エッジコンピューティングとエッジクラウド連携については、この記事をお読みください。

モノのインターネットなどの技術の継続的な発展とデータの継続的な増加により、クラウドベースのモノのインターネットソリューションは、人々の高まるニーズに徐々に応えられなくなっています。ますます多くの企業がエッジ コンピューティングに注目し、それをクラウドの拡張機能として使用してデータ分析を高速化し、企業の意思決定をより迅速かつ適切に行うようになっています。

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数年前、ほとんどの人はモノのインターネットをクラウドに展開することを期待していました。これは確かに個々のユーザーに便利なユーザー エクスペリエンスをもたらしますが、エンタープライズ レベルのモノのインターネット ソリューションを構築するには、依然としてクラウド コンピューティングとエッジ コンピューティングの組み合わせが必要です。純粋なクラウド ソリューションと比較して、エッジ側を含むハイブリッド ソリューションは、レイテンシを削減し、スケーラビリティを向上させ、情報へのアクセスを強化し、ビジネス開発をより俊敏にすることができます。

では、エッジとクラウドの力を最大限に活用するために、企業は IoT ソリューションで何を行う必要があるのでしょうか?この問題を明確にするために、この記事ではまずエッジ コンピューティングとクラウド コンピューティングがそれぞれ果たす役割を紹介し、次に企業がエッジ コンピューティングを必要とする理由と、エッジ クラウド連携ソリューションの選択方法について説明します。最後に、エッジ コンピューティングの複雑さについて説明し、いくつかの使用例を紹介します。

エッジコンピューティングとは何ですか?

エッジ コンピューティングは、データのソースに近い分散処理およびストレージ アーキテクチャです。たとえば、ビジョン処理機能を備えたカメラや、Bluetooth 経由で携帯電話にデータを送信するウェアラブル医療機器はすべて、エッジ コンピューティングを活用しています。エッジコンピューティングはクラウドコンピューティングに比べて端末に近いため、多くの優れた機能を備えています。したがって、エッジ コンピューティングとクラウド コンピューティングのハイブリッド使用は、エンタープライズ レベルの IoT ソリューションを構築するためのベスト プラクティスであると一般的に考えられています。

図1 エッジコンピューティングでよく使用される主要コンポーネント

クラウドバーストと遅延

10年以上の開発を経て、クラウド アプリケーション爆発の時代を迎えました。クラウドは、コスト、効率、規模、自動化、相互運用性、集中化の面で企業に多くのメリットをもたらすことができるのは事実です。そのため、多くの IT 企業のサービスはクラウド上で完全に利用可能であるか、クラウドに大きく依存しています。

同時に、センサーデバイスの数とそれらが生成するデータの量は急速に増加しており、この傾向は今後も続くと予想されます。データはさまざまなソースから大量に取得されるだけでなく、収集されたデータは数ミリ秒以内に大幅に変化することもよくあります。したがって、企業がデータを洞察に変換し、実行に移すスピードが特に重要になります。では、データ生成から意思決定、実行に至るまでのプロセス全体を通じて、レイテンシをできるだけ小さくするにはどうすればよいでしょうか?光速はデータ伝送の速度制限であるため、データ伝送距離を短縮することによってのみ、実際の意味で遅延を減らすことができます。クラウドのみの世界では、データは数百マイル、あるいは数千マイルも移動する必要があり、遅延は避けられません。エッジコンピューティングはこの問題を効果的に解決できます。

将来的には、IoT データの 55% がデバイス側やエッジ側など、データ ソースの近くで処理されると予測されています。データの需要が拡大し続けるにつれて、レイテンシの削減によって応答時間が大幅に改善され、時間とコストを節約できるため、レイテンシへの対応が優先事項になります。

図2. デバイス層からパブリッククラウドまでのさまざまなレベルでのレイテンシの範囲

低レイテンシは、IoT ソリューションをエッジ コンピューティングに拡張する多くの理由の 1 つに過ぎず、IoT ソリューションにおけるエッジ コンピューティングの利点は他にも数多くあります。

図3 エッジコンピューティングの利点

クラウドとエッジのバランス

IoT ソリューションは、企業のアジャイル開発に大きな影響を与えます。エッジおよびクラウドベースの IoT ソリューションの例をいくつか紹介します。

1. スマートファクトリー

モノのインターネットなどのテクノロジーの継続的な発展により、企業はデジタル化および自動化されたビジネスプロセスへと急速に変革しています。同時に、多くのメーカーは世界中に工場を持ち、それぞれの工場には独自の特徴と機能要件があることがよくあります。したがって、クラウド コンピューティングは、独自の利点を備え、企業をインテリジェント製造へと変革する上で重要な役割を果たします。企業はクラウドを通じて、地域を越えてグローバルにシステムやプロセスを監視し、業務全体の比較分析を行い、最適な投資比率を決定することができます。クラウド プラットフォームやデータ センターは企業にとって不可欠であることがわかります。

明らかな利点があるにもかかわらず、企業がクラウド プラットフォームやデータ センターを通じてすべてのデータを一元的に管理することを期待するのは大きすぎて非現実的です。したがって、エッジ クラウド アーキテクチャを組み合わせることによってのみ、企業は高速でほぼ妨げられない接続をスマート ファクトリーに提供できます。

図4 エッジとクラウドがデバイス層のセンサーと連携して動作する仕組み

• デバイス レイヤーは、即時の相互作用を可能にするためにローカル エリア ネットワークまたはモノのインターネットに接続された個々のデバイス コンポーネントを表します。この機械学習 (ML) レイヤーは、クラウドでトレーニングされた ML モデルに基づいて実行されます。このレイヤーには大量の生のデバイスデータも保存されます。
• デバイス レイヤーは個々のデバイスの可視性と制御を提供し、プラント アプリ レイヤーはプラント内のすべての接続デバイスの可視性と制御を提供します。エッジ接続層は、個々のデバイスと工場のアプリケーション層間の必要な接続を提供します。
• エンタープライズ レイヤーはクラウドでホストされており、複数の工場にわたる可視性と制御を提供します。このレベルでは、エンタープライズレベルで分析、予測、意思決定を実行し、工場全体のデータに基づいて ML アルゴリズムモデルをトレーニングし、トレーニングと分析の結果をエッジレベルに「プッシュ」し、最終的に各デバイスに送信してインテリジェントな操作を実現します。

2. スマートビルディング

インテリジェント ネットワーク テクノロジーの台頭により、オフィス、小売店、工場、病院など、スマート ビルディングはより効率的で快適かつ便利になり、居住者にユニークな体験をもたらしています。スマート ビルディングでは、自動化された操作とスペース管理を組み合わせることで、ユーザー エクスペリエンスを効果的に向上させ、生産性を向上させ、コストとサイバー セキュリティのリスクを削減できることがわかっています。さらに、スマート ビルディングはインフラストラクチャと運用をより適切に制御できるため、開発者はスペース、エネルギー、水、人手などのリソースを節約できます。

図5 スマートビルディングで使用されるさまざまな種類のIoTデバイス

さらに、建物のライフサイクル中のコストの 75% ～ 80% は、その後の運用に関連しています。現在、多くの商業住宅やオフィスビルには、暖房、セントラル空調、センサーが組み込まれたスマート照明システムなどの自動制御システムや管理システムが導入されており、クラウド プラットフォームまたはエッジ レベルでメイン システムと対話できます。その中で、エッジ サーバーやゲートウェイは通常、クラウド プラットフォームの分析結果を送り返し、機器の操作やスケジュールを最適化するために使用されます。要約すると、エッジ コンピューティングとクラウド コンピューティングは、建物によりスマートなリソース管理を提供します。

エッジクラウドソリューション構築の課題

エッジ コンピューティングは具体的なメリットをもたらしますが、運用と設計の複雑さももたらします。一方、エッジ コンピューティングは高度に分散されており、オフィス、工場、キャンパスなどの場所に配置されており、その一部は遠隔地やアクセスが困難な場所にあります。一方、どの企業でも数千台のデバイスと数百台のゲートウェイを所有している可能性があり、それらすべてにファームウェア、オペレーティング システム、さまざまな形式の仮想マシン、ソフトウェアがインストールされています。これらの一部は製造元が提供する必要があり、残りはサードパーティのソリューション プロバイダーが提供する必要があります。したがって、すべてのエッジ ノードは、バックアップ、パッチ適用、更新、監視など、適切な管理者によって管理および保守される必要があります。

エッジ コンピューティングには多くの潜在的な問題があり、高度に分散されたモデルではトラブルシューティングも非常に困難です。通常、現場技術者は現場に出向いて機器のアップグレードや修理を行う必要があります。したがって、このアプリケーション シナリオでは、ソフトウェアのアップグレードはハードウェアのアップグレードよりも簡単で便利であるため、「ソフトウェアですべてを定義」に似た方法が緊急に必要です。

1. 継続的なアップデート

クラウド コンピューティングには課題もありますが、一定レベルの自動化とツールを提供することで、多くの IT の懸念が解消されます。対照的に、エッジ コンピューティングでは、データ収集、プログラムの更新、デバイスの管理と監視、機械学習モデルの更新などの高度な機能も実行する必要があり、これらの機能はすべてのエッジ ノードとクラスターに複製される必要があります。これは困難な作業であり、ある程度はビジネス自体のニーズを超えています。

2. 経営戦略

従来のデータ センターで使用される管理ポリシーとプラクティスは、複数の場所に分散され、従来のデータ センターよりも動的であるエッジ展開には通常適用できません。このようなシステムの運用管理を行うことは複雑な作業です。

3. コスト

クラウドはオンデマンドのスケーラビリティを提供し、プロビジョニング、自動化、回復力も容易ですが、これらの機能をエッジで提供するにはコストがかかり、複雑です。既存のエッジ展開の拡張に対応するには、デバイスとエッジ ノードの数を増やすだけでなく、追加のハードウェアとソフトウェアに多額の投資を行い、多くの複雑な作業を実行する必要がある場合があります。

4. サイバーセキュリティ

複数のノードとデバイスを介してクラウドとデータセンターをエッジまで拡張すると、サイバー攻撃の対象領域が飛躍的に拡大する可能性があります。保護されていないデバイスやエッジ ノードは、企業ネットワーク内の貴重な資産への侵入ポイントになったり、分散型サービス拒否攻撃などの悪質な目的に使用されたりする可能性があります。したがって、エッジ層ですべての資産の物理的セキュリティとネットワーク セキュリティを維持することは、複雑かつ重要なタスクです。

IoT におけるエッジ コンピューティングの必要性をどのように判断するのでしょうか?

相対的に言えば、エッジ コンピューティングは非常に複雑で高価であり、一定のリスクを伴い、リソースを浪費するため、リスクと報酬を評価し、IoT ソリューションでエッジ コンピューティングを拡張するかどうかを慎重に決定する必要があります。

図6 ガイダンスの提案

多くの IoT ユースケースでは、クラウドでホストされるコンポーネントを IoT ソリューションに追加するには、既存の運用テクノロジーとの適合性を考慮して、ある程度のエッジ コンピューティング機能 (主にゲートウェイ) が必要です。同様に、スマートビルやスマート工場管理システムを実現するには、エッジ処理機能も必要です。

エッジまたはクラウドのみを使用するとスケーラビリティの問題が発生する

大規模な IoT システムの場合、他の処理を考慮せずにすべてのデータをクラウドに送信して計算すると、帯域幅の使用にスケーラビリティの問題が発生し、ネットワーク インフラストラクチャを継続的にアップグレードする必要がある可能性があります。さらに、実際のアプリケーションではビジネスが拡大するにつれて、プライベートクラウドの使用方法も再構成する必要があり、負荷分散を実現するために手動による介入が必要になる場合があります。

クラウド コンピューティングだけでなく、完全にエッジベースの分散アーキテクチャも同様に複雑であり、デバイスの規模に応じて増大します。エッジ システムとアプリケーションの管理も非常に複雑であり、成熟した自動化ツールはまだ利用できません。多くの場合、エッジ展開ではスケーラビリティが適切に考慮されていないため、デバイスの展開がより複雑になります。

どうやってやるんですか？

最初のステップは、エッジ コンピューティングが必要かどうかを評価することです。エッジ コンピューティングが不要な場合、企業は純粋なクラウド ソリューションを導入できます。しかし、エッジ処理が必要な場合、次のステップはエッジで必要な機能を決定し、最も適切な展開モデルを決定することです。エッジ処理はデバイス、ゲートウェイ、エッジ サーバーで実行でき、モデルによってコンピューティング能力、応答性、場所が大きく異なる可能性があるためです。

場合によっては、ユーザーが設定した要件を個別の機能パッケージにパッケージ化すると、使い方が簡単で便利になりますが、柔軟性が犠牲になる可能性があります。ユーザーに独自の機能コンポーネントを構築する柔軟性を提供したいと考えるのは当然ですが、これにより納品時間が長くなり、固有のリスクが生じます。

注目すべきもう 1 つの点は、エッジ コンピューティング ベンダーの進化です。ほとんどの IoT インフラストラクチャまたはプラットフォーム ベンダーは、データ処理、データ分析、ローカル ストレージ機能が必要なゲートウェイやサーバーなど、多くの IoT ソリューションを正常に提供するためにエッジ コンピューティングが不可欠なコンポーネントであることを認識しています。さらに、ハードウェア ベンダーは、デバイス管理、プロトコル処理、変換を他のベンダーに依存する傾向があります。ベンダーが「エンドツーエンド」ソリューションを求めるようになるにつれて、この分野では大幅な統合が起こる可能性が高くなります。

IoT デバイスとそれらが提供するデータは世界を変え、私たちの生活や仕事の仕方を変革しています。現在、クラウドベースの IoT ソリューションが成熟して使用されています。将来的には、ほとんどの場合、IoT ソリューションにはエッジとクラウドの組み合わせが含まれるようになります。そのため、IoT ソリューションでは、エッジとクラウドの機能を適切にバランスさせる必要があり、エッジ コンピューティングの構成によって長所と短所が異なります。企業が IoT ソリューションを設計および構築する際に考慮すべきさまざまな要素があります。

相対的に言えば、実際のビジネスでは複雑な設計が求められる場合でも、IoT ソリューションは可能な限りシンプルである必要があります。これは単純に思えるかもしれませんが、実行するのは難しく、エッジ モードの選択がソリューションの成功に影響する可能性があります。

明らかに、IoT ソリューションにおいてクラウド コンピューティングとエッジ コンピューティングのどちらが優れているか劣っているかについてはコンセンサスがありません。特定の問題を具体的に分析します。状況が異なれば解決策も異なります。しかし、開発の方向性の観点から見ると、クラウド コンピューティングとエッジ コンピューティングの相乗効果が将来の IoT アーキテクチャを構成する可能性があります。

元記事: https://www2.deloitte.com/content/dam/insights/us/articles/5104_Scaling-IoT/figures/5104_fig3.jpg