鷲崎弘宜, IoTアーキテクチャ・デザインパターン概観, スマートエスイーセミナー: IoT・機械学習応用ソフトウェアの設計とパターン, 2020/07/13

1. 質問 http://sli.do/ #58755
アンケートhttp://u0u1.net/Urae
IoTアーキテクチャ・
デザインパターン概観
鷲崎 弘宜
早稲田大学ほか
IEEE Computer Society 2021-2023 Board of Governors
Election 候補者
2020年7月13日
v20200712
セミナー: IoT・機械学習応用ソフトウェアの設計とパターン
Hironori Washizaki, Shinpei Ogata, Atsuo Hazeyama, Takao Okubo, Eduardo B.
Fernandez, Nobukazu Yoshioka, “Landscape of Architecture and Design Patterns for IoT
Systems,” IEEE Internet of Things Journal, 2020 (Early Access)
https://ieeexplore.ieee.org/document/9120234

2. 質問 http://sli.do/ #58755
アンケートhttp://u0u1.net/Urae
IoTにはパターン（言語）が必要！
• 抽象的なビジョンと具体的な事例、
指示、ツールの橋渡し
– Know-Why（文脈）、What（問題）、How（
解決策）を言語化し、文書化する。
– 解決策や問題点の再利用
– 一貫性のあるアーキテクチャの取得
2
ビジョン
事例
ツール
フレーム
ワーク
作業指示
?
？
• ステークホルダー間の共通言語
– ソフトウェアエンジニア、ハードウェアエ
ンジニア、ネットワークエンジニア、ドメ
インエキスパート、データアナリスト・・・

3. 質問 http://sli.do/ #58755
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エグゼクティブサマリ
• 抽象度の異なる様々なIoTアーキテクチャ・デザインパターン
は、十分に分類および研究されていない
• RQ1.学術的な文献では、IoTのアーキテクチャや設計パター
ンはどのように扱われているのか？
– IoTアーキテクチャ・デザインパターンの関連論文32編
• RQ2.既存のIoTアーキテクチャやデザインパターンは本当に
全てIoTパターンなのか？
– 抽出された143パターンのうち、57％が非IoTパターン
• RQ3.IoTアーキテクチャ・デザインパターンは分類できるか？
– 抽象化レベル、ドメイン、品質特性に沿って分類可
• RQ4.IoTアーキテクチャ・デザインパターンはどのようなもの
があるのか？
– 多くのIoTパターンは、相互運用性、セキュリティ、保守性を扱う
– 多くのIoTアーキテクチャパターンはドメイン固有
3

4. 質問 http://sli.do/ #58755
アンケートhttp://u0u1.net/Urae
系統的文献調査
Systematic Literature Review (SLR)
• 初期検索: 63編、2014–2018 Scopus
– “IoT” AND ( “design pattern” OR “architecture pattern” )
• 重複その他の除去: 56
• 基準適用: 32
– 対象: IoTシステムやソフトウェアを設計するためのパター
ンを扱い、英語で書かれた論文
• データ抽出
– 出版物のタイトル、出版年、出版会場
– 提案または使用されるパターンの種類、パターン名
– 特定IoTパターンの場合のドメイン名
– 対応する品質特性
4
Scopus
Initial
Search
63
Impurity
Removal
56
Inclusion and
Exclusion Criteria
32
Total

5. 質問 http://sli.do/ #58755
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RQ1.学術的な文献では、IoTアーキテクチャ・デザイン
パターンはどのように扱われているのでしょうか？
• IoTアーキテクチャ・デザインパターン関連論文32編
– 多くは国際会議発表、続いて論文誌掲載
• 会議論文が多いことから、IoTアーキテクチャ・デザイン
パターンの話題全体は初期段階にあるといえる
• しかし、論文誌掲載の存在は、ある種のIoTパターンは
成熟しつつあることを示唆
5
0
2
4
6
8
2014 2015 2016 2017 2018
Workshop
Symposium
Conference
Book chapter
Journal

6. 質問 http://sli.do/ #58755
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RQ2.既存のIoTアーキテクチャ・デザインパター
ンは本当に全てIoTパターンなのか？
• 論文32編中で143パターンに言及
• 82の一般的な（非IoT）パターン
– うち11の非IoTパターンは複数論文で言及
• Publish-Subscribe, Client-Server, Peer-to-Peer, REST, SOA,
RBAC, MVC, Reflection, Blockchain, Strategy and Observer
– 14編の論文では非IoTパターンのみ使用
– IoTシステムやソフトウェアは、従来のアーキテクチャ
やデザインパターンで設計されていることが多い
• 18編の論文で61のIoTパターン
6

7. 質問 http://sli.do/ #58755
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RQ3.IoTアーキテクチャ・デザインパターン
は分類できるか？
• 抽象化レベル
– 高: アーキテクチャスタイル
– 中: アーキテクチャパターン
– 低：デザインパターン
• ドメイン
– 非IoT: IoTのシステムやソフトウェアの設計にも適用可能
な一般的なアーキテクチャ・デザインパターン
– 一般IoT: あらゆるIoTシステムやソフトウェアに適用可能
– 特定IoT: 特定の問題/技術ドメインへの特化
• 品質特性
– ISO/IEC 25010の機能適合性を除くすべての品質特性＋
スケーラビリティやプライバシーなどIoT共通の追加特性
7
アーキテクチ
ャパターン
(スタイル)
デザイン
パターン

8. 質問 http://sli.do/ #58755
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例: IoTアプリケーション多層アーキテクチャ
• 多層アプリケーション向けに軽量な仮想化によ
るリソース仮想化を提供するIoTプラットフォーム
8H. Khazaei, H. Bannazadeh, and A. Leon-Garcia, “SAVI-IoT: A self-managing containerized IoT
platform,” in 5th IEEE International Conference on Future Internet of Things and Cloud, FiCloud 2017

9. 質問 http://sli.do/ #58755
アンケートhttp://u0u1.net/Urae
例: IoTゲートウェイ・イベントサブスクリプ
ション
• IoTゲートウェイにサブスクリプションの仕組みを採用
• センサによって得られたデータと要素間メッセージを非同
期かつ相互に伝送可能
9
R. Tkaczyk, K. Wasielewska, M. Ganzha, M. Paprzycki, W. Pawlowski, P. Szmeja, and G. Fortino, “Cataloging design
patterns for internet of things artifact integration,” in 2018 IEEE International Conference on Communications
Workshops, ICC Workshops 2018
IoT GatewayIoT Device
/ Application
IoT Device
/ Application
publish IoT Device
/ Application
IoT Device
/ Application
subscribe
Virtual part
Physical part

10. 質問 http://sli.do/ #58755
アンケートhttp://u0u1.net/Urae
RQ4. IoTパターンはどのようなものがあるのか？
• IoTパターンは異なる著者グループで認識されていない
– 複数の論文で言及されているのは2つのパターンのみ
– パターン作成者は既存IoTパターンを事前確認すべき
• 抽象度とドメインの組み合わせ
– IoTデザインパターンのほとんどはどのドメインにも適用可能
– 特定ドメイン向けに多くのIoTアーキテクチャパターンが存在
– 特定ドメインでのIoT導入の独自の形はアーキテクチャレベルで
出現
• 主な品質特性: 相互運用性、セキュリティ、保守性
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Domain specificity
Type Non-IoT General IoT Domain-specific IoT Total
Architecture style 22 2 1 25
Architecture pattern 7 1 15 23
Design pattern 53 38 4 95
Total 82 41 20 143

11. 質問 http://sli.do/ #58755
アンケートhttp://u0u1.net/Urae
まとめ
• IoTにはパターン（言語）が必要!
• 32の論文で言及された143パターンを調査
– IoTデザインパターンの多くはどのドメインにも適用可能
であるが、特定のドメイン向けに多くのIoTアーキテクチ
ャパターンが存在
– 多くのIoTパターンは、相互運用性、セキュリティ、保守
性に対応。他の品質特性について研究が必要。
• 展望
– 分類結果を公開し、ホームページでコメント募集
http://www.washi.cs.waseda.ac.jp/iot-patterns/
– Scopus以外の文献データベースも追加活用予定
– パターンランゲージに向けてIoTパターン間関係分析
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