【依頼講演】スマートシティアプリケーションに拡...

一般社団法人電子情報通信学会信学技報

THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, IEICE Technical Report INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS

This article is a technical report without peer review, and its polished and/or extended version may be published elsewhere.

Copyright ©20●● by IEICE

【依頼講演】スマートシティアプリケーションに拡張性と

相互運用性をもたらす仮想 IoT-クラウド連携基盤の研究開発

－”仮想サイロ”アーキテクチャの検討－

中村健一 1)2) 上杉充 1)金井謙治 2) 中里秀則 2) 金光永煥 2)4)

横谷哲也 3) 向井宏明 3)

1) パナソニック株式会社〒105-8301 東京都港区東新橋 1-5-1

2) 早稲田大学〒169-0072 東京都新宿区大久保 3-4-1

3) 金沢工業大学〒921-8501 石川県野々市市扇が丘 7-1

4) 東京工科大学〒192-0982 東京都八王子市片倉町 1404-1

E-mail: [email protected]

あらましスマートシティで展開される IoT アプリケーションを低コストで連携運用すべく、筆者らはスマート

シティアプリケーションに拡張性と相互運用性をもたらす仮想 IoT-クラウド連携基盤（Fed4IoT）の研究開発を行っ

ている。Fed4IoT では、フォグ/エッジ/クラウドコンピューティングといったクラウド基盤技術の連携のみならず，

IoT デバイス，クラウド基盤，アプリケーションの相互運用と連携を目的としている。本稿では、仮想 IoT-クラウド

連携基盤を実現するためのアーキテクチャ（”仮想サイロ”アーキテクチャ）について紹介するとともに、その実

現に向けた IoT デバイス仮想化、仮想サイロとマルチテナント化、セキュリティとプライバシ保護について発表す

る。

キーワードスマートシティ，IoT プラットフォーム，仮想化技術，相互運用性

Introduction of Fed4IoT project toward federating IoT and cloud

infrastructures

－ "Virtual Silo" architecture consideration－

Kenichi NAKAMURA1)2) Mitsuru UESUGI1) Kenji KANAI2) Hidenori NAKAZATO2) Hidehiro

KANEMITSU2)4) Tetsuya YOKOTANI3) Hiroaki MUKAI3)

1) Panasonic Corporation, 1-5-1 Higashishinbashi, Minato-ku, Tokyo, 105-8301, Japan

2) Waseda University, 3-4-1 Okubo, Shinjuku-ku, Tokyo, 169-0072, Japan

3) Kanazawa Institute of Technology, 7-1 Ohgigaoka, Nonoichi, Ishikawa, 921-8501, Japan

4) Tokyo University of Technology, 1404-1 Katakura-machi, Hachioji, Tokyo, 192-0982, Japan

E-mail: [email protected]

Abstract The Fed4IoT project aims at federating IoT devices, edge/fog/cloud computing infrastructures to provide

scalable and interoperable smart cities applications by applying novel IoT virtualization technologies, not only network

and computing resources, but also IoT devices themselves. In this paper, we introduce "Virtual Silo" architecture,

including IoT device virtualization, virtual silo concept with mult-tenant approach, security and privacy protection

Keywords Smart city，IoT platform，Virtualization，Interoperability

一般社団法人電子情報通信学会信学技報 THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, IEICE Technical Report INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS IN2019-2,RCS2019-23(2019-05)

Copyright ©2019 by IEICE This article is a technical report without peer review, and its polished and/or extended version may be published elsewhere.

- 7 -

mailto:[email protected]

22/04/2019

1

スマートシティアプリケーションに拡張性と相互運用性をもたらす仮想IoT-クラウド連携基盤の研究開発

～ "仮想サイロ"アーキテクチャの検討～

中村健一1)2), 上杉充1),金井謙治2), 中里秀則2), 金光永煥2)4), 横谷哲也3), 向井宏明3)

1) パナソニック株式会社, 2) 早稲田大学, 3) 金沢工業大学, 4) 東京工科大学

日吉, 2019-5-16

PROJECT OVERVIEW

Kenichi Nakamura, [email protected], 2

Fed4IoT プロジェクト概要• Fed4IoT: Federating IoT and cloud infrastructures to provide

scalable and interoperable Smart Cities applications, by introducing novel IoT virtualization technologies

– スマートシティアプリケーションに拡張性と相互運用性をもたらす仮想IoT-クラウド連携基盤の研究開発

• 研究期間：2018/07 - 2020/06

• コンソーシアムメンバー


総務省(SCOPE)

Horizon2020

課題認識と背景

• IoTシステムは垂直統合型であることが多い

• クラウドシステムは大手ベンダーのプラットフォームを利用していることが多い


サービスプロバイダ毎にIoTシステムを立ち上げるのは効率的か？

異なるクラウドシステムを用いたSmart City間のデータ連携は出来ないか？

プロジェクトの技術目標

• クラウドベースのIoTシステムの利用

• スマートシティ間での情報共有

• IoTデバイスの仮想化およびシステムのマルチテナント化の実現

• プライバシとセキュリティ

• 日本と欧州でのパイロット– Murcia（Spain）, Grasse（France）– 白山市，熊本市


USE CASES


- 8 -

22/04/2019

2

想定ユースケースと実証環境


ユースケース① Smart parking


• Murcia (スペイン)• 駐車場のモニタリングと駐車場の推薦

ユースケース② Waste management


• Grasse (フランス)• ゴミ収集場の監視

ユースケース③ Cross-border person finder


• Murcia（スペイン）、Grasse (フランス)、熊本（日本）、白山（日本）

• 国境を越えた人物確認

ユースケース④Wild animal monitoring


• 白山（日本）• 野生生物の監視

OUR APPROACH


- 9 -

22/04/2019

3

IoTシステムの拡張


• “Things as a service”: 他のIoTデバイスの活用

• IoTクラウドからのアウトプットをVirtual Siloとして適用

IoT device/platform #1

Cloud for IoT

Smart city App #1

IoT device/platform#2

Virtual IoT devices

Cloud Edge systems

IoT-cloudSilo #a

Silo #b

Smart city App #2

information levelinteroperability

inte

rope

rabi

lity

Dev

ice/

Plat

form

leve

l

Cloud-oriented platform

IoTスライスとマルチテナント化


• 異種IoTシステムの統合とデータの仮想化– プラットフォームを利用する“テナント”からは“自分のIoTシステムに統合された一つのIoTシステム”に見える

VirIoT Orchestration

TenantData

Domain

Virtual Silos

BrokerBob vSilo

RootData

Domain

Tenant real things

Tenant: BobVirtual Things

HeterogeneousIoT System

with Real Things

…

Open Data

(WEB) ThingVisor

Cloud Container System

IoT Virtualization Platform (VirIoT)

neutralformat

“Virtual Things”

• Virtual Thingコンセプト―IoTデバイスのエミュレーション– 実際のIoTデバイスにアクセス– データ仮想化

– 他のIoTデバイスのデータと組み合わせ


（a）温度計仮想化（b）カメラ仮想化

Tenant #aSilo #a

Tenant #aSilo #a

Tenant #bSilo #b

Tenant #bSilo #b

ARCHITECTURE OVERVIEW


High level architecture


System DB

HTTP REST

Master-Controller (Orchestration)

Pub/SubSystem

vThing/vThing#x/data

master/{control_in,control_out}

Virtual Silos

broker type #1 (oneM2M)

vSilo

(Flavor#1)

vSiloController

(Flavor#1)

vSilo #a

broker type #1 (oneM2M)

vSilo

(Flavor#1)

vSiloController

(Flavor#1)

vSilo #b

broker type #2 (MQTT)

vSilo

(Flavor#2)

vSiloController

(Flavor#2)

vSilo #c

ThingVisors

ThingVisor#n

ThingVisor#n

ThingVisorStore

Flavor Store

vThing/vThing#x/{c_in,c_out}

vSilo/#a/{c_in,c_out}

Admin sTenant

ssTenant

s

TV/TV#1/{c_in,c_out}

upstreamIoT Platform

Bob App

Hana App

Lucas App

ThingVisor#1

• REST APIを用いた“Pub/Sub”メッセージ形式データ配信プラットフォーム

In-network IoT Device Virtualization


ThingVisor

• IoTデバイスの仮想化機能の分散配置とICNプロトコルによる処理

- 10 -

22/04/2019

4

SECURITY AND PRIVACY


IoTのセキュリティと属性暗号


• IoTのデータは特定のユーザグループで共有されることが多い• しかし、個別のユーザを特定されたくない• 特定のユーザグループのみ共有可能な属性暗号の利用

Producer

Consumer １

(a)公開鍵を用いた暗号化

Consumer 2

Consumer 3

暗号化メッセージ 1

暗号化メッセージ2

暗号化メッセージ3

Producer

警察官 1

(a)属性暗号を用いた暗号化

警察官 2

消防士 3

警察官向け暗号化メッセージ

X

Ciphertext-Policy Attribute-Based Encryption

各Consumerの公開鍵で暗号化

各Consumerの秘密鍵で復号

属性と関連付けた公開鍵

属性のポリシーと関連付けた暗号文

Data minimization


パスポート

運転免許証

• 身分証明に使われるIDカードの記載事項は条約で決められている• それらの記載事項は、IDカードが搭載するICチップに格納されている• ICチップからは必須記載事項をまとめて読み出す仕組みになっており、特定データのみの読み出しは出来ない

DataMinimizaiton

18歳以上かどうか20歳以上かどうか○○市民であるか

のみを確認

ISO/IEC 18013-5 (Mobile driving licence)として国際標準化推進中

User consent

Blockchainを用いた属性認証


公的IDカード Smart City App(Mobile ID)

Mobile ID

発行者

発行者バックエンド

トークン

属性登録API

属性認証API

属性認証用ブロックチェーン

Are you over 20?

Yes

Token data

I don’t know his privacy info

属性登録・認証API


Client 1(ID発行者)

Client 2(サービスプロバイ

ダ)

属性登録・認証API

Authenticationservice

REST API+

ブロックチェーンクライアント

POST/GET

GET

ブロックチェーン

ChaincodeChaincode

Chaincode

Peer 1

Peer 2

Block

Block

StateState

StateState

Orderer

SUMMARY AND NEXT STEP


- 11 -

22/04/2019

5

まとめと今後の展望

• Fed4IoTプロジェクトの紹介– 平成30年７月からの3年間– スマートシティにアプリケーション拡張性と相互運用性

• IoTデバイスの仮想化• バーチャルサイロとマルチテナント化

• セキュリティとプライバシ

• 今後の展開– ユースケース深堀とデータフォーマットに関する研究

– IoTデバイス仮想化方式の開発研究– IoTデータ共有システムの開発研究– 日欧実証基盤での実証


本研究成果は，戦略的情報通信研究開発推進事業（国際標準獲得型）「スマートシティアプリケーションに拡張性と相互運用性をもたらす仮想 IoT-クラウド連携基盤の研究開発 (Fed4IoT)」によるものである．


Thank youQuestions?


- 12 -

【依頼講演】スマートシティアプリケーションに拡...

Documents