Hironori Washizaki, Shinpei Ogata, Atsuo Hazeyama, Takao Okubo, Eduardo B. Fernandez and Nobukazu Yoshioka, Landscape of Architecture and Design Patterns for IoT Systems, ソフトウェアエンジニアリングシンポジウム SES2020, 2020年9月10-12日

1. IoTアーキテクチャ・デザインパターン
Landscape of Architecture and Design
Patterns for IoT Systems
(IEEE Internet of Things Journal)
Hironori Washizaki, Shinpei Ogata, Atsuo
Hazeyama, Takao Okubo, Eduardo B.
Fernandez, Nobukazu Yoshioka
2020年9月12日 (v20200912)
ソフトウェアエンジニアリングシンポジウム SES2020
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. IoTシステムの基本構成
2
ZigBee ZigBee､BLE､Wi-Fi
internet
TCP/IP
TCP/IP
IoTｻｰﾊﾞ
Android Open
Accessory, BLE
IoTサーバ
（アプリケーション）
IoTデバイス
（センサ／アクチュエータ）
IoTゲートウェイ
広域網
IoTエリアネットワ
ーク
パブリッククラウド環境
Google
Drive
ゲートウェイ
AWS M2X
プライベート
クラウド環境
PC
スマホ
Arduino Raspberry Pi
鷲崎, MCPC岡崎ほか, “スマートIoTシステムビジネス入門”, スマートエスイー2017-18
ビジネス・
ユーザ

3. MEMEData
Collector
IoT事例: 疲労予測・改善 3
鄭顕志,”アーキテクチャ・品質エンジニアリング”, スマートエスイー, 2018
Health
CareUI
MEMEData
Processing
MEMEData
Collector
ユーザー
IoTメガネ
（MEME）
Stress
Estimator
Insights Things
2. publish(data, topic)
2.1.1 estimate(data)
2.1.2 show(stress)
Broker
<<publisher>>
1. subscribe(topic)
2.1. notify(data, topic)
<<subscriber>> <<broker>>
変更容易性:
MEMEの追加
変更容易性: デー
タ処理の追加
疲労度の予測行動推薦
計測を開
始する
疲労度を
表示する
考慮する要求群 適用パターン群
Action
Insights
Things
IoT参照アーキテクチャ
推定モデル
更新の制約
Publish-Subscribe
Publisher
Broker
Subscriber
Publisher
Subscriber
Action
センシング

4. IoTにはパターン（言語）が必要！
• 抽象的なパラダイムと具体的な事例
、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
4
パラダイム
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・・・

5. 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 5

6. 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か？
• 系統的文献調査 Systematic Literature Review (SLR)
• 初期検索: 63編 → 最終選択32編、2014–2018 Scopus
– “IoT” AND ( “design pattern” OR “architecture pattern” )
– 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
• 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
6
0
2
4
6
8
2014 2015 2016 2017 2018
Workshop
Symposium
Conference
Book chapter
Journal

7. 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
7

8. 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
（問題・解決の整理なし）
– 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 8
アーキテクチ
ャパターン
(スタイル)
デザイン
パターン

9. 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
9
IoT GatewayIoT Device
/ Application
IoT Device
/ Application
publish IoT Device
/ Application
IoT Device
/ Application
subscribe
Virtual part
Physical part
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伝送

10. 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: 産
業IoT、スマートウォーターなど
– 特定ドメインでのIoT独自の形はアーキテクチャレベルで発現
• 主な品質特性: 相互運用性、セキュリティ、保守性
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ドメインへの依存性
抽象度 非IoT 一般 IoT 特定ドメイン IoT 合計
アーキテクチャスタイル 22 2 1 25
アーキテクチャパターン 7 1 15 23
デザインパターン 53 38 4 95
合計 82 41 20 143

11. 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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