen.

Die Lösung: Schlankes Kubernetes für den Single-Node-Betrieb

Portainer, Anbieter einer Plattform für das Container-Management von der Cloud bis zur Industrial Edge, verfolgt deshalb mit KubeSolo einen OT-spezifischen Ansatz für Industrieunternehmen aus dem Mittelstand. Technisch basiert das System auf K3s. Portainer hat diese schlanke Distribution zu einem gehärteten Single-Node-System für ressourcenarme Geräte weiterentwickelt.

Hintergrund ist auch die Erfahrung, dass Änderungen an Schnittstellen bestehende Infrastrukturen schnell lahmlegen können. Als Docker eine ältere API-Version abkündigte, funktionierten viele Container-Umgebungen nicht mehr. Portainer stellte damals innerhalb von ein bis zwei Tagen ein Update bereit. Mit KubeSolo setzt das Unternehmen auf die stabile Kubernetes-API und entwickelt die Distribution aktiv weiter, sodass Anwender jederzeit die aktuelle Version einsetzen können.

Weniger Komponenten senken den Ressourcenbedarf

Für KubeSolo wurden vor allem Funktionen entfernt oder vereinfacht, die für den Betrieb auf einem einzelnen Gerät nicht erforderlich sind. Dazu zählen Multi-Node-Clustering, Hochverfügbarkeit über mehrere Nodes und der Datenspeicher etcd. Auch die Netzwerk- und Ingress-Funktionen sind für den Einsatz auf einem einzelnen Host zugeschnitten, sodass Speicherbedarf und CPU-Last sinken. Gleichzeitig bleiben zentrale Kubernetes-Schnittstellen erhalten.

Unternehmen können auf diese Weise bestehende Container-Anwendungen in der Produktion einsetzen, ohne an jedem Standort einen vollständigen Cluster betreiben zu müssen. In Verbindung mit der Portainer-Plattform lassen sich zudem Systeme der Industrial Edge zentral verwalten. So entsteht eine Architektur, die den begrenzten Ressourcen industrieller Geräte Rechnung trägt. Der Speicherbedarf liegt unter 200 MB RAM. KubeSolo eignet sich gut für Geräte mit 512 MB Arbeitsspeicher und wurde laut Portainer sogar auf Geräten mit 128 und 256 MB erfolgreich getestet. Die Distribution schließt so die Lücke zwischen einem einfachen Container-Host unter Docker oder Podman und einem vollständigen Cluster.

Kubernetes läuft auch auf älterer Industrie-Hardware

Ein wichtiges Merkmal von KubeSolo ist die Ausrichtung auf vorhandene Industriesysteme. Es funktioniert auf einer breiten Auswahl an Hardware und Architekturen. Viele Systeme in der Industrie gelten nach den Maßstäben klassischer IT als alt oder stark eingeschränkt. Dazu gehören Single-Core-Systeme, ältere ARM-Architekturen und Geräte mit sehr wenig Speicher. Doch gerade diese Systeme sind im Industrial IoT eine wichtige Ebene zwischen der Sensorik an den Maschinen und den übergeordneten IT-Systemen. Für diesen Einsatzzweck bietet KubeSolo die folgenden Merkmale:

• Es unterstützt die bekannten Prozessorarchitekturen x86/x64, ARM und ARM64.
• Als Betriebssystem sind moderne Linux-Distributionen wie Ubuntu, Arch Linux, Armbian und Siemens Industrial OS möglich.
• Es besitzt ein auf den Single-Node-Betrieb zugeschnittenes Netzwerkmodell. Alle notwendigen Funktionen des „Container Network Interface (CNI)“ sind enthalten. Dadurch ist die Netzwerkkonfiguration deutlich einfacher.
• Zu den getesteten Plattformen zählen NVIDIA Jetson für Edge AI, Siemens SIMATIC IOT2050, Raspberry-Pi-Systeme, Zimaboard und Intel-Atom-Plattformen. Hinzu kommen Linux-fähige Systeme von Beckhoff, Phoenix Contact und Advantech.
• Es lässt sich über die Standard-API beispielsweise mit kubectl, OpenLens, Headlamp, K9s oder Entwicklungswerkzeugen wie VS Code administrieren.

Aus Sicht einer Anwendung verhält sich KubeSolo wie Kubernetes. Der API-Endpunkt entspricht der jeweiligen Version und alle Ressourcendefinitionen lassen sich weiterverwenden. Auch persistente Daten lassen sich über einen lokalen Speicher-Provisioner verwalten, ein wichtiges Kriterium für die Industrie. Für externe Speicherlösungen gibt es ebenfalls Schnittstellen. Zudem lassen sich für jeden Container Grenzen für CPU, Arbeitsspeicher und Speicherplatz festlegen. So werden die knappen Ressourcen des Geräts gezielt verteilt.

Ein weiteres Merkmal ist die lokale Autonomie. Jedes Gerät verfügt über eine eigene Control Plane, also eine eigene Steuerungsebene. Es muss deshalb nicht als Worker Node Bestandteil eines Clusters sein und kann autonom arbeiten. Darüber hinaus bleibt die lokale Kubernetes-Steuerung auch dann erhalten, wenn die Verbindung zur Zentrale ausfällt. Das ist besonders für Standorte interessant, die nur geringe Bandbreite bieten, eine hohe Latenz haben oder an denen Verbindungsunterbrechungen häufig sind. Sobald wieder eine Verbindung besteht, werden Telemetrie, Gerätestatus und Updates mit der übergeordneten Ebene ausgetauscht.

Open Source und zentrale Verwaltung ergänzen sich

KubeSolo ist eine Open-Source-Distribution mit einer kostenlosen und einer kommerziellen Variante.

• Die kostenlose Variante bietet den vollständigen Funktionsumfang von KubeSolo und kann unabhängig von Portainer eingesetzt werden. Deshalb eignet sie sich für einzelne Systeme in der Industrial Edge. Unterstützung erfolgt in diesem Fall über die Community.
• Die kommerzielle Variante kombiniert KubeSolo mit der Portainer-Plattform. Sie richtet sich vor allem an Unternehmen, die größere Flotten verteilter Edge- und Industrial-IoT-Systeme zentral betreiben und kommerziellen Support nutzen möchten. Dabei läuft das System als eigenständige Single-Node-Laufzeitumgebung auf dem jeweiligen Gerät. Portainer übernimmt die zentrale Verwaltung aller Instanzen.

Das Ergebnis: Edge-Systeme werden zur Kubernetes-Plattform

Aus geschäftlicher Sicht macht KubeSolo vor allem bereits installierte Systeme besser nutzbar und vereinfacht den Einstieg in Kubernetes. Bei Nutzung von KubeSolo muss bestehende Hardware nicht durch leistungsfähigere Systeme ersetzt werden. Anwendungen arbeiten auf Geräten, die für andere Kubernetes-Distributionen zu schwach wären. Unternehmen erhalten außerdem Zugang zum Docker- und zum Kubernetes-Ökosystem. Statt Funktionen wie Datenaggregation, Visualisierung oder Protokollkonvertierung selbst zu entwickeln, können sie fertige Lösungen als Container einsetzen. Ein Proof of Concept besteht dann oft nur noch aus der Konfiguration eines Containers.

So wird aus einem einzeln betreuten Gerät ein standardisierter Kubernetes-Endpunkt, der bei Verbindungsproblemen autonom bleibt. Das System eignet sich deshalb gut für Produktionsstandorte, Anlagen oder andere Geräte mit instabiler oder bewusst eingeschränkter Konnektivität.

Gleichzeitig bildet Portainer eine zentrale Ebene für Verwaltung und Governance. Die Plattform überwacht, konfiguriert und steuert viele autonome KubeSolo-Instanzen aus einer übergeordneten Oberfläche heraus. Die Kubernetes-Kompatibilität erweitert außerdem die Anzahl verfügbarer Anwendungen.

Zudem begrenzen die einfache Installation und Aktualisierung den Betriebsaufwand. KubeSolo wird als einzelne ausführbare Datei (Binary) bereitgestellt und durch ihren Austausch einfach auf eine neue Version aktualisiert. Durch Installationsskripte ist der Aufbau neuer Umgebungen schnell möglich. Gerade in größeren Flotten ist diese Einfachheit entscheidend: Jeder zusätzliche Konfigurationsschritt für ein einzelnes Edge-Gerät führt bei Hunderten oder Tausenden Instanzen zu einem erheblichen Gesamtaufwand.

KubeSolo in der Praxis

Erste Einsatzszenarien zeigen, wie sich KubeSolo für Datenerfassung und -auswertung in industriellen Umgebungen nutzen lässt. In einem Offshore-Projekt aus der Öl- und Gasindustrie wird die Technologie derzeit als möglicher Ersatz für bestehende Docker-Endpunkte erprobt. Diese erfassen über Feldbusse Messdaten von Stromwandlern in Schaltanlagen und stellen sie für die Überwachung des Energieverbrauchs bereit.

In einem weiteren Schritt könnte die Plattform auch das bislang pro Standort eingesetzte System zur Datenaggregation ersetzen, Messwerte lokal verarbeiten und relevante Daten an übergeordnete IT-Systeme weitergeben.

Bei einem anderen Unternehmen ist KubeSolo bereits produktiv im Einsatz, unter anderem um Lizenzkosten für bestehende VM-Infrastrukturen zu senken. Dort ist zudem eine verteilte Architektur in Planung, in der jeder Standort autonom arbeitet. Updates sollen sich auch dann lokal einspielen lassen, wenn zeitweise keine Verbindung zur zentralen Infrastruktur besteht.

Weitere Erprobungen laufen in der Fertigung, wo ein Industrieunternehmen die Plattform mit Testlizenzen direkt auf Bare-Metal-Systemen einsetzt. Darüber hinaus prüfen mehrere große Hersteller von Automatisierungs- und Prozessleitsystemen die Technologie intern als mögliche Basis für eigene Produkte.

Portainer entwickelt KubeSolo kontinuierlich weiter. Geplant ist unter anderem, neue Geräte direkt nach dem Auspacken über Portainer mit KubeSolo auszustatten und Grafikprozessoren für KI-Anwendungen am Edge bereits bei der Installation einzubinden.