What is the Internet of Things?

1. IoT とは

IoT の概念は読者にとって馴染み深いものでしょう。IoT の概念は 1999 年に初めて提唱され、コンピュータとインターネットに続く世界の情報産業発展の第三の波と呼ばれていました。現在まで 20 年以上の発展を経ており、日常生活ではさまざまなスマート家電やスマートロックなど、多くの IoT プロダクトに触れる機会があります。これらは IoT 技術の比較的成熟したアプリケーションです。

IoT の最も初期の定義は、無線周波数識別をはじめとする情報検知デバイスを通じてあらゆるモノをインターネットに接続し、インテリジェントな識別と管理を実現するというものでした。もちろん、現在の IoT の発展に伴い、その定義と範囲は拡張・変化しています。以下に現代の IoT の特徴を説明します。

1.1 IoT もインターネットの一部

IoT、すなわちモノのインターネットは、インターネットの一部です。IoT はインターネットインフラを情報伝送のキャリアとしており、現代の IoT プロダクトは何らかの方法でインターネットに接続された「モノ」でなければなりません。そして「モノ」はインターネットを通じてデータのアップロードとダウンロードを行い、人とインタラクションします。

たとえば、ユーザーがスマートフォンアプリで起動操作を完了すると、コマンドはインターネットに接続されたスマートフォンからクラウドプラットフォームに送信されます。クラウドプラットフォームはインターネットに接続された車載コンピュータを特定してコマンドを送信します。車載コンピュータは起動コマンドを実行し、その実行結果をクラウドプラットフォームにフィードバックします。同時に、ユーザーの操作はクラウドに記録され、ユーザーはいつでもアプリからリモート解除の履歴を照会できます**

これは典型的な IoT シナリオであり、インターネットアプリケーションに属します。「モノ」がインターネットに接続され、データと情報がインターネットを通じてやり取りされます。同時に、データと他のインターネットアプリケーションがクラウドに収束します。

1.2 IoT の主体は「モノ」

現代の IoT アプリケーションはインターネットアプリケーションですが、IoT アプリケーションと従来のインターネットアプリケーションには大きな違いがあります。それは、従来のインターネットではデータの生産と消費の主体が人であるのに対し、現代の IoT ではデータの生産と消費の主体がモノであるという点です。

現代の IoT のアプリケーションシナリオでは、データの生産者はスマートデバイスやセンサーなどの「モノ」であり、データの消費者も多くの場合「モノ」です。

スマート農業のアプリケーションでは、孵卵器内の温度センサーが定期的に孵卵器内の温度をコントロールセンターにアップロードします。温度が設定されたしきい値を下回ると、センターはプリセットされたルールに従って暖房機器をリモートで起動します。このシナリオでは、データの生産者は温度センサーであり、データの消費者は暖房機器です。両方とも「オブジェクト」であり、人は直接関与しません。

IoT と従来のインターネットの最大の違いは、データの生産者と消費者が主にモノであり、データ内容も「モノ」と密接に関連している点です。

1.3 IoT と人工知能

AI は近年の IT 分野で最も注目されているキーワードの一つです。人工知能の発展の軌跡を振り返ると、人工知能が飛躍的な進歩を遂げた主な理由は二つあります。

ハードウェアの発展により、ディープラーニングのニューラルネットワークの学習時間が短縮されたこと。

ビッグデータ時代において、大量のデータを低コストで取得できるようになったこと。

特に二つ目の理由が重要です。ニューラルネットワークはその特性上、大量のデータを学習に必要とします。学習に利用可能な有効データの量が、最終的に訓練されたニューラルネットワークの効果を決定することが多く、アルゴリズムの重要性もデータ量には及ばない場合があります。

IoT デバイス、たとえばスマート家電やウェアラブルは、毎日膨大なデータを生成しています。これらのデータを処理・クリーニングすることで、ニューラルネットワークにフィードバックする優れたトレーニングデータとして活用できます。同時に、訓練されたニューラルネットワークを IoT デバイスに再適用することで、好循環を形成できます。

図 1-1 は、人工知能を活用した IoT のデータ収集と反復のサイクルを示しています。IoT デバイスでデータを収集・学習し、データセンターで訓練を完了した後、モデルを IoT デバイスに適用し、次の反復に向けて効果を評価します。

IoT は人工知能の非常に優れたアプリケーションシナリオです。人工知能の急速な発展に伴い、以前から提唱されてきた IoT の理論と技術にも新たな春が訪れるでしょう。

現在、インターネットのデータ入口は徐々に Alibaba や Tencent などの大手企業に収束しつつあり、小規模な企業にとってデータ取得コストはますます高くなっています。**まだ十分に開発されていないデータ領域である IoT は特に重要です**。

本書が IoT プラットフォームの開発に焦点を当て、フロントエンドデバイスの開発を省略しているのもこの理由です。フロントエンドデバイスはいずれ標準化され、同質的な競争が生じるためです。デバイスが生成する膨大なデータをいかに収集・活用するかが、競争優位性を持つかどうかの決定要因となります。

1.4 IoT の現状と展望

5G 時代の到来により、IoT は非常に急速に発展するでしょう。同時に、IoT 分野への新規投資も増加傾向にあります。ここではアプリケーションシナリオの観点から IoT 業界の発展展望を説明します。

IoT のアプリケーションシナリオは非常に幅広く、以下のものを含みます。

*スマートシティ

*スマートビル

*車載インターネット

*スマートコミュニティ

*スマートホーム

*スマート医療

*産業用 IoT

シナリオごとに IoT のアプリケーションは大きく異なります。端末やネットワークアーキテクチャの多様性が高く、これは IoT 業界に十分な市場セグメントが存在することを意味します。市場シェアで圧倒的な企業が現れにくく、同時に市場が十分に大きいため、多くの企業が存続できます。この状況はインターネット業界では珍しくありません。インターネット業界のヘッド効果は非常に顕著で、市場シェアの大部分は上位 2〜3 社に占められることが一般的です。

IoT モデルはインターネットモデルよりも「重い」ものです。IoT のアプリケーションには常にフロントエンドデバイスが伴い、ユーザーのスイッチングコストが比較的高いことを意味します。デバイスの取り外しと再設置は、指先でアプリをもう一度ダウンロードするよりもはるかに複雑です。これは、資本の駆動力が IoT 業界では比較的弱いことを意味します。先行者優位を獲得すれば、後発企業が資本力だけで追いついたり、市場から排除したりするにははるかに高い代償を払うことになります。

したがって、IoT 業界はまだブルーオーシャンであり、小規模な企業でもこの業界で大規模な企業と十分に競争できます。AI とブロックチェーンの熱気が冷めた後、IoT は次の大きな商機になる可能性が高いでしょう。プログラマーとして、風が吹く前にあらかじめ知識を蓄えておくことが必要です。

2. 主な IoT プロトコル

2.1 MQTT プロトコル

MQTT プロトコル (Message Queue Telemetry Transport) は、1999 年に IBM の Andy Stanford Clark 氏と Arcom の Arlen Nipper 氏によって、衛星ネットワーク経由で石油パイプラインを接続するプロジェクト向けに開発されました。低消費電力と低ネットワーク帯域幅の要件を満たすため、MQTT プロトコルは設計当初から以下の特徴を備えています。

*シンプルな実装

*データ伝送の QoS を提供

*軽量で低帯域幅消費

*あらゆるタイプのデータを伝送可能

*セッションの永続化が可能

長年の発展を経て、MQTT プロトコルの焦点は組み込みシステムにとどまらず、より広い IoT の世界へと広がりました。

簡潔にまとめると、MQTT プロトコルには以下の特徴があります。

*TCP プロトコルをベースとしたアプリケーション層プロトコル

*C/S アーキテクチャを採用

*パブリッシュ/サブスクライブモードでメッセージの送信者と受信者を分離

*3 種類のメッセージ QoS (Quality of Service)：最大 1 回、少なくとも 1 回、正確に 1 回

*メッセージの送受信は非同期で、送信者は受信者のレスポンスを待つ必要がない

MQTT プロトコルのアーキテクチャは、1 つのブローカーとそれに接続された複数のクライアントで構成され、図 2-1 に示す通りです。

MQTT プロトコルは、大量の低電力で信頼性の低い IoT デバイスに通信保証を提供できます。モバイルインターネット分野でも大きな成果を上げており、多くの Android アプリのプッシュ機能は MQTT プロトコルをベースに実装され、一部の IM 実装も MQTT プロトコルをベースとしています。

2.2 MQTT-SN プロトコル

MQTT-SN (MQTT for Sensor Network) プロトコルは、MQTT プロトコルのセンサー向けバージョンです。MQTT プロトコルは軽量なアプリケーション層プロトコルですが、TCP プロトコルスタック上で動作します。TCP プロトコルは、センサーのように計算能力と電力が極めて限られたデバイスには適していません。

MQTT-SN は UDP プロトコル上で動作し、サブスクリプションやパブリッシュなど、MQTT プロトコルのシグナリングと機能の大部分を維持しています。MQTT-SN プロトコルは MQTT-SN ゲートウェイのロールを導入しており、MQTT-SN プロトコルを MQTT プロトコルに変換してリモートの MQTT ブローカーと通信する役割を担います。MQTT-SN プロトコルはゲートウェイの自動検出をサポートしています。MQTT-SN プロトコルの通信モデルは図 2-2 に示す通りです。

2.3 CoAP プロトコル

CoAP (Constrained Application Protocol) プロトコルは、リソースが限られたデバイス上で動作するプロトコルです。CoAP プロトコルは通常 UDP プロトコル上で動作します。

CoAP プロトコルは非常にコンパクトに設計されており、最小パケットはわずか 4 バイトです。CoAP プロトコルは C/S アーキテクチャを採用し、HTTP プロトコルに似たリクエスト・レスポンスのインタラクションモードを使用します。デバイスは coap://192.168.1.150:5683/2ndfloor/temperature の URL でエンティティを特定し、HTTP に似た PUT、GET、POST、DELETE リクエストコマンドを使用してエンティティの状態を取得または変更できます。

同時に、CoAP はオブザベーションモードを提供しています。オブザーバーは OBSERVE コマンドを通じて監視対象のエンティティを CoAP サーバーに指定できます。エンティティの状態が変化すると、オブザーバーはエンティティの最新状態を受信でき、MQTT プロトコルのサブスクリプション機能に似ています。CoAP プロトコルの通信モデルは図 2-3 に示す通りです。

2.4 LwM2M プロトコル

LwM2M (Lightweight Machine To Machine) プロトコルは、Open Mobile Alliance (OMA) が定義した IoT 向けの軽量プロトコルセットです。RESTful インターフェイスを使用してデバイスのアクセス、管理、通信機能を提供し、リソースが限られたデバイスにも適用可能です。LwM2M プロトコルのアーキテクチャは図 2-4 に示す通りです。

LwM2M プロトコルの基盤層では CoAP プロトコルを使用してデータとシグナリングを伝送します。LwM2M プロトコルのアーキテクチャでは、CoAP プロトコルは UDP または SMS (ショートメッセージ) 上で動作し、DTLS (Datagram Transport Layer Security) を通じて安全なデータ伝送を実現します。

LwM2M プロトコルアーキテクチャは主に 3 つのエンティティで構成されます。LwM2M ブートストラップサーバー、LwM2M サーバー、および LwM2M クライアントです。

LwM2M ブートストラップサーバーは、LwM2M クライアントを LwM2M サーバーに登録・アクセスさせるよう誘導します。その後、LwM2M サーバーと LwM2M クライアントはプロトコルで指定されたインターフェイスを通じてやり取りできます。

2.5 HTTP プロトコル

前述の通り、IoT もインターネットの一部です。インターネットで広く使用されている HTTP プロトコルも、適切な環境では IoT に適用できます。Android オペレーティングシステムを実行するデバイスなど、計算リソースとハードウェアリソースが豊富なデバイスでは、モバイルアプリケーションの開発と同様に HTTP プロトコルを使用してデータのアップロードとダウンロードを行えます。また、デバイスは HTTP プロトコル上で動作する WebSocket を使用して、サーバーからのデータを能動的に受信することもできます。

2.6 LoRaWAN プロトコル

LoRaWAN プロトコルは LoRa Alliance が提唱・推進する低電力 WAN プロトコルです。これまで説明してきたプロトコルとは異なります。MQTT プロトコルや CoAP プロトコルはアプリケーション層で動作し、基盤層では TCP プロトコルまたは UDP プロトコルを使用してデータを伝送し、プロトコルスタック全体が IP ネットワーク上で動作します。一方、LoRaWAN プロトコルは物理層/データリンク層のプロトコルであり、インターネットへのアクセス方法を解決するもので、IP ネットワーク上では動作しません。

LoRa (Long Range) は長距離通信と低消費電力を特徴とする無線通信技術です。上記のシナリオでは、ユーザーは LoRaWAN 技術を使用してネットワークを構築し、LoRa 対応モジュールを機器に設置します。LoRa 中継機器はデータをトンネル外のインターネット接続を持つ LoRa ゲートウェイに送信します。LoRa ゲートウェイはデータを TCP または UDP プロトコルで IP ネットワーク経由で伝送可能なデータプロトコルパケット (MQTT プロトコルなど) にカプセル化し、クラウド上のデータセンターに送信します。

2.7 NB-IoT プロトコル

NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) プロトコルは LoRaWAN プロトコルと同様に、デバイスをインターネットの物理層/データリンク層に接続するプロトコルです。

LoRa とは異なり、NB-IoT プロトコルはセルラーネットワーク上に構築・動作し、低帯域幅を消費し、既存の GSM ネットワークまたは LTE ネットワークに直接展開できます。NB-IoT 対応チップと対応 IoT ネットワークカードを搭載したデバイスを NB-IoT 基地局に接続することで、インターネットにアクセスできます。さらに、NB-IoT プロトコルは LoRaWAN プロトコルのようなプロトコル変換用のゲートウェイを必要とせず、アクセスしたデバイスは直接 IP ネットワークを使用してデータ伝送を行えます。

従来の基地局と比較して、NB-IoT プロトコルの利得は約 20 dB 向上しており、地下駐車場、配管、地下室など、これまで電波が届きにくかった場所もカバーできます。