高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesでIoTの新しいカタチを切り拓く
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Design Solution Forum 2021 ＠2021/11/04 https://dsforum.jp/2021/timetable/ YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=ZuS9T1UW8Qk 2012年に登場したプログラミング言語であるElixirは、Erlangに由来する関数型やアクターベースの利点を受け継ぎながら、Rubyを参考にした言語仕様の設計による習熟容易性を兼ね備えています。Elixirのエコシステムとして注目すべきは、完成度の高いIoTフレームワークであるNervesです。本講演では、ElixirとNervesがIoTシステムの開発に適している理由と、この証左となる強力なライブラリ・フレームワークについて紹介します。講演者が取り組んでいるロボットシステム開発向けライブラリであるRclexについても紹介します。
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- 2. #NervesJP #DSF2021 目次・内容： • はじめに：自己紹介とIoTのつくりかた • 関数型言語Elixirのご紹介 −Webフレームワーク Phoenix −テンソルライブラリ Nx −IoTフレームワーク Nerves • Rclex: ROS 2 Client Library for Elixir • おわりに：ElixirがもたらすIoTの新しいカタチ 2 H15: 高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesで IoTの新しいカタチを切り拓く（高瀬英希） ぜひTweetを！
- 3. #NervesJP #DSF2021 自己紹介 本務・兼務 −京都大学 情報学研究科 准教授 −JSTさきがけ 兼任研究者 −理研R-CCS 客員研究員 −TOPPERSプロジェクト 運営委員 学会活動 −IPSJ-SIGEMB 運営幹事 −IEICE-RECONF 専門委員 −SWEST ステアリング委員 −ROSCon JP 実行委員 コミュニティ活動 −ROS Japan Users Group −IoT ALGYAN (あるじゃん) 運営委員 −NervesJP : Elixir for IoT @takasehideki 3
- 4. #NervesJP #DSF2021 研究対象：IoTコンピューティング デバイス エッジサーバ クラウド AI/ML技術との 密接な統合 あらゆるモノ・コトの ネットワーク接続によって 新たな社会的価値を創造 各構成要素における 計算機特性の結集 大量のデバイスとデータ 「デバイスレベル並列化」 による最適化の時代へ！ 4 H15: 高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesで IoTの新しいカタチを切り拓く（高瀬英希）
- 5. #NervesJP #DSF2021 高瀬の研究テーマ あらゆる モノ・コトと ヒトを繋げる 設計基盤の 確立 最適化 設計技術 良いモノ を 誰でも楽に つくることができる世界へ 組込み／IoTコンピューティング基盤を支える プラットフォーム技術と設計方法論 5
- 7. #NervesJP #DSF2021 目次・内容： • はじめに：自己紹介とIoTのつくりかた • 関数型言語Elixirのご紹介 −Webフレームワーク Phoenix −テンソルライブラリ Nx −IoTフレームワーク Nerves • Rclex: ROS 2 Client Library for Elixir • おわりに：ElixirがもたらすIoTの新しいカタチ 7 H15: 高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesで IoTの新しいカタチを切り拓く（高瀬英希） ぜひTweetを！
- 8. #NervesJP #DSF2021 Elixirとは？ 2012年に登場した(まだまだ若めの)関数型言語 Erlang VM上で動作 • 高い並列性能を誇る • 軽量かつ頑強なプロセスモデル • 耐障害性が極めて高い Rubyを基にした言語設計 • 習得しやすく生産性が向上する • レスポンス性能が極めて高い • Web/IoT/AIライブラリを備える ※各言語・フレームワークのロゴの権利は それぞれの作成者に帰属しています 8
- 9. #NervesJP #DSF2021 Elixir Zen Style!! Zen(禅) とは本質美である プログラミングの本質とはデータの流れである Elixirではデータフローと並列処理を Enum Flow |> で直感的に記述できる 1..1000 |> Flow.from_enumerable() |> Flow.map(& foo(&1)) |> Flow.map(& bar(&1)) |> Enum.sort from_ enumerable 1..1000 foo foo foo foo sort bar bar bar bar H15: 高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesで IoTの新しいカタチを切り拓く（高瀬英希） 9
- 10. #NervesJP #DSF2021 Elixirの気持ちよさ ダッシュ ボード Link Super Visor one_for_one App 液晶 データ ロガー Link センサ 監視 制御 Link ボタン {:ok, ref} = Circuits.I2C.open(@i2c_bus) Circuits.I2C.write(ref, @i2c_addr, <<0xBE, 0x08, 0x00>>) Circuits.I2C.write(ref, @i2c_addr, <<0xAC, 0x33, 0x00>>) {:ok, val} = Circuits.I2C.read(ref, @i2c_addr, 7) <<_state::8, raw_humi::20, raw_temp::20, _crc::8>> = val 10 • (やや)強い動的型付け −データ構造にイミュータブル性を持つ • アクターモデルに基づく並行処理 • メモリ軽量かつ堅牢なプロセスモデル −プロセス単位でのメモリ管理と障害復旧 −処理のモジュール化と制御の抽象化 • バイナリ操作とパターンマッチ H15: 高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesで IoTの新しいカタチを切り拓く（高瀬英希）
- 13. #NervesJP #DSF2021 13 Phoenix • Webアプリ／サーバの開発フレームワーク −MVC (Model/View/Controller) パターンに基づく −Ruby on Rails や Django と同等 • 高い開発生産性と通信性能を両立できる −特にスケーラビリティと スループットに優れる • LiveView −イベント発生に応じてHTMLを リアルタイムにレンダリング H15: 高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesで IoTの新しいカタチを切り拓く（高瀬英希） https://www.phoenixframework.org/
- 14. #NervesJP #DSF2021 14 • 一言でいえば powered by Elixir な Jupyter −Webブラウザ上で文書編集とコーディング／実行ができる −多人数での同時編集や差分管理，データのグラフ可視化ができ る H15: 高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesで IoTの新しいカタチを切り拓く（高瀬英希）
- 15. #NervesJP #DSF2021 Nx: Numerical Elixir!! Introducing Nx - José Valim | Lambda Days 2021 https://youtu.be/fPKMmJpAGWc https://dashbit.co/blog/nx-numerical- elixir-is-now-publicly-available 15 H15: 高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesで IoTの新しいカタチを切り拓く（高瀬英希）
- 16. #NervesJP #DSF2021 • ElixirによるIoTフレームワーク −極小規模のファームウェア (~>30 MB) −堅牢性の高いファイルシステム −機能の取捨選別が容易 (Buildrootの利用) • Elixirの言語機能との完全な互換性 −アクターモデルで並行処理ができる −IoT向けになにか気にする必要がない −有用なライブラリとツールが揃っている ➢日本初!?のNerves搭載製品 → Pocket LANcher Bootloader A Linux kernel (Buildroot) Master Boot Record Root Filesystem A (Read-only) Application Data (Read-Write) C libraries Erlang VM Bootloader B Root Filesystem B (Read-only) C libraries Erlang VM CQ出版Interface 2020年6月号〜 2021年1月号 16 H15: 高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesで IoTの新しいカタチを切り拓く（高瀬英希）
- 18. #NervesJP #DSF2021 ElixirとNervesの採用事例 各画像のクリックで 詳細ページに • 8 Companies That Use Elixir in Production https://serokell.io/blog/elixir-companies • 日本で Erlang/OTP や Elixir を利用している会社一覧 github: voluntas/japanese-erlang-elixir-companies https://www.nerves-project.org/case-studies Le Tote: 衣料品倉庫のRFIDと キオスクによる在庫管理 Hop: 顔認証機能付きの キオスクビールサーバ FarmBot: スマートファームの実現 18 H15: 高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesで IoTの新しいカタチを切り拓く（高瀬英希）
- 19. #NervesJP #DSF2021 (時間があれば)論よりRUN!! • 必要な環境：Elixir, Erlang, nerves_bootstrap, hex, rebar −詳細なインストール方法： https://hexdocs.pm/nerves/installation.html −VSCode + dev-container もあります • 使用する機材 −Raspberry Pi 3B+（他でも可） ✓電源アダプタ，ネットワーク環境 −microSDカード，ライタ −Grove Base HAT −Grove Button, LED, AHT20 (温湿度センサ) 19 H15: 高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesで IoTの新しいカタチを切り拓く（高瀬英希）
- 20. #NervesJP #DSF2021 (時間があれば)論よりRUN!! • Nervesプロジェクトの作成 • mix.exs への依存パッケージの追加 • ターゲットの指定 • 依存関係の解消と取り込み • ファームウェアのビルド • microSDカードへの書き込み 20 $ mix nerves.new nerves_dsf {:circuits_gpio, "~> 0.4"}, {:aht20, "~> 0.4"}, $ export MIX_TARGET=rpi3 $ mix deps.get $ mix firmware $ mix burn • Nervesデバイスへのssh接続 • GPIOの制御（LEDの点灯） • 温湿度センサの値取得 $ ssh nerves.local iex> {:ok, led} = Circuits.GPIO.open(16, :output) iex> Circuits.GPIO.write(led, 1) iex> {:ok, pid} = AHT20.start_link(bus_name: "i2c-1", bus_address: 0x38) iex> AHT20.measure(pid)
- 21. #NervesJP #DSF2021 (時間があれば)論よりRUN!! 21 $ git clone https://github.com/TORIFUKUKaiou/temperature_an d_humidity_nerves $ cd temperature_and_humidity_nerves $ mix deps.get $ mix firmware $ mix upload $ ssh azureuser@<hoge>.cloudapp.azure.com $ git clone https://github.com/TORIFUKUKaiou/hello_iot_cloud $ cd hello_iot_cloud $ cp .env.sample .env $ sudo docker-compose config $ sudo docker-compose up -d https://bit.ly/nerves-dsf2021 温度と湿度を取得 HTTP POST クラウドアプリでグラフ表示 ※値送信／グラフ表示のWebアプリは2021年11月30日までアクセス可能
- 22. #NervesJP #DSF2021 目次・内容： • はじめに：自己紹介とIoTのつくりかた • 関数型言語Elixirのご紹介 −Webフレームワーク Phoenix −テンソルライブラリ Nx −IoTフレームワーク Nerves • Rclex: ROS 2 Client Library for Elixir • おわりに：ElixirがもたらすIoTの新しいカタチ 22 H15: 高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesで IoTの新しいカタチを切り拓く（高瀬英希） ぜひTweetを！
- 23. #NervesJP #DSF2021 (Robot Operating System) • Plumbing: 出版購読型の通信ミドルウェア • Tools: プロジェクト管理，デバッグ，可視化，等 • Capabilities: 膨大なライブラリ・パッケージ • Ecosystem: 世界規模の強力なOSSコミュニティ ロボットソフトウェアの開発を加速するプラットフォーム http://www.ros.org/about-ros/ 23
- 24. #NervesJP #DSF2021 通信ミドルウェアとしての • Publish / Subscribe messaging infrastructure −ROSノード：ロボットシステムを構成する機能単位 −Topicを介した出版購読型通信：基本的に非同期・疎な通信方式 ✓ノードの登録・変更・削除・配置が容易に実現できる ✓障害時にはノード単位で再起動と復旧ができる node1 node2 node3 node4 Topic1 Topic2 node5 出版（Publish） 購読（Subscribe） msg msg msg msg • その他の通信方式 −Service: 同期式 −Action: 同期と非同期の組合せ −Parameter: 多変量辞書 24
- 25. #NervesJP #DSF2021 ROS 2 の階層構造 … … 25 rclcpp rclpy node.cpp node.py RCL (ROS Client Library) RMW (ROS MiddleWare) DDS B DDS A General Purpose OS • 共通の基盤機能を提供 • C言語による実装 • 任意の言語から呼び出して そのライブラリを開発可能 • DDS通信機能を抽象化すAPI層 • 複数のDDS実装から選択可能 rclrs node.rs DDS C DDS (Data Distribution Service) • OMG標準仕様として規定 • 出版購読型の通信機能を提供 • RTPSによる通信相手の自動探索 H15: 高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesで IoTの新しいカタチを切り拓く（高瀬英希）
- 26. #NervesJP #DSF2021 ROS 2 Client Library for,,, Rclex 26 rclcpp rclpy node.cpp node.py node.ex RCL (ROS Client Library) RMW (ROS MiddleWare) DDS B DDS A General Purpose OS rclrs node.rs DDS C github.com / rclex H15: 高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesで IoTの新しいカタチを切り拓く（高瀬英希）
- 27. #NervesJP #DSF2021 27 ROS開発になぜ Elixir なのか？ ロボットは 「組合せ型開発」 デバイス制御と 知的処理がキモ ROSの本質は 通信にあり 壊れてなんぼ でも壊れたら困る node1 node2 node3 node4 Topic1 Topic2 node5 出版（Publish） 購読（Subscribe） msg msg msg msg {:ok, ref} = I2C.open(@i2c_bus) I2C.write(ref, @i2c_addr, <<0xBE, 0x08, 0x00>>) I2C.write(ref, @i2c_addr, <<0xAC, 0x33, 0x00>>) {:ok, val} = I2C.read(ref, @i2c_addr, 7) <<_state::8, raw_humi::20, raw_temp::20, _crc::8>> = val ロボットプログラミングは「関数型」だ！！
- 28. #NervesJP #DSF2021 28 関数型っぽい？Rclex API github.com / rclex ノード数 インデックス付きの 名前でノードを生成 トピックの作成 :single->1つのトピック :multi-> 複数のトピック callback関数と タイマ周期の設定 ノードごとの メッセージを リストで用意 データ出版 パイプ演算子で ノード設定の処理 Enumによる データ加工
- 29. #NervesJP #DSF2021 RCL RMW DDS 29 Rclex の内部実装 OS Process Space rclcpp node1 rclcpp node2 Erlang VM rclex node1 rclex node2 process exec. queue process pub1 process sub2 process pub2 ... NIFs github.com / rclex ErlangリソースオブジェクトとRCLの構造体を 相互に変換してRCL APIを呼び出す • Erlang VMはOSプロセスとして駆動 • スケジューラでElixirプロセスを実行 = Rclexにおける pub/sub ノード • プロセスが軽量 ✓ 起動時間：数マイクロ秒 ✓ メモリ：およそ300ワード
- 30. #NervesJP #DSF2021 sub.ex sub.ex sub.ex sub.ex sub.ex github.com / rclex pub.ex pub.ex pub.ex pub.ex pub.ex 30 Rclex の強みと実現できること ➢ElixirアプリからErlangプロセスを同時に大量生成させる ➢出版購読の通信処理とコールバックを非同期に実行する 軽量プロセスの並行処理によって ROS 2の通信スケーラビリティを向上させる pub.ex sub.ex topic pub.ex pub.ex pub.ex sub.ex sub.ex sub.ex pub.ex sub.ex topic pub.ex sub.ex topic pub.ex sub.ex topic pub.ex sub.ex topic pub.ex sub.ex topic topic
- 31. #NervesJP #DSF2021 github.com / rclex 論よりRUN!! on RPi4/Foxy 😇 😆 pub.cpp x100 (by launch.py) sub.cpp (demo_nodes_cpp) pub.ex x100 sub.cpp (demo_nodes_cpp) rclex/rcjp21_demo
- 32. #NervesJP #DSF2021 目次・内容： • はじめに：自己紹介とIoTのつくりかた • 関数型言語Elixirのご紹介 −Webフレームワーク Phoenix −テンソルライブラリ Nx −IoTフレームワーク Nerves • Rclex: ROS 2 Client Library for Elixir • おわりに：ElixirがもたらすIoTの新しいカタチ 32 H15: 高い並列性能と耐障害性を持つElixirとNervesで IoTの新しいカタチを切り拓く（高瀬英希） ぜひTweetを！
- 35. #NervesJP #DSF2021 ROS Japan Users Group • Discourse: https://discourse.ros.org/c/local/japan • connpass: https://rosjp.connpass.com −勉強会・講習会など 初心者から歴戦の猛者まで！ −関西や瀬戸内・九州でも開催！ −メンバー数 2,240名 @2021/11/03 ✓Slack: rosjp ✓Twitter: #rosjp 35