クラウドブローカーとは

2022 4/21

2022-03-1

AWS IoTの特徴は、ルール設定に基づいて外部のデバイスと連携し、指定するアプリケーションの構築が可能となります。

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MQTT とは
MQTT クラウドブローカーとははブローカー型のメッセージ伝達・再分配プロトコルで、その起源は意外に古く 1999 年に IBM と Eurotech 社で開発されたものと言われます。IBM の MQ プロトコルを母体として開発されたため MQ Telemetry Transport の略で MQTT と名付けられたとも言われていますが、MQTT という名前自体には大した意味はありません。そもそも MQTT にはメッセージを溜める(Queue)機能はなく、MQTT という名前は「名が体を現わさない」妙なことになっています。

古典的なクライアント・サーバ型システムの場合、データの発信者と受信者は直接接続していました。これは WEB ブラウザから Amazon だとか Google に接続する場合には問題になりませんが、センサネットワークのように数百数千ものデータソースが存在する場合は問題です。「２階第３会議室の南側の窓の開閉センサーを管理しているノードの IP アドレスは何だ？」のように、クライアントはセンサーノードの数だけ IP アドレスを検出管理しなければなりません。一方、サーバ側では接続数が多くなると処理や消費メモリの負荷が上がり、「何が起きたとき誰に伝えれば良いか？」というデータ配布条件の設定も複雑になる傾向がありました。

クライアント・サーバモデル
サーバ数が少ない場合は単純

クライアント・サーバモデル
サーバ台数が増えると級数的に複雑度が増す

一方、「ブローカー型」というのは、データの発信者(Publisher / パブリッシャー)クラウドブローカーとはは再分配サーバー(Broker ブローカー)にデータを送り付けるだけでよく、そのデータをどんな条件で誰に再配布するのかはブローカーが処理する形態のシステムです。データの受け取り手はサブスクライバー(Subscriber)と呼ばれます。厄介事をブローカーがまとめて引き受ける中央集権型のシステムですが、ブローカーをクラウドサーバとして解釈するとわかりやすいかと思います。

ブローカーモデル
接続組み合わせの複雑度はブローカーが引き受ける

MQTT は (SOAP や AJAX のような) HTTP 上の相乗りではなく、独自の通信ポート(TCP 1883, TLS 8883)を使って動作します。プロトコル仕様も HTTP/HTML とは全く異なるバイト単位のバイナリフォーマットで、十数バイト程度の短いメッセージを交換する場合にデータ効率が優れることも特長です。

トピックとメッセージ
さて、データ伝達の基本は「誰」に「何」を伝えるかです。「何」は更に「それを識別する名前」と「その中身」から構成されます。MQTT において「何」は「トピック(Topic)」という文字列で識別されます。トピックはいわゆるファイルシステムのパス構造に似て、/ から始まる任意の階層の名前を付けることができます。MQTT のトピック名「/ から始まる Unicode UTF-8 文字列であること」「全長 65535 バイト以下に収まること」「ヌル文字を含まないこと」「$, #, + は予約語として特別な機能が与えられる」という程度しか既定がなく、非常に自由度が高い特徴があります(※註)。

※註：もっとも原仕様で既定していないというだけの話で、実装系によって異なる既定や上限がある可能性はあります。

MQTT において、トピックとパブリッシャーの間に直接の関係はありません。複数のパブリッシャーが１つのトピックにメッセージを送ることも可能です(※註)。メッセージがどのパブリッシャーから送られたのか MQTT は一切関知しませんし、複数パブリッシャーから「ほぼ同時」にメッセージが送られてきた場合の優先度や到着順序は管理も保証もしません。

※註：誰彼構わずメッセージを送られると困るような場合、ユーザ名とパスワードを使ってトピックへのアクセス条件を制限するようにブローカーを実装することは可能です。これは「パーミッション(Permission)」機能と呼ばれ多くの MQTT ブローカーに実装されていますが、MQTT 仕様は「ユーザ名とパスワードが指定可能である」という枠組みを設けているだけで、それをどのように利用してパーミッションを実現するかは実装に任されています。

データの「中身」については、MQTT は「既定しないこと」を既定しています(※註)。たとえば温度 25 ℃を伝えるのにバイナリの 0x00 0x19 でも単位なし文字列の "25" でも、あるいは単位付き文字列の "クラウドブローカーとは 25C" でも "77F" でも "298K" クラウドブローカーとはでも、アプリケーションが解釈できればそれで良いというのです。従来のメッセージ型プロトコルが何らかのデータ型(整数や文字列)を持っていたのに対し、この自由度の高さは異様にすら思えます。とはいえ、本当にパブリッシャー毎にバラバラのメッセージを送られると破綻してしまうので、おそらく現実的には XML や JSON など、既に WEB 世界で用いられているフォーマットが使用されるでしょう。なお MQTT のメッセージ長はちょっと変わったエンコード形式を採用しており、表現可能な最大長は 256M バイトになります。

※註：仕様書原文では "The content and format of the data is application specific".

データを「誰に」伝えるかについては、MQTT はセッションをもって「誰」を識別します。つまり MQTT の受信側(サブスクライバー)側はつなぎっ放しで使うことを前提としており、例えば e-mail のように切断状態にあった「誰か」がログインして溜まっていたメッセージをまとめて受信するような運用は想定されていません(※註)クラウドブローカーとは 。「MQTT という名前に反して Queue 機能はない」と冒頭に書いた通りです。

※註：ただし、トピックに送られた最後のメッセージを１つだけ溜める「リテイン(Retain)」という機能はオプション仕様として既定されています。

サブスクライバーはブローカーに対し、自分が受信したいトピックを指定します。そのトピックに対して(パブリッシャーから)メッセージが送られると、メッセージは全てのサブスクライバーに再配布されます。メッセージ配送システムにありがちな、ビットマスクや AND/OR 条件を組み合わせた配布条件フィルタのような難しい機能はありません(※註)。

※註：これも、ユーザ名に紐づけてメッセージの再配布条件を設定する実装は可能です。それを実装するかどうか、どれだけ複雑な条件設定を可能にするかは実装と運用に任されます。

MQTT のサブスクライバー側には、複数のトピックをまとめて受信する「ワイルドカード」という仕組みがあります。これは上で「予約語として特別な機能が与えられる」とした + と # の組み合わせで指定されます。
MQTT のトピックにおいて + は単一階層の任意一致、# は「それ以降の全ての一致」を示します。ワイルドカードは階層単位で用いられ、文字列の部分一致には用いられません。「/bedroom/#」というトピックは「/bedroom/ で始まる全てのトピック」、「/+/light」は「２階層で２層目が light の全てのトピック」を対象とします。「/+room」だとか「/bed#」のように文字列と組み合わせて使うことはできません。

ワイルドカードを使った場合、サブスクライバーは(当然ながら)複数の異なるトピックからのメッセージを受信することになります。しかし MQTT ではメッセージの優先度や到着順序は管理も保証もしませんし、それどころかメッセージがどのトピックから送られたかも示してくれません。この辺も「アプリケーション依存」なので、「メッセージにトピック情報を添付することにする」とか「そもそもワイルドカードには頼らない」とか、システムとして何らかの解決法を定める必要があります。

MQTT を使ってみる
MQTT には Python や JavaScript や Erlang といった「IT 屋さん言語」で書かれた実装も多く、ネット上の MQTT 解説にはそれらを駆使したものが多いのですが、今回は「組み込み屋さん」らしくベタの C 言語で書かれた mosquitto というパッケージを使ってました。バージョンは 1.4.9 ですが、バージョンが問題になるほど難しいことはやりません。

mosquitto のソースをダウンロードして make すると、src/ 下にブローカーである mosquitto が、client/ 下にパブリッシャーの mosquitto_pub とサブスクライバーの mosquitto_sub が生成されるはずです。
まず最初にブローカーを起動します。-v オプションを付けて接続や送受信の情報を逐一表示させるようにすると、何がどう動いているのかわかりやすいでしょう。

$ ./src/mosquitto -v
1470848533: mosquitto version 1.4.9 (build クラウドブローカーとは date 2016-08-09 09:39:33-0700) starting
1470848533: Using default config.
1470848533: Opening ipv4 listen socket on port クラウドブローカーとは 1883.
1470848533: Opening ipv6 listen socket on port 1883.

次に別ウィンドウを開けてサブスクライバーを起動します。-h は IP アドレスないしホスト名、-t はトピックを指定します。

次にもう一つ別ウィンドウを開けてパブリッシャーを起動します。-h と -t はサブスクライバーと同じで、-m がメッセージを示します。

MQTT の簡単な動作例は以上です. これだけ？！そう、これだけ。このように、MQTT はとても単純なプロトコルです。進化の過程で(※註) QoS とか Retain とか Will とかのオプション機能も追加されてきたのですが、その辺を全く使わなくとも、もっとも単純なかたちで「とりあえず動かしてみる」ことができるのが MQTT の魅力の一つです。

※註：記事執筆時点で MQTT 仕様の最新バージョンは 3.1.1 ですが、前バージョンの 3.1 クラウドブローカーとはクラウドブローカーとはクラウドブローカーとはからかなり大幅な改訂が行われ直接互換性の無い部分すらあり少々の混乱を招いたようです。何で 3.2 とか 4.0 にせず 3.1.1 にしたんでしょうかね？

MQTT とセキュリティ
現実的には、素の TCP 1883 ポートで MQTT クラウドブローカーとはを動かすことはまず無いでしょう。クラウド上で稼動させるなら特に、TLS セキュリティ層を挟んで少なくとも片方向(ブローカー／サーバ側)の認証と暗号化を行う運用がほぼ必須になると思います。パブリッシャーやサブスクライバーの認証は TLS 暗号回線上で Username/Password を用いて行うことになると思われますが、クライアント証明書を用いた TLS の双方向認証を必須とすることも可能で、このへんは使用する実装系と運用上の要件に応じたインテグレーションが必要になります。

TLS クラウドブローカーとは を用いると接続・切断のたびに証明書の交換と検証が発生し、これは通信時間と消費電力の増大を招きます。バッテリ駆動で間欠的なデータ発行を行うセンサノードでは大問題で、ここをどう工夫するかがインテグレーターに問われることになります。データ送信間隔が短い場合は下手に切断・再接続するより、TLS 回線を接続しっ放しで省電力モードに入れたほうが効率的かも知れません。データ送信間隔が充分に長いなら切断・電源遮断して毎回再起動・再接続したほうが効率的かも知れません。何をもって「短い」とか「長い」と判断するかは待機時消費電力と再接続時・再認証時の消費電力との兼ね合いで、使用する MCU の性能や証明書の鍵長にも左右されるので一概には言えません。TLS を常時通電のアップリンクルータにトンネルとして実装して、末端ノードとアップリンクルータ間はデータリンク層のセキュリティ機能(WiFi WPA2 など)に頼ることが正解になるかも知れません。原理が単純で自由度が高いだけに、使いこなすにはそれなりにノウハウが要求されるのも MQTT の特徴ではないかと思います。

まとめ
以上、MQTT について簡単にまとめてみました。コマンドやパケットフォーマットの詳細にはあえて踏み込んでいませんが、MQTT は日本でも盛んに実装が行われていて、開発者による充実した日本語の(ホンネの)情報もネットで読むことができます。日本語情報が少ないうえ、往々にして内容が古かったり誤解混じりだったりする Bluetooth とは大違いです。

MQTT はとにかく「アホみたいに単純」なプロトコルで、メッセージフォーマットすら既定せず、運用で直面するであろう多くの課題を「アプリケーション依存」として実装／運用者に丸投げしている印象を受けます。MUST, MUST NOT, SHOULD, SHOULD NOT でガンジガラメにされた過保護管理主義な最近の RFC 仕様にくらべると、何だか３桁時代の RFC クラウドブローカーとはを見ているような気になります。こういう仕様が IETF/RFC の枠外から出てきて市場に受け入れつつあるというのは象徴的ですね。

「IPv6 over Bluetooth のはなし」では Bluetooth LE の IPSP を実働させて「スループットは 10Kbit/sec くらい」「こんなので HTTPS を通すのはかなり無謀」と書きましたが、MQTT はこういった低速ネットワークに向くかも知れません。とはいえセキュリティ層に TLS を使用して毎回接続・認証すれば毎回数キロバイトの証明書交換手続きが入るので、HTTP と MQTT のヘッダ長差なんて大した違いではなくなります。MQTT の特長を活かしたシステムとして稼動させるには要求条件と使用するコンポーネントの特性を把握し、利害得失を判断して適切なセッティングを選ぶインテグレーターの手腕が問われることに変わりはないでしょう。

AWS IoTとはなにか｜AWS IoTの特徴やコストなどを解説

IoTとは、「Internet of Things」の略です。直訳して、モノのインターネットと呼ばれています。

AWS IoTを扱うために必要な用語7つ

AWS IoTとは、Amazonが提供しているサービスです。 AWS接続を経由してIoTデバイスとやり取りをするサービスで、様々な機能や用語を保持しています。

出典：AWS IoT とは｜Amazon Web Services, Inc.
参照：https://docs.aws.amazon.com/ja_jp/iot/latest/developerguide/what-is-aws-iot.html

1：Zigbee

Zigbeeとは、無線で通信を実施する場合の規格を指します。

出典：Q.インターネットに直接接続されていないデバイスでも AWS IoT Core にアクセスできますか?｜Amazon Web クラウドブローカーとは Services, Inc.
参照：https://aws.amazon.com/jp/iot-core/faqs/

2：MQTT

MQTTとは、IoTとAWSの間で使われるデータ通信プロトコルのことを指します。

3：ブローカー

ブローカーとは、「仲介する」と言う意味がありAWSでは、メッセージブローカー機能を指します。

BLEとは、スマホなどに装備している「Bluetooth技術」を利用した機能です。

5：IoTゲートウェイ

IoTゲートウェイとは、IoTからAWSに通信する場合にゲートとなる端末のことを指します。

6：SORACOM

SORACOMとは、IoTからの無線通信をグローバルネットワークで提供するサービスを指します。

7：EnOcean

EnOceanとは、無線通信規格の機能を指します。

AWS IoTの特徴5つ

AWS IoTの特徴は、ルール設定に基づいて外部のデバイスと連携し、指定するアプリケーションの構築が可能となります。

1：Ruleエンジン

Ruleエンジンとは、定義したルールに基づきAWSサービスへのメッセージが変換されて別のデバイスへと配信する機能です。

2：デバイスSHADOW

デバイスSHADOWとは、最新版のデバイスバージョンを仮想的に作成することが可能となります。

3：MQTT/RESTブローカー

クラウドブローカーとは MQTT/RESTブローカーとは、メッセージのやり取りをするためのプロトコルを指します。

4：デバイスレジストリ

デバイスレジストリとは、それぞれのデバイスにIDを割り当てる機能を指します。

5：他のAWSサービスとの連携

他のAWSサービスとの連携とは、バブリッシュされたメッセージを他のサービスとのやり取りをする機能を指します。

AWS IoTルールの設定で、トピック条件によりメッセージを他のAWSサービスと連携が可能です。また、AWS IoTで受信したメッセージ保存やLambdaを起動する場合の設定も連携を可能とします。

AWSで構築できるIoTのシステム3種

AWSで構築できるIoTのシステムとは、必要な時にインターネット経由でデバイスと接続やデータ送受ができるシステムを指します。

1：産業向け

IoTは、人間とクラウド環境を結び付けて、産業界の生産性の向上に貢献します。

2：コネクテッドホーム

コネクテッドホームとは、IoT技術により家電や設備をインターネットで接続された形態を指します。

AWS IoTは、信頼性や高品質のため企業でも導入が進んでいます。

AWS IoTのコスト

AWS IoTは、すべてのサービスが従量制の料金体系となっており、コスト低減に貢献しています。

AWS IoTについて理解を深めよう

AWS IoTは、様々なIoTデバイスを別のデバイスやAWSクラウド環境へ接続するサービスを指します。

クラウドストレージは無制限がおすすめ！法人向けプランの選び方

インターネットを経由し、クラウドサーバー上にあるソフトウェアを利用できるサービスを、SaaS(Software as a Service)といいます。クラウドストレージはその1つです。

従来のソフトウェアとは異なり、アカウントを取得すれば、インストールしなくてもすぐに利用できます。カスタマイズの自由度が低いというデメリットはありますが、導入までの期間が短く、費用も抑えられるのが魅力です。またソフトウェアのアップデートやセキュリティの更新も、ベンダー側で行われます。自社で管理する必要がないので、コストや工程の削減にもつながるでしょう。

クラウドストレージがビジネスにおすすめな理由

ビジネスとテクノロジー

どこからでもデータの共有・アクセスが可能

データ管理に必要なコストを抑えられる

バックアップの手間を削減できる

顧客データや業務の記録、資料など蓄積されたデータは、企業にとってかけがえのない財産です。もし消失したり破損してしまったりすれば、大きな損害になりかねません。そのため自社サーバーでデータを保管している場合は、定期的なバックアップ作業が不可欠です。

一方クラウドストレージサービスは、自動でバックアップを行うシステムを備えています。自社での作業が不要になることが多いため、手間もコストも削減可能です。

またクラウドストレージの使用は、リスク分散にもつながります。災害によって自社サーバーや社屋がダメージを受けても、クラウドストレージにデータを保管してあれば、復旧までの時間も短縮できるでしょう。

クラウドストレージの活用例

テクノロジー

取引先と情報共有する

社内だけでなく、取引先ともデータの共有ができるのが、クラウドストレージの強味です。メールに添付したり、保存したメモリーを手渡ししたりしていたデータのやり取りも、スムーズに行うことができます。画像や動画など容量の大きなデータも、圧縮する必要がありません。

また企画書や資料を画面共有すれば、打ち合わせをしながらの加筆修正も可能になります。先方に赴く必要がなく、いつでもデータを閲覧・確認できるため、作業効率のアップにもつながるでしょう。

パスワードやアクセス制限を設定すれば、相手は許可したデータしか見られないので、セキュリティの面でも安心です。

会議資料などのペーパーレス化

クラウドストレージを活用すれば、各自でアクセスして、必要なデータを自分のパソコンやタブレットにダウンロードできます。会議資料など書類のプリントアウトを減らし、オフィスのペーパーレス化を推進するのに有効です。

また書類の紛失や盗難、他の社員に勝手に見られるなど、情報漏えいにつながるリスクも減らせます。

検索性が高いのもクラウドストレージの特徴です。書類が増えてくると、見たいものを見つけるのに時間がかかることがあります。クラウドストレージなら、キーワードを入力すれば検索できるので、「あの書類はどこに格納したかな」と慌てずに済みます。

テレワークにも活躍

新型コロナウイルスの流行をきっかけに、在宅勤務・サテライトオフィス勤務などのテレワークが広まりました。これに伴って働き方も多様化しています。

クラウドストレージはこのような状況にも適しています。社員がどこにいてもデータにアクセスでき、共有による作業も可能なので、出社しているときと変わらない水準の仕事をこなすせるでしょう。

また画像や動画といった大容量のデータも、クラウドストレージにアップロードすれば、スムーズにやり取りできます。

クラウドストレージの選び方

テクノロジー

セキュリティ対策は最重要事項

クラウドストレージは権限を持っていれば、どこからでもアクセスできるのがメリットです。それだけにセキュリティ対策が重要となります。

ビジネスシーンで使用するクラウドストレージは、ログインIDやパスワードの二段階認証、ワンタイムパスワードなどの、セキュリティ機能を備えたものがよいでしょう。

また誰がアクセスしたかチェックできるログ管理機能や、データを送信する際に暗号化する機能もあると安全度が高まります。

こうしたより高度なセキュリティ対策は、有料版で利用できることがほとんどです。ビジネス利用するなら、データの安全な保管を第一に考えて、有料版を選択しましょう。

必要な機能を備えているかどうか

クラウドストレージを導入しても、備える機能はベンダーによって異なります。

導入する際には、必要な機能を備えているかどうかを必ずチェックしましょう。クラウドストレージのサービスは、パッケージ化されていることが多く、機能の追加が難しいためです。

ビジネス利用に必要とされる主な機能には、データの更新通知やログインIDがない人へのデータの送受信から、データの公開期限、ユーザーの有効期限などの設定などがあります。

スマートフォンやタブレットで利用するためのアプリがあるサービスなら、PC版と同じ機能が使えるかも確認しておきましょう。

使いやすさを比較する

操作性もクラウドストレージ選びには欠かせない要素です。優れた機能を備えたサービスでも、実際に利用する社員にとって使いにくいと、浸透しづらくなることがあります。

使いやすさを比較するには、無料トライアル期間を設けているクラウドストレージがおすすめです。できれば複数のサービスを利用して、比較するとよいでしょう。実際に使ってみることで、自社に合ったクラウドストレージが見つけやすくなります。

パソコン作業に不慣れな社員の感想も参考にしましょう。よく分からない人でも直感的に使えるかどうかは、操作性を判断するポイントの1つです。