SoftLayer Bluemix SUMMIT 2015 : Intel Edisonクラスタ x Bluemixによる IoTアプリケーションの実装

Copyright © 2015 TIS Inc. All rights reserved.
SoftLayer Bluemix SUMMIT 2015
Intel Edisonクラスタ x Bluemixによる
IoTアプリケーションの実装
2015年9月2日
TIS株式会社戦略技術センター松井暢之

Copyright © 2015 TIS Inc. All rights reserved. 2
松井暢之（まついのぶゆき）
TIS株式会社戦略技術センター
～2003
2003～2008
2009
2010～2012
2013～
2015～
現場PJでアーキテクト兼モデラー兼プログラマ兼…を歴任
基盤技術センター（現戦略技術センター）で不芳PJの火消しに奔走
全社生産性向上の企画策定に従事
オープンでエッジな技術を活用した事業企画に従事
OSSクラウドオーケストレータ “CloudConductor®” の開発に着手
IoTプラットフォーム関連の研究開発に着手
nbyk.matsui nmatsui
nbyk.matsui@n_matsui

Agenda
1. IoTとは
2. IoTのアーキテクチャ～fog computingという考え方～
3. fog computingのサンプル実装～Wasted energy of TV～
4. Wasted energy of TVの技術要素
5. まとめ
3

そもそも「IoT」とはなんだ？
 いま一歩イメージがわかない。結局「IoT」とは具体的に何だろう？
4
Question! by Stefan Baudy, on Flickr
一意に識別可能な「もの」がインターネット/クラウドに接続され、情報交換する
ことにより相互に制御する仕組みである。
「Internet of Everything」や「Smart Everything」、「サービスのモノ化」
ともいう。
モノのインターネット（Internet of Things、IoT）
出展：ウィキペディア , https://ja.wikipedia.org/wiki/モノのインターネット

「IoT」への期待の盛り上がり
 なんだかよくわからないが、「IoT」は流行しているようだ。
 Google Trendsにおける検索ボリュームの推移
5
クラウド
IoT
Internet of Things
出展：Google Trends,
http://www.google.co.jp/trends/explore#q=Internet%20of%20Things%2C%20iot%2C%20%E3%82%AF%E3%83%A9%E3
%82%A6%E3%83%89&date=1%2F2007%20104m&cmpt=q&tz=Etc%2FGMT-9

「IoT」市場の急拡大
 なんだかよくわからないが、「IoT」市場は急拡大するようだ。
 IoT業界で生み出される収益の予測
 2020年には最大で7兆ドル（IDC）の収益がIoT市場で生み出される
6
出展：IoT Analytics, "IoT Market – Forecasts at a glance“, 2014-10, http://iot-analytics.com/iot-market-forecasts-overview/

「IoT」市場の急拡大
 なんだかよくわからないが、「IoT」市場は急拡大するようだ。
 相互接続されるデバイス数の予測
 2020年には最大で500億個（CiscoやEricsson）のデバイスが
相互に接続される
7
出展：IoT Analytics, "IoT Market – Forecasts at a glance“, 2014-10, http://iot-analytics.com/iot-market-forecasts-overview/

結局「IoT」って何？
 現時点で「IoT」に明確な定義は無い。
 かつての「cloud」と同様バズワードであり、「IoT」に関与する
人々が、自らの思いを込め様々な意味でこの言葉を使っている。
8
Harbor Seals Arguing by Liz Lawley, on Flickr

（本セッションにおける）「IoT」とは
 今回のセッションでは、「IoT」を以下のように捉える。
9
１．
ヒトやモノや社会が相互連携
して営まれる現実世界の活動を、
２．
「データ」としてコンピュータ
の世界へ映し出し、
３．
様々な種類の「データ」を
組み合わせて分析・学習し、
４．
得られた知見を現実世界へ
フィードバックすることで、
現実世界の活動へ新たな価値を
生み出すこと。
IoTとは

Agenda
1. IoTとは
5. まとめ
10

「IoT」の考慮ポイント：電力消費
 CPUだけでなくネットワーク通信も電力消費量が大きい。
 通信はデバイスにとって最も貴重なリソースである電力を消費する。
11
出展：G.P. Perrucci, F.H.P Fitzek, J. Widmer, "Survey on Energy Consumption Entities on the Smartphone Platform“,
Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2011 IEEE 73rd, 2011-03,
http://www.researchgate.net/profile/Frank_Fitzek/publication/
224248235_Survey_on_Energy_Consumption_Entities_on_the_Smartphone_Platform/links/0deec51a4e140ccd35000000.pdf
のTable1をグラフ化

「IoT」の考慮ポイント：インターネットトラフィック
 グローバルなIPトラフィック量は年平均23%で急拡大し、2019年に
は2014年の2.8倍となる160EB/月と予測されている。
 今後インターネットトラフィックも貴重なリソースになる。
12
出展：Cisco, " Cisco VNI Global IP Traffic Forecast, 2014–2019“, 2015-03,
http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/VNI_Hyperconnectivity_WP.pdf

「IoT」の考慮ポイント：セキュリティリスク
 現実世界に近いIoTがハッキングを受けると、直接的で深刻な被害が
発生する可能性がある。例えば以下のような事例が報告されている。
 シャワートイレを遠隔操作するBluetoothアプリに脆弱性がある
というセキュリティアドバイザリが公表された（2013.08）
 ベビーモニターがクラックされ、子どもや夫婦に暴言を吐く男の
声が聞こえた（2013.08）
 テレビや冷蔵庫等のスマート家電がクラッキングを受け、大量の
不正メールを送信する「Thingbots」化した（2014.01）
 ハッキングコンテストで、動作中の電気自動車のドアやサンルー
フを遠隔開閉できた（2014.07）
13
出展：Proofpoint, "More than 750,000 Phishing and SPAM emails Launched from "Thingbots" Including Televisions, Fridge“, 2014-01,
https://www.proofpoint.com/us/proofpoint-uncovers-internet-things-iot-cyberattack
出展：Trustwave, “Trustwave SpiderLabs Security Advisory TWSL2013-020: Hard-Coded Bluetooth PIN Vulnerability in LIXIL Satis Toilet“,
2014-01, https://www.trustwave.com/spiderlabs/advisories/TWSL2013-020.txt
出展：CNN, “Foul-mouthed hacker hijacks baby‘s monitor“, 2013-08,
http://edition.cnn.com/2013/08/14/tech/web/hacked-baby-monitor/
出展：ESET, "Tesla Model S hacked to open doors while in motion “, 2014-07,
http://www.welivesecurity.com/2014/07/23/tesla-model-s-hacked-open-doors-motion/

IoTのアーキテクチャ～fog computingという考え方～
 「IoT」全体の中で、ヒトやモノに近い場所（fog）で行う処理と
cloudで行う処理を分割し、それらが分散協調して動作する仕組み
 fog computingの概念はシスコシステムズ発祥
14
A distributed computing infrastructure in which
some application services are handled at the network edge in a smart device
and some application services are handled in the cloud.
fog computing（fogging）
出展：WhatIs.com, http://whatis.techtarget.com/definition/fog-computing-fogging
fog cloud
Exercise Plays Vital Role Maintaining Brain Health by A Health Blog, on Flickr

fogとcloudの特徴
 「目の前にあるfog」と「雲の向こうのどこかにあるcloud」の違い
（極端な場合で比較）
15
fog cloud
ロケーション
重要か？重要どこでもよい
距離目の前どこでもよい
ネットワーク
レイテンシ低い高い
遅延のジッタ小さい大きい
利用できる帯域非常に狭い広い
ノード
数非常に多い数えられる程度
性能低い高い
消費電力非常に気にする利用者は気にしない
多様性様々な機器それほど種別は無い
移動するか？するしない
セキュリティ
物理的盗難や不正利用に注意事業者にお任せ
プログラム的
ノウハウが蓄積されてい
ない
標準的なプラクティスが
ある

「IoT」のアーキテクチャのポイント
 「IoT」のアーキテクチャを設計する上では、以下のポイントが重要
となる。
 fogとcloudの特徴を踏まえ、適切に役割を分担する。
 通常クラウドコンピューティングでは意識しないポイントにも
fogのアーキテクチャでは配慮が必要となる。
16
fogに適した処理 cloudに適した処理
リアルタイム性が重要な処理大量データを背景にした分析や学習処理
個人の機微にかかわるデータの処理匿名化されたデータの処理
fog内で得られた情報を組み合わせる処理ソーシャルや他のfogと組み合わせる処理
・電力消費をなるべく少なくする
・通信するデータ量をなるべく小さくする
・劣悪なネットワーク環境下でも確実にデータが伝達できる
・移動するヒトやモノに適応できるように、動的なトポロジー変更に適応する
・fog内の機器が物理的に盗難・破損しても、fog全体としては機能が保全される
・fog内の通信が傍受改竄された場合、不正ノードを検出して自律的に排除する

Agenda
1. IoTとは
5. まとめ
17

 日常生活で「点いているけれど見ていないテレビ」に費やされている
時間を可視化し、ヒトとテレビの関係を少し幸せにするサービス。
 カラーチャートによって、ヒトとテレビの関係を可視化。
 赤色に近ければ近い時間ほど、集中してテレビを見ている
 青色に近ければ近い時間ほど、テレビに視線を向けていない
 灰色の時間は、テレビが点いていない
fog computingのサンプル実装～ Wasted energy of TV ～
18

 cloudのデータ分析ロジックが「テレビは点いているけれど集中し
て見ていない」と判断すると、自動的にテレビを消灯。
 この機能を有効にした場合、テレビがONかつテレビを見ていない状態
が設定した時間（分）以上連続すると、自動的にテレビをOFFにする。
19

 “今テレビを見ているか？”をfogで、“集中して見ているか？”をcloud
で判断し、結果を現実世界にフィードバックすることで、次のような
価値が生まれる。
 テレビを見ていたつもりでもテレビに集中しておらず、無駄に費
やしてしまった時間に気づくことで、生活にメリハリがつく。
 集中してテレビを見ていないならばテレビが消えてしまうため、
家庭での無駄な電力消費を削減できる。
20
Psssst!! I'm watching you... by ..::Fluckr You::.. , on Flickr

Wasted energy of TVは
IBM Bluemix Challenge 2015で
IoT賞を受賞しました！

 fog : Intel Edison + Raspberry Pi + センサーやカメラ等
 cloud : Bluemix
 protocol : MQTT
Wasted energy of TVの全体像
22
MongoDB
Intel Edison
Intel Edison
Intel Edison
Raspberry Pi B+
USBカメラ
Internet
赤外線
リモコン IoT Foundation
Local Network
Wi-Fi Mesh Network
Internet Gateway
Internet Gateway Network
fog
Node-REDアプリ
Consul
Cluster赤外線センサー
赤外線LED
Webブラウザ
テレビ
Bluemix
GUIアプリ
MQTT Protocol

Wasted energy of TVの動作テレビ試聴状況の送信

 赤外線リモコンを用いてテレビをONにする。
 赤外線センサーがリモコンの赤外線パルスを傍受しテレビの
ON/OFFを捉え、fogのKVSに登録する。
テレビ試聴状況の送信
24
赤外線
リモコン
Local Network
Wi-Fi Mesh Network
Consul
① 赤外線センサーが
テレビのONを認識する
② Consul KVSへテレビ
がONであることを登録
テレビ
fog
Intel Edison
Raspberry Pi B+
Bluemix

 テレビを見る。
 USBカメラの画像を解析し、テレビに顔の正面が向いていれば
「見ている」と判断してKVSに登録する。
25
USBカメラ
Wi-Fi Mesh Network
Consul
Cluster
② Consul KVSへテレビが
見られていることを登録
① USBカメラの映像フレームを解析し、
「正面の顔」の有無を認識する
テレビ
fog
Intel Edison
Bluemix

 現在の状態をクラウドへ送る。
 定期的にKVSを確認し、テレビが点いていれば、視聴状態をクラ
ウドへ送信する。
IoT Foundation
26
Internet
Wi-Fi Mesh Network
Internet Gateway
Consul
Cluster
② テレビがONであれば、正面顔の
認識状態をMQTTでpublishする
① Consul KVSからテレビのON/OFF
と正面顔の認識状態を取得する
③ MQTT Brokerとしてpublishされた
情報を受け取る
fog
Intel Edison
Bluemix
MQTT Protocol

 fogから受信した情報を蓄積する。
 IoT Foundationからsubscribeした情報をMongoDBに蓄積する。
MongoDB
IoT Foundation
Node-REDアプリ
27
② 送りつけられた情報を解析して
視聴状態をMongoDBへ保存する
① MQTTで受信した情報をsubscribe
しているNode-REDアプリへ送りつける
fog
Bluemix

 Wasted energy of TVのIoTデバイスクラスタの動画
 https://youtu.be/RDPD21L8voM
28

Wasted energy of TVの動作テレビ試聴状況の可視化

 テレビの視聴状況を可視化する。
 ブラウザからGUIアプリにアクセスし、指定した日付
のテレビ視聴状況を可視化する。
テレビ試聴状況の可視化
30
IBM Bluemix
MongoDB
Node-REDアプリ
GUIアプリ
Webブラウザ
① GUIアプリのNginxから
HTMLやJS等を取得
② AJAXを用いてNode-RED
アプリのREST APIから情報取得
fog
Bluemix

テレビ試聴状況の可視化
 テレビの視聴状況を可視化
 http://wasted-energy-of-tv-gui.mybluemix.net/
31
集中してテレビを見ている
ほとんどテレビを見ていない
テレビを見たり見なかったり
テレビが点いてない

Wasted energy of TVの動作テレビ自動OFF

 テレビ自動OFFを登録する。
 ブラウザからGUIアプリにアクセスし、テレビの
自動OFFを登録する。
テレビ自動OFF
33
IBM Bluemix
MongoDB
Node-REDアプリ
GUIアプリ
Webブラウザ
① AJAXを用いてNode-RED
アプリのREST APIから登録
fog
Bluemix

テレビ自動OFF
 テレビ自動OFFを登録する。
 「Change」リンクをクリックすると、テレビ自動OFF機能の
登録画面が表示される。
 テレビ自動OFFを有効化する場合、トグルボタンをONにして、
テキストボックスに自動OFFになるまでの時間（分）を入力する。
34

 テレビが自動で消える。
 テレビ自動OFFが有効の場合、テレビが点いており、かつ設定さ
れた時間連続してテレビを見てないと、cloud
からイベントが送出される。
テレビ自動OFF
35
MongoDB
Node-REDアプリ
IoT Foundation
② 指定した期間の視聴情報を
MongoDBから取得
③ 取得した期間の視聴情報を解析し、
テレビが点いているのに全く見ていなければ、
MQTTで「テレビOFF」イベントを送出
fog
① Node-REDの機能を利用し
定期的に処理を起動
Bluemix

 テレビが自動で消える。
 IoTデバイスクラスタがイベントを受信すると、赤外線LEDから
赤外線パルスが照射され、テレビが自動的に
OFFになる。
テレビ自動OFF
36
Internet
IoT Foundation
Internet Gateway
テレビ
Local Network
Wi-Fi Mesh Network
Consul
Cluster
赤外線LED
① MQTTでsubscribeしている
イベントの受信を検知
② Consul Clusterへ
イベントを発火
③ watchしているイベントが
発生したことを検知
④ 赤外線LEDから登録済みの
赤外線パルスを発信
fog
Intel Edison
Intel Edison
Raspberry Pi B+
Bluemix
MQTT Protocol

Agenda
1. IoTとは
5. まとめ
37

Wasted energy of TVの技術要素
 fogとcloudの役割分担
 以下のような分析機能があると面白いかも
 過去の同じ曜日の視聴データから、「テレビを点けたけど、どうせあ
なた、今の時間はテレビ見てないしょ？」と言ってくれたり？
 似たような傾向の人がテレビを見ていれば、「あなたこの番組、好き
そうですよね」と点けてくれたり？
 サンプル実装ではセキュリティを全く考慮していないので注意！
 GUIに認証認可がなく、MQTTパケットも平文
38
fogに適した処理 cloudに適した処理
リアルタイム性が重要な処理
→ カメラ映像の処理
大量データを背景にした分析や学習処理
→ 過去の視聴状態から電源OFFの判断
個人の機微にかかわるデータの処理
→ カメラ映像の処理
匿名化されたデータの処理
→ 匿名化された「視聴状態」の処理
fog内で得られた情報を組み合わせる処理
→ 顔認識と赤外線センサの組み合わせ
ソーシャルや他のfogと組み合わせる処理
（今回は実装しなかった）

 Wasted energy of TVの技術要素のうち、今回は以下二つを概観する。
 fogとcloud間を取り持つMQTTプロトコル
 IoTと容易に接続できるcloud Bluemix
Wasted energy of TVの技術要素
39
MongoDB
Intel Edison
Intel Edison
Intel Edison
Raspberry Pi B+
USBカメラ
Internet
IoT Foundation
Local Network
Wi-Fi Mesh Network
Internet Gateway
fog
Node-REDアプリ
Consul
赤外線LED
Bluemix
GUIアプリ
MQTT Protocol

MQTTプロトコル

MQTTとは
 IoT向けの軽量なpublish/subscribe型メッセージキュープロトコル
 Wasted energy of TVでは、以下のような形で利用している。
41
A machine-to-machine (M2M)/"Internet of Things" connectivity protocol.
It was designed as an extremely lightweight publish/subscribe messaging transport.
It is useful for connections with remote locations where a small code footprint is
required and/or network bandwidth is at a premium.
MQTT
出展：MQTT.org, http://mqtt.org/
MQTT Client
(Node-REDアプリ)
MQTT Broker
(IoT Foundation)
MQTT Client
(fog)
publish(TOPIC1)
視聴状態
subscribe(TOPIC2)
delivery
TV OFFイベント
subscribe(TOPIC1)
delivery
視聴状態
publish(TOPIC2)
TV OFFイベント

MQTTの特徴
 疎結合（publish/subscribe型）
 クライアント間でお互いのことを気にする必要が無い。
 軽量（固定長ヘッダは2バイト）
 小さなデータを大量に送る場合に効果が大きい。
 メッセージの到達性（QoSの定義）
 QoS0 At most once：ベストエフォート。消失や重複の可能性あり。
 QoS1 At least once：必ず到着するが、重複の可能性あり。
 QoS2 Exactly once：必ず1回到着することを保証。
 クライアントの異常切断への対応
 クライアントが切断していた間のQoS1,2のメッセージを再配布
 クライアント異常切断時にLast Will & Testament（遺言状）発送
42

MQTTと他のプロトコルの比較
 「IoT」でよく利用されるプロトコルとしては、MQTTの他にも
AMQPやREST、CoAP等がある。
 各プロトコルの特徴を把握し、適切なプロトコルを選択すると良い。
43
MQTT AMQP REST(HTTP) CoAP
アーキテクチャ publish & subscribe
publish & subscribe
P2P
request & response request & response
トランスポート TCP TCP TCP UDP
エンコード binary binary plain text binary
ヘッダサイズ固定 2～5byte + 可変 8byte ～ 50byte ～ 4byte
認証 id & password SASL
basic
challenge / response
challenge / response
暗号化 SSL/TLS SSL/TLS SSL/TLS DTLS
耐障害性
QoS
retain
LWT
durable subscription
QoS
persistence
N/A
confirmable /non-
confirmable
トランザクション No Yes No No
順序保障 No Yes No No

IoTとBluemix

IBM Internet of Things Foundationとは
 IoTデバイスをクラウドに接続するマネージドサービス
 Bluemixに準備されているボイラープレートを用いることで
容易に立ち上げてBluemixから利用することができる。
 対応するプロトコルはMQTTのみ。
 複数のIBM製品やサービス、及びOSSを用いて、SoftLayer上に
実装されている（らしい）。
 IBM MessageSight（MQTT Broker）
 IBM WebSphere Application Server Liberty Core（APP Server）
 Cloudant（NoSQL DBaaS）
 ・・・
45

他のクラウドのIoTで利用できるマネージドサービス
 Amazon Web Services
 Amazon Kinesis
 大規模な分散データストリームをリアルタイムで
処理するためのフルマネージドサービス。
 対応しているプロトコルはRESTのみ。
 別のMQTT brokerからsubscribeしてKinesisにPUTするbridge
プログラムも公開されている。
 Microsoft Azure
 Event Hubs
 拡張性に優れたパブリッシュ/サブスクライブ
モデルのイベント取り込みサービス。
 対応しているプロトコルはAMQPとREST。
46

IBM Internet of Things Foundationの利用
 ボイラープレートから簡単なステップで利用を開始できる。
47
ボイラープレートの選択 IoTアプリケーション開始 IoTサービスの追加
IoTサービスにアカウント追加 IoTサービスに接続するIoTデバイスの登録

Bluemix Node-REDとは
 Node-RED（http://nodered.org）
 IBM Emerging Technologyチームが作成しOSS公開している
ブラウザ上でビジュアルプログラミングを行うツール。
 パレットに準備されている「ノード」をマウスで接続することで、
それらの出力と入力を連結し、一連の処理フローを定義する。
 functionノード等を活用すれば、入力データの加工もできる。
 Bluemix Node-RED
 Bluemixが提供するNode-REDでは IBM IoT Foundationに接続
する「ノード」が提供されるので、IoTアプリを容易に構築できる。
48
A visual tool for wiring the Internet of Things
Node-RED provides a browser-based flow editor that makes it easy to wire together
flows using the wide range nodes in the palette.
Node-RED
出展：Node-RED, http://nodered.org/

Wasted energy of TVのNode-REDフロー
 Bluemix Node-REDフローの例
49
パレットフロー

 サービスとの連携
 プログラムの必要もなくパラメータを設定するだけで接続できる。
50
IoT Foundationとの連携
MongoDBとの連携

 REST APIの定義
 プログラムの必要もなくREST APIを定義し、テンプレートから
Responseを生成することができる。
51
REST APIの定義
Responseの生成

 フローの定期的な起動
 外部入力を待つのではなく、Node-RED内で定期的にフローを
開始することができる。
52

 データの変換処理
 javascriptを用いて入力データを変換し、次のノードへ引き渡す
ことができる。
53

 フローの分岐
 入力データのパラメータを元に判断を行い、フローを分岐させる
こともできる。
54

 Wasted energy of TVのNode-REDフローの全体像
55
fogから受信したデータをMongoDBに蓄積する
ブラウザから入力された自動OFF設定をMongoDBに登録する
自動OFF設定をMongoDBから取得しブラウザに返す
指定した期間の視聴状況をJSON化しブラウザに返す
指定した日の視聴状況をJSON化しブラウザに返す
蓄積された視聴状況を定期的にチェックし
必要であればTVの電源OFFイベントを送出する

Agenda
1. IoTとは
5. まとめ
56

まとめ
 なんだかよくわからないけれど、今後「IoT」は流行るらしい。
 「IoT」は明確に定義された言葉ではないが、「ヒトとモノをつない
で得られたデータを分析・学習し、現実世界にフィードバックするこ
とで新たな価値を生むもの」と捉えると良い（と思う）。
 「IoT」のアーキテクチャを考える際には、fogとcloudが分散協調し
て動作するfog computingを意識すると良い。
 fogとcloudを連結する上で、MQTTなどの様々なプロトコルが存在す
るが、各プロトコルの特性やcloudの対応状況を把握して適切なもの
を選択すべし。
 MQTTを使う場合、IBM IoT FoundationとBluemix Node-REDを利
用すれば、fogとcloudを連結するアプリを簡単に始めることができる。
57

関連記事やソースコードなど
 IoTとfog computingの解説記事
 http://tech-sketch.jp/2015/08/iot_fogcomputing_1.html
 続編公開予定
 Wasted energy of TVのソースコード
 https://github.com/nmatsui/wasted_energy_of_tv_iot
 https://github.com/nmatsui/wasted_energy_of_tv_gui
 https://github.com/nmatsui/wasted_energy_of_tv_nodered
58

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