IoT Edge デバイスをゲートウェイとして使用する方法

[アーティクル]
06/04/2024

適用対象: IoT Edge 1.5 IoT Edge 1.4

重要

サポートされているリリースは、IoT Edge 1.5 LTS と IoT Edge 1.4 LTS です。 IoT Edge 1.4 LTS は、2024 年 11 月 12 日にサポートが終了します。以前のリリースの場合は、「IoT Edge を更新する」を参照してください。

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。

Note

ダウンストリームデバイスは、インターネットまたはゲートウェイデバイスに (IoT Edge 対応かどうかに関係なく) 直接データを出力します。子デバイスには、入れ子になったトポロジ内のダウンストリームデバイスまたはゲートウェイデバイスを使用できます。

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。

Note

IoT Hub での親デバイスの設定は、以前は対称キーの認証を使用するダウンストリームデバイス用の省略可能な手順でした。しかし、バージョン 1.1.0 以降では、すべてのダウンストリームデバイスが親デバイスに割り当てられている必要があります。

環境変数 AuthenticationMode を値 CloudAndScope に設定することで、以前の動作に戻るように IoT Edge ハブを構成できます。

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。

機能	プロトコル変換	ID 変換
IoT Hub ID レジストリに格納されている ID	ゲートウェイデバイスの ID のみ	接続されているすべてのデバイスの ID
デバイスツイン	デバイスとモジュールツインはゲートウェイにのみ含まれている	各接続のデバイスには、独自のデバイスツインが含まれている
ダイレクトメソッドおよびクラウドからデバイスへのメッセージ	クラウドはゲートウェイデバイスのみをアドレスできる	クラウドは接続された各デバイスを個別にアドレスできる
IoT Hub のスロットルおよびクォータ	ゲートウェイデバイスに適用する	各デバイスに適用する

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。

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