効果的な IoT アーキテクチャは、モノのインターネットシステムを成功させるための基礎となる青写真であり、デバイスからアプリケーションへのデータの流れを整理します。この構造を理解することは、スケーラブルでセキュアなソリューションを構築するための第一歩です。このガイドでは、モノのインターネットの本質的なアーキテクチャ、その中核となるコンポーネント、そしてあらゆるスマート製品の開発において適切に設計された IoT プラットフォームアーキテクチャの利点について説明します。
スケーラブルなIoTアーキテクチャに不可欠な4つのレイヤーとは？
スケーラブルなIoTアーキテクチャは、データ収集のためのデバイス・レイヤ、データ伝送のためのネットワーク・レイヤ、分析のためのデータ処理レイヤ、ユーザーとのインタラクションと制御のためのアプリケーション・レイヤの4つの必須レイヤで構成されます。
堅牢なモノのインターネットシステムの構築は、複数階建てのビルの建設に似ています。各フロアは、その上のフロアをサポートするために綿密に計画され、建設されなければなりません。包括的なIoTソリューション・アーキテクチャも同様に、各レイヤーが特定の機能を実行し、物理的世界からデジタル・インターフェースへの情報と機能のシームレスな流れを確保する、レイヤード・フレームワークに依存しています。MarketsandMarketsのレポートによると、世界のIoT市場規模は2023年の6,622億1,000万米ドルから2030年には3兆3,529億7,000万米ドルに成長すると予測されており、この成長はスケーラブルで信頼性の高いアーキテクチャに完全に依存しています。Dev Station Technologyは、4つの異なる、しかし相互接続されたレイヤーを中心にこれらのシステムを設計します。
デバイス層の役割とは？
デバイスレイヤーはパーセプションレイヤーとも呼ばれ、IoTアーキテクチャの基盤です。センサーやアクチュエーターなどの物理的なオブジェクトで構成され、環境と直接相互作用してデータを収集したり、アクションを実行したりします。
このレイヤーは、デジタルの世界と物理的な世界が出会う場所です。主なコンポーネントはセンサーとアクチュエーターで、IoTシステムのまさに目であり、耳であり、手です。センサーは、環境から生のデータを取得する役割を果たします。これは、スマート温室における温度や湿度から、車両管理システムにおけるGPS座標や速度まで、何でも可能です。アクチュエーターは逆に、システムから受け取ったコマンドに基づいて物理的な動作を実行します。例えば、ドアのロックを解除したり、サーモスタットを調整したり、バルブを止めたりします。
このレベルのハードウェアの選択は、システム全体のパフォーマンスとスケーラビリティにとって非常に重要です。例えば、産業用予知保全のために設計されたシステムでは、極端な温度でも動作可能な高耐久性で耐振動性のセンサーが必要になるかもしれませんが、消費者向けスマートホームデバイスでは、低消費電力と小型フォームファクターが優先されるかもしれません。IBMグローバル・ビジネス・サービスの調査では、IoTを採用する企業の82%にとって、運用効率が主な推進力であり、この目標はデバイス層での正確なデータ収集から始まると強調されています。
ネットワーク層の機能
ネットワーク・レイヤー（接続性レイヤー）は、モノのインターネット・アーキテクチャーの中枢神経系として機能します。その主な機能は、デバイス層が収集したデータを安全かつ効率的にデータ処理システムに伝送することです。
データが収集されると、その移動経路が必要になります。このレイヤーは、この伝送を担うすべてのテクノロジーを包含しています。このレイヤーの重要な構成要素は、仲介役となるゲートウェイのネットワークです。ゲートウェイは、複数のセンサーからのデータを集約し、多くの場合、異なるローカル・デバイス・プロトコル（ZigbeeやBluetoothなど）と長距離伝送に適したプロトコル（セルラーやWi-Fiなど）の間で変換します。また、ローカル・デバイスとより広いインターネットとの間に重要なセキュリティ・バッファを提供します。
iot接続プロトコルの選択は、アーキテクチャ上の重要な決定事項です。その選択は、通信距離、帯域幅要件、消費電力、コストなどの要因によって異なります。例えば、LoRaWANは広大なエリアに広がる何千もの低電力センサーを備えたスマート農業ソリューションに最適かもしれませんし、5Gは広帯域幅で低遅延の通信を必要とする自律走行システムにより適しているでしょう。
データ処理レイヤでは何が行われるのですか？
データ処理レイヤーは、しばしばミドルウェアやクラウドレイヤーと呼ばれ、生データが価値ある情報に変換される場所です。このレイヤーは、データの保存、分析、フィルタリング、ビジネスロジックや機械学習モデルの適用を処理します。
センサーからの生の遠隔測定データは、しばしばノイズが多く、冗長で、すぐには役に立ちません。データ処理の重要なタスクは、このデータの洪水を理解することです。これは主に2つの場所で行われます。エッジ（ゲートウェイ上またはゲートウェイ近辺）またはクラウドです。エッジ・コンピューティングでは、致命的な障害を検出したマシンのシャットダウンなど、時間に敏感な意思決定の待ち時間を短縮するために、ローカルでデータを処理します。このアプローチでは、クラウドに送信するデータ量を最小限に抑え、帯域幅とストレージのコストを節約できます。
より集中的な分析は、一般的に集中型クラウド・コンピューティング環境で行われます。ここでは、無数のデバイスからのデータを集約し、長期にわたって分析することで、傾向を明らかにし、機械学習モデルを訓練し、深いビジネスインサイトを生成することができます。堅牢なIoTクラウドアーキテクチャは、これらのタスクに必要なスケーラブルなストレージと計算能力を提供します。このレイヤーはまた、ERPやCRMプラットフォームなどの他の企業システムとのioT統合が行われる場所でもあり、IoTデータをビジネスコンテキストで豊かにします。
アプリケーション層の機能とは？
アプリケーション・レイヤー、またはプレゼンテーション・レイヤーは、iotのアーキテクチャの中でユーザーと接する部分です。処理されたデータをダッシュボード、レポート、モバイルアプリを通じてユーザーに提示し、ユーザーがIoTシステムを制御できるようにします。
IoTシステムによって生成された価値は、最終的にエンドユーザーに提供されます。アプリケーション層は、人々が目にし、相互作用するものです。工場管理者が生産ラインの効率をリアルタイムで表示するウェブダッシュボード、住宅所有者がスマートサーモスタットを調整するためのモバイルアプリ、土壌水分レベルに関する農家に送信される自動レポートなどがこれにあたります。
効率的なiot デバイス管理もこのレイヤーを通して処理され、管理者に新しいデバイスのプロビジョニング、健全性の監視、および無線ファームウェア・アップデートの展開のためのツールを提供します。よく設計されたアプリケーション層は、複雑なデータを実用的な洞察に変換し、システム制御のための直感的なインターフェイスを提供します。
スケーラブルなIoTアーキテクチャがビジネスの成長に不可欠な理由
スケーラブルなアーキテクチャが不可欠なのは、IoTシステムが、完全な再設計を必要とすることなく、数台のプロトタイプデバイスから数百万台まで成長し、長期的な実行可能性とプラスの投資収益率を確保できるからです。
多くのIoTプロジェクトは、小規模な概念実証から始まります。しかし、目標は常に拡大することです。スケーラブルなアーキテクチャは、初日からこの成長を計画します。スケーラビリティとは、システムのパフォーマンスを低下させることなく、増加するデバイス数、より大量のデータ、より複雑な処理要求を処理できることを意味します。たとえば、毎分メッセージを送信する1,000台のデバイスを処理するように設計されたシステムでは、1日に144万件のデータポイントが生成されます。1,000,000台のデバイスに拡張するということは、毎日14億4,000万件のデータ・ポイントを処理するということです。この規模に合わせて構築されていないアーキテクチャは失敗します。主な考慮事項としては、自動的に拡張できるクラウドサービスの選択、効率的な通信プロトコルの使用、並列化が容易なデータ処理パイプラインの設計などが挙げられます。設計段階でスケーラビリティを軽視することは、IoTプロジェクトの失敗の主な原因の1つです。
IoTの全レイヤーにわたるセキュリティをどのように計画しますか？
IoTにおけるセキュリティは、物理的なデバイスの保護から、転送中のデータの暗号化、アプリケーション・レベルでのアクセス制御まで、アーキテクチャの各レイヤーに統合された、全体的で深みのある防御戦略でなければなりません。
IoTシステムは、その最も弱いリンクと同じ強さしかありません。どのレイヤーのセキュリティ侵害も、システム全体を危険にさらす可能性があります。包括的なセキュリティ計画は、各レイヤーに個別に対処します：
- →デバイスのセキュリティ：デバイス・セキュリティ：物理デバイスを改ざんから保護し、セキュア・ブート・プロセスを使用して信頼できるファームウェアのみが実行されるようにし、暗号鍵をセキュアなハードウェア・エレメントに格納します。
- →ネットワーク・セキュリティ：ネットワーク・セキュリティ：TLS（トランスポート・レイヤー・セキュリティ）のような堅牢なプロトコルを使用して、転送中のデータを暗号化する必要があります。ネットワークへのアクセスは、権限のないデバイスが参加できないように制御する必要があります。
- →クラウドセキュリティ：クラウドセキュリティ：クラウドインフラストラクチャの保護、データやサービスへのアクセス制御、脅威や脆弱性の定期的な監視が含まれます。データはデータベース内で暗号化されるべきです。
- →アプリケーションのセキュリティ：セキュアなユーザー認証と認可の実装、API の悪用からの保護、Web アプリケーションとモバイルアプリケーションに一般的な脆弱性がないことの確認など。
Dev Station Technology は、IoT アーキテクチャの構築にどのように役立ちますか？
Dev Station Technology はエンドツーエンドの IoT 開発サービスを提供し、専門知識を応用して、特定のビジネス要件に合わせた安全でスケーラブル、かつコスト効率の高い IoT アーキテクチャを設計・構築します。
成功する IoT システムの構築には、組み込みハードウェアからクラウドコンピューティング、アプリケーション開発まで、複数の領域にわたる深い専門知識が必要です。Dev Station Technologyでは、プロセスの各段階を通じてお客様をガイドします。適切なセンサーと接続プロトコルの選択、スケーラブルなクラウドバックエンドの設計、直感的なユーザーアプリケーションの構築を支援します。セキュリティとスケーラビリティに重点を置くことで、お客様のビジネスの成長に合わせて構築したソリューションが価値を提供し続けることをお約束します。
適切に設計された Internet of Things アーキテクチャがお客様の業務をどのように変革できるかについて詳しくは、Dev Station Technology の専門家にお問い合わせください。当社のウェブサイトdev-station.tech をご覧いただくか、sale@dev-station.tech まで直接メールでお問い合わせください。
情報源
- IoT 市場規模、シェア、成長分析レポート、2030 年:https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/internet-of-things-market-573.html
- AWS IoTアーキテクチャ：https://aws.amazon.com/iot/solutions/iot-core/
- Microsoft Azure IoTリファレンスアーキテクチャ:https://docs.microsoft.com/en-us/azure/architecture/reference-architectures/iot/
- スケーラブルなIoTソリューションの解剖： https://www.ibm.com/blogs/internet-of-things/iot-solution-anatomy/
- Gartner Top Strategic IoT Technology Trends:https://www.gartner.com/en/articles/gartner-top-strategic-iot-technology-trends
