DIY 一个运维神器 Open IP-KVM

小小袋鼠

引言

对技术爱好者来说，家里有几台不接外设，用作服务器的电脑是很常见的。当这些机器出现问题时，运维十分不便。
IPMI 技术可以解决这个问题，但此功能一般只有服务器主板才支持。
也有一些商业化的盒子可以解决这个问题，比如某葵的控控A2。
这篇文章提供一个自己实现 IP-KVM 的方案。
总体硬件投入 ~ 170 RMB。
什么是 IP-KVM，和软件远程桌面有什么不同？

KVM = Keyboard Video Mouse
IP-KVM 即 KVM over IP， 此类设备可以将目标机器的视频输出通过网络串流到客户端，并将客户端的操作同步回目标机器，实现一个硬件版本的远程桌面效果。
软件远程桌面需要目标机器有正常的 OS 和网络连接，并且预先配置好。在运维场景下，这个条件比较苛刻。
KVM 方案是带外的，所以可以用来设置 BIOS，安装系统等更底层的场景。

代码仓库

方案

1.如何采集视频输出

使用 HDMI-USB 视频采集卡获取信号， 通过 MJPG-Streamer 推流
2.如何模拟键盘，鼠标操作

使用串口控制支持模拟 HID 设备的单片机，单片机通过 USB 连接到目标设备
3.客户端

使用浏览器作为远控客户端
4.架构图




系统架构

硬件选型

1. 运行平台

这里采用一个 运行 Linux 的低功耗电脑 (SBC) 作为 IP-KVM 软件的运行平台。
常见的有树莓派或海鲜市场的某讯 N1。



某讯 N1



Raspberry Pi 4 Model B

如果使用 N1，需要刷入 Armbian，还需要一个 USB-TTL 的串口适配器(PL2303HX)。
这里给出 N1 相关的一些教程。

• exciting frog：在斐讯N1盒子上刷入Linux系统代替树莓派做小型服务器
  
• lryong：Armbian 配置 WIFI 教程
  

如果树莓派比较老，是不带 WIFI 的型号，还需准备一个 USB 网卡。
2. 单片机键鼠模拟

模拟 HID 采用 Arduino Leonardo，有成熟的库和实例代码。



Arduino Leonardo

3. HDMI 采集

HDMI-USB 采集卡市面上基本都是基于 MS2109 芯片的方案，支持最高 4K 30FPS 输入和 1080P 30FPS 输出。



HDMI-USB 采集卡

注意需要选择支持 M-JPEG 输出的采集卡，可以免去视频编码流程直接串流，这样对于 Linux 板子基本没有性能要求。
这里我走过一些弯路:

一开始选择采用常见的直播推流方案，即采集卡用 YUV 输出，FFmpeg 进行H.264编码，使用 FLV 封装 RMTP 推流到远端。 结果是性能和延迟都很爆炸，完全不可用。

软件实现

代码结构
open-ip-kvm
    │
    ├─public
    │      app.mjs
    │      index.html
    │      kb.mjs
    │      mouse.mjs
    │      style.css
    │      ws.mjs
    │   
    │   
    ├─server
    │      config.json
    │      index.js
    │      mjpg-streamer.js
    │      serial.js
    │
    └─virt-hid-arduino
            device-info.txt
            virt-hid-arduino.ino1. IP-KVM 软件

使用 Node 编写，主要功能

• 提供静态 HTML 资源
  
• 浏览器通过 Websocket 将用户的鼠标，键盘指令发给 Node 服务，Node服务通过串口转发到 Leonardo
  

2. 浏览器客户端

主要功能

• 显示 MJPEG 视频流
  
• 采集键鼠操作并通过 Websocket 发送
  
• 简单的 UI 交互
  

值得一提的有

• PointerLock API 的使用
  
• 与单片机交互的二进制协议是在前端实现的，分为 KB_EVT，MOUSE_EVT 和 KEY_SEQUENCE_EVT 三种事件
  
  
  
  • 前两者是定长的，代表捕获的键鼠事件，包括 KeyDown, KeyUp, MouseDown, MouseUp 等子类型
    
  • KEY_SEQUENCE_EVT 是 ASCII 字符序列，会按照顺序逐个执行对应按键按下-抬起的动作，用于 Remote Paste
    
  
  

3. Arduino Leonardo HID 模拟

参考官方库即可，主要的问题在于实现一个相对鲁棒的二进制协议。
详见 Repo 的 virt-hid-arduino/virt-hid-arduino.ino
成本汇总

项目	参考价格
某讯 N1	80，之前40入手
Arduino Leonardo	45
HDMI-USB 采集卡	30
USB-TTL 转换器	15
总计	170

测试效果

使用时只需要将 SBC 供电，并且将 HDMI 线和 Leonardo 的 USB 插到目标机器，就可以通过浏览器控制了。
实测键盘延迟完全不可感，鼠标略有延迟，但可以正常使用。



远程控制一台 Windows 机器

基本达成设计目标。
Update 10/30   v1.0.0版本

• 重构了 Client
  
• UI 更新， 添加状态指示器和帮助
  
• 新功能：远程快速输入 ASCII 字符流 - Remote Paste
  

帮助



Remote Paste

Update 11/01

回复里不少人在讨论为什么不直接用 pikvm，大概有几个原因
1. pi及其配件的溢价比较多
早些年我也玩过 pi，转接板风扇壳子一套搞下来，都和商业方案差不多价格了
2. 我想要一个通用方案
可以跑在 x86/arm 的各种设备上，包括但不限于电视盒子/intel 电脑棒/软路由/淘汰的笔记本。
3. DIY 的目的就是过程
可以学到很多东西，另一方面这个项目的代码我比较注意可读性，所以各位可以根据需求去定制。

大哥你玩摇滚，你玩它有啥用啊

Update 11/20

有评论提到了可能以直接用 Linux SBC 的 OTG 来模拟 HID 设备，从而省去 Arduino。
研究了一下，这个方向是可行的，但是只有部分硬件支持 USB Device Mode。尤其是树莓派，只有较新的 Raspberry Pi Zero, Zero W, A, A+ 和 4 支持。
所以使用 Arduino 来模拟是一个更为通用的方案。

隨颩

linux似乎有个functionfs，可以用otg接口模拟鼠标键盘，这样的话就不用再外接开发板了

卡拉杨

写得很好 下次帮我修一下

云歆

vga in

莫装神

vga用转接头或者换个VGA采集卡就可以了，用法不变

啊頭哥

开源了吗，发下仓库地址[赞同]

壹周滿八天

文章开头就有

花落南城

pi-kvm有现成的。

今朝有酒

鼠标延迟可能是30fps刷新造成的？

日月无影

usb采集卡会引入接近100ms的延迟，这是主要部分