IoT Edge デバイスをゲートウェイとして使用する方法

適用対象: IoT Edge 1.5 IoT Edge 1.4

IoT Edge デバイスはゲートウェイとして動作し、ネットワーク上の他のデバイスと IoT Hub 間の接続を提供できます。

IoT Edge ハブ モジュールは、IoT Hub のように動作するため、同じ IoT Hub による ID を持つ他のデバイスからの接続を処理できます。 この種類のゲートウェイ パターンは透過的と呼ばれます。ダウンストリーム デバイスから IoT Hub に、それらの間にゲートウェイが存在しないかのように、メッセージを渡すことができるためです。

独自に IoT Hub に接続していない、または接続できないデバイスの場合、IoT Edge ゲートウェイによってその接続を提供できます。 この種類のゲートウェイ パターンは変換と呼ばれます。IoT Edge デバイスで、受信ダウンストリーム デバイス メッセージを IoT Hub に転送する前に、それらの処理を実行する必要があるためです。 これらのシナリオでは、処理手順を処理するために、IoT Edge ゲートウェイに追加のモジュールが必要です。

透過的および変換ゲートウェイ パターンは、相互に排他的ではありません。 1 つの IoT Edge デバイスが、透過的ゲートウェイと変換ゲートウェイの両方として機能できます。

すべてのゲートウェイ パターンには次の利点があります。

• エッジでの分析 - AI サービスをローカルで使って、クラウドに完全に忠実なテレメトリを送信することなく、ダウンストリーム デバイスからのデータを処理します。 ローカルに洞察を検索して対応し、データのサブセットのみを IoT Hub に送信します。
• ダウンストリーム デバイスの分離 - ゲートウェイ デバイスは、すべてのダウンストリーム デバイスをインターネットへの露出から保護できます。 それは、接続されていない運用制御技術 (OT) ネットワークと、Web へのアクセスを提供する情報技術 (IT) ネットワークの間に配置できます。 同様に、独自に IoT Hub に接続する機能を持たないデバイスが、代わりにゲートウェイ デバイスに接続できます。
• 接続の多重化 - IoT Edge ゲートウェイを介して IoT Hub に接続するデバイスはすべて、基になっている同じ接続を使用できます。 この多重化機能を利用するには、IoT Edge ゲートウェイで AMQP をそのアップストリーム プロトコルとして使用する必要があります。
• トラフィックのスムージング - IoT Edge デバイスは、メッセージをローカルに保持しながら、IoT Hub でトラフィックを調整する場合に指数のバックオフを自動的に実装します。 このメリットにより、急増するトラフィックに対するソリューションの回復力が高まります。
• オフライン サポート - ゲートウェイ デバイスは、IoT Hub に配信できないメッセージとツインの更新を保存します。

透過的ゲートウェイ

透過的ゲートウェイ パターンの場合、IoT Hub に理論的に接続できるデバイスは、代わりにゲートウェイ デバイスに接続できます。 このダウンストリーム デバイスには独自の IoT Hub ID があり、MQTT、AMQP、HTTP のいずれかのプロトコルを使用して接続します。 ゲートウェイは、デバイスと IoT Hub の間の通信を単純に受け渡します。 デバイスも、IoT Hub を介してそれと対話しているユーザーも、ゲートウェイが通信を仲介していることを認識しません。 このように認識されないことは、ゲートウェイが "透過的" と見なされることを意味します。

ダウンストリーム デバイスとクラウドの間の通信を IoT Edge ハブが管理する方法の詳細については、「Azure IoT Edge ランタイムとそのアーキテクチャの概要」を参照してください。

IoT Edge のバージョン 1.2 以降、透過的ゲートウェイではダウンストリームの IoT Edge デバイスからの接続を処理できます。

親と子のリレーションシップ

IoT Hub で透過的ゲートウェイ リレーションシップを宣言するには、IoT Edge ゲートウェイを、それに接続するダウンストリーム デバイスである子の親として設定します。

親/子リレーションシップは、ゲートウェイ構成の 3 つのポイントで確立されます。

クラウド ID

透過的ゲートウェイ シナリオのすべてのデバイスには、IoT Hub に対して認証できるように、クラウド ID が必要です。 デバイス ID を作成または更新するときに、デバイスの親デバイスまたは子デバイスを設定できます。 この構成では、親ゲートウェイ デバイスがその子デバイスの認証を処理することを認可します。

子デバイスは 1 つの親のみを持つことができます。 既定では、親は最大 100 の子を持つことができます。 この制限を変更するには、親デバイスの edgeHub モジュールで Maxconnectedclients 環境変数を設定します。

IoT Edge デバイスは、透過的ゲートウェイ リレーションシップにおいて親と子の両方になることができます。 相互にレポートする複数の IoT Edge デバイスの階層を作成できます。 ゲートウェイ階層の最上位ノードは、最大 5 世代の子を持つことができます。 たとえば、IoT Edge デバイスでは、その下に子としてリンクされた IoT Edge デバイスの 5 つのレイヤーを持つことができます。 ただし、5 世代目の IoT Edge デバイスでは、IoT Edge でも他のものでも、子を持つことはできません。

ゲートウェイの検出

子デバイスでは、ローカル ネットワーク上のその親デバイスを見つけられる必要があります。 ゲートウェイ デバイスを、ホスト名 (子デバイスがそれを見つける際に使用する、完全修飾ドメイン名 (FQDN) または IP アドレスのいずれか) を使用して構成します。

ダウンストリーム IoT デバイスでは、接続文字列に親デバイスを指す gatewayHostname パラメーターを使用します。

ダウンストリーム IoT Edge デバイスでは、config ファイルに親デバイスを指す parent_hostname パラメーターを使用します。

セキュリティ保護された接続

親デバイスと子デバイスは、相互に接続を認証する必要もあります。 各デバイスには、子デバイスが適切なゲートウェイに接続していることを確認するために使用する共有ルート CA 証明書のコピーが必要です。

ゲートウェイ階層内で複数の IoT Edge ゲートウェイが相互に接続する場合、階層内のすべてのデバイスで 1 つの証明書チェーンが使用される必要があります。

透過的ゲートウェイの背後にあるデバイスの機能

IoT Edge のメッセージング パイプラインと連携するすべての IoT Hub プリミティブでも、透過的ゲートウェイシナリオがサポートされます。 各 IoT Edge ゲートウェイには、それを経由して受信するメッセージのための保存および転送機能があります。

次の表を使用して、ゲートウェイの背後にあるデバイスと比較して、デバイスでは、どのように異なる IoT Hub 機能がサポートされているかを確認してください。

機能	IoT デバイス	ゲートウェイの背後の IoT	IoT Edge デバイス	ゲートウェイの背後の IoT Edge
デバイスからクラウドへの (D2C) メッセージ
クラウドからデバイスへの (C2D) メッセージ
ダイレクト メソッド
デバイス ツインとモジュール ツイン
ファイルのアップロード
コンテナー イメージ プル
BLOB アップロード

コンテナー イメージを、親デバイスから子デバイスにダウンロードし、保存して、配信することができます。

サポート バンドルとログを含む BLOB を、子デバイスから親デバイスにアップロードできます。

変換ゲートウェイ

ダウンストリーム デバイスが IoT Hub に接続できない場合は、IoT Edge ゲートウェイをトランスレーターとして動作させる必要があります。 多くの場合、このパターンは、MQTT、AMQP、または HTTP をサポートしていないデバイスに必要です。 これらのデバイスは IoT Hub に接続できないため、何らかの事前処理がないと IoT Edge ハブ モジュールに接続することもできません。

多くの場合、ダウンストリーム デバイスのハードウェアやプロトコルに固有のカスタムまたはサードパーティのモジュールは、IoT Edge ゲートウェイにデプロイする必要があります。 これらの変換モジュールでは、受信メッセージを受け取り、それらを IoT Hub によって認識できる形式に変換します。

変換ゲートウェイには、プロトコル変換と ID 変換の 2 つのパターンがあります。

プロトコル変換

プロトコル変換ゲートウェイ パターンでは、IoT Edge ゲートウェイのみが IoT Hub の ID を持ちます。 変換モジュールが、ダウンストリーム デバイスからメッセージを受信し、それらをサポートされているプロトコルに変換し、次に IoT Edge デバイスが、ダウンストリーム デバイスに代わってメッセージを送信します。 すべての情報は、1 つのデバイスつまりゲートウェイから送信されているように見えます。 クラウド アプリケーションでデバイスごとにデータを分析する必要がある場合、ダウンストリーム デバイスではメッセージに追加の識別情報を埋め込む必要があります。 さらに、ツインやダイレクト メソッドのような IoT Hub プリミティブはゲートウェイ デバイスでのみサポートされており、ダウンストリーム デバイスではサポートされていません。 このパターンのゲートウェイは、ダウンストリーム デバイスの ID が不明瞭であるため、透過的ゲートウェイと対照的に、非透過的と見なされます。

プロトコル変換では、リソースが制限されているデバイスがサポートされます。 既存の多くのデバイスは、ビジネスの洞察に役立つデータを生成します。しかし、クラウドへの接続を考慮して設計されてはいません。 非透過的なゲートウェイを使うと、このデータの制約がなくなり、IoT ソリューションで使用できるようになります。

ID 変換

ID 変換ゲートウェイ パターンはプロトコル変換に基づいていますが、IoT Edge ゲートウェイでは、ダウンストリーム デバイスに代わって IoT Hub デバイス ID も提供されます。 変換モジュールは、ダウンストリーム デバイスで使用されるプロトコルを認識し、それらに ID を提供し、それらのメッセージを IoT Hub プリミティブに変換する役割を担います。 ダウンストリーム デバイスは、ツインとメソッドを備えたファースト クラスのデバイスとして IoT Hub に認識されます。 ユーザーは、IoT Hub のデバイスと対話することができ、中間にゲートウェイ デバイスがあることには気付きません。

ID 変換によって、プロトコル変換の利点が提供され、さらにクラウドからダウンストリーム デバイスを完全に管理できます。 IoT ソリューションのすべてのデバイスは、使用しているプロトコルに関係なく、IoT Hub に認識されます。

変換ゲートウェイの背後にあるデバイスの機能

次の表に、両方の変換ゲートウェイ パターンで IoT Hub 機能をダウンストリーム デバイスに拡張する方法を説明します。

プロトコル変換パターンを使用する場合、そのゲートウェイを介して接続するすべてのデバイスは、同一のクラウドからデバイスのキューを共有します。これには最大で 50 のメッセージを含めることができます。 各フィールド ゲートウェイを介して接続するデバイスが非常に少なく、クラウドからデバイスへのトラフィックが少ない場合にのみ、これを使用してください。

IoT Edge ランタイムには、プロトコルまたは ID 変換機能は含まれていません。 これらのパターンには、多くの場合、使用されるハードウェアとプロトコルに固有のカスタムまたはサードパーティ製のモジュールが必要です。 Azure Marketplace には、選択できるプロトコル変換モジュールがいくつか含まれています。 ID 変換パターンを使用する例については、「Azure IoT Edge LoRaWAN スタート キット」を参照してください。

次のステップ

透過的なゲートウェイを設定する 3 つの手順を学習します。

• 透過的なゲートウェイとして機能するように IoT Edge デバイスを構成します。
• Azure IoT Hub に対するダウンストリーム デバイスの認証を行う
• ダウンストリーム デバイスを Azure IoT Edge ゲートウェイに接続する