データ特性に応じて組み替え可能なモジュラー型
エッジコンピューティング基盤に関する研究開発
近堂 徹1※，大東 俊博2，渡邉 英伸1
1広島大学情報メディア教育研究センター
2東海大学情報通信学部※ tkondo@hiroshima-u.ac.jp

ネットワークに求められる要件
収集したデータや所望の処理に対して状況に応じて動的にモジュールを配置
再暗号化鍵で再暗号と復号・解析

フィードバック
制御

センサー

特徴量データ・閾値センサー情報再暗号化鍵の配布（処理の委譲）

抽象化レイヤフィードバック

抽象化レイヤ

エッジノード(GW)

ウェアラブルセンサー

スマホ（位置情報）

ノイズ除去・タグ付け・構造化

暗号化

蓄積

分岐

復号
抽象化レイヤ

特徴抽出

抽象化レイヤ

生体情報
エッジノード(GW)

近堂 徹，前田 香織，石国 裕一: 映像配信プラットフォームおよび映像配信方法, 特開2013-132012, 2013年7月4日

ノード

クラウド資源研究目的
エンドデバイス群で生成されるデータに対する広域処理プラットフォーム• 広域かつ異種の環境への追従

性能• エッジでデータ処理要件やリソースの変化• データの共有の確保

機能

ユーザが定義したものがデプロイされる• データ共有（処理権限委譲）を前提とした暗号化処理• 機能拡張に対する柔軟性の確保

管理運用• データに関する処理機能をインストール/デプロイ可能• 広域分散環境での機能配置

データの発生源に応じてモジュールが自動連携

データ特性に応じて組み替え可能なモジュラー型
エッジコンピューティング基盤に関する研究開発

Deployシステムアーキテクチャ
プラットフォーム制御のためのUI

UI
ANAPLAM Northbound API

プラットフォーム制御

ANAPLAM Controller（ノード/ストリーム/モジュール管理）

モジュール制御のAPI

ANAPLAM Southbound API

計算資源管理API

モジュール
計算資源の実体

プラットフォーム
コントローラ開発

Kubernetes

DockerContainer
抽象化レイヤ抽象化レイヤ抽象化レイヤモジュールコンテナ開発

エッジノードにコンテナを展開する際、コンテナ基盤を用途に応じてより具体的に制御するインタフェースを定義

Kubernetesを使うメリットとデメリット• 抽象化プラットフォームとしての実績
オンプレミスやクラウド環境を意識しないコンテナ展開が可能
特定の場所へのロックインがない• YAMLによるオーケストレーション
ロードバランスや水平分散クラスタ（Auto-Scaling）が容易• 様々な技術の組み合わせと技術変化が早い
システム自体が非常に複雑で追従が難しい…

エッジノードまで含めた運⽤管理をk8s/k3sを活⽤し、本研究ではその上位層（コンテナ配置を戦略的に実施）する部分に焦点を絞るプラットフォームの概要
ANAPLAM
configuration
JSON / YAML
Kubernetes
service configuration
JSON / YAML

Kubernetes
configuration
JSON / YAMLANAPLAM
Controller(REST API Endpoint)

フロー構成
ファイル

①
・Web API経由で通信モジュールA （POSTで設定ファイルを転送）.

構成ファイル

RequestResponse

Kubernetes
service configuration
JSON / YAML

Kubernetes
configuration
JSON / YAML

kubernetes (k8s)

モジュールB
構成ファイル③・レスポンスと構成情報の提供

モジュールA

http/https

Data

Kubernetes
MasterData

プライベートリポジトリ②・JSON or YAMLファイルのパース・モジュールの制御 (with k8s)
・フローの定義
http/https

フロー構成ファイル

http/https

モジュールBプロトタイプモジュール
分類

モジュール名機能

データ加工

閾値判定(threshold)

特定ルール(if-then)に基づき，データの閾値判定として処理(フィルタリングとデータ転送）をする

データ圧縮(comp)

指定した方式でデータ圧縮転送 (HPACKによるHTTP/2圧縮転送)

データ永続化(datastore)

外部ストレージに対してデータを保存

IDベース暗号(ibe)

IDベース暗号によるデータ暗号化と復号，鍵発行・配布機能

プロキシ暗号(pre)

プロキシ暗号による暗号化と復号

フィードバック

外部通知連携(notify)

APIトークンを使ってSNS通知（例：Slack）

動画像解像度/品質変換(ffmpeg)・画像解析(OpenCV)

アップロードされる画像の変換処理や動体検知

セキュリティ

条件に応じたフローの動的切替
プラットフォーム

暗号化
データフィルタ閾値判定リアルタイム性を重視

セキュリティを重視

用途やデータ特性に応じてプラットフォームを自動で変化させる（複数の機能を同時に提供）

フローの切り替え• 切替条件をトリガーにプラットフォーム側でモジュールの入れ替えを実施処理するモジュールの最後尾から先頭に対して再構築を行いながらデータパスを再定義
ModuleC

ModuleC

コントローラー
Module

Edge6

監視ツール

Module
B

Edge4

Edge5

Edge6
ModuleModule
B

Edge4

Edge5
ModuleA

Module
A

Edge1

Edge2

Edge2
K8sのオーバーレイネットワーク
により、最寄りのエンドポイントから新規のモジュールインスタンスへデータを自動転送が可能

Edge1

Edge2

Edge3

論理構成
Cloud Resource(Data Storage)

API Request
Monitoring, Control
Controller
Module Repository(In Hiroshima University)

Edge Node(Cloud Side)
hiro2

tokyo1

tokyo2

ishikari1

ishikari2

SINET・JGN(Nation wide academic research network)
HiroshimaUniversityTokaiUniversity
Edge Node(Access Side)

Data Input

edge-hiro1
Sensor Devices(Raspberry Pi)edge-hiro2

edge-tokai1

監視カメラアプリケーションのユースケース
画像合成

データの保存コントローラ暗号化

フローの変更制御

拠点の監視モジュール配置条件の管理・計算

閾値判定（ケース2）
ネットワークの状況に応じて別ノードで処理を継続（ケース1）
センサーデータをもとにコントローラ経由で拠点の解像度を変更

High

データフィルタ

Low

High

Low

（ケース3）
エッジ処理による低遅延を実証●●で異常を検知しました・・・・

フィードバック

センサー情報
カメラ情報

・・・
センサー情報 画像情報
（テキスト） （バイナリ）

評価実験の一部（フロー切替実験）• 実験概要コントローラからの情報をトリガに10秒間隔で転送先を交互に低圧縮モジュールと高圧縮モジュールに切り替える動作

10秒間隔で切替

フロー切替処理時間は0.2秒以下
コンフィグ投入から反映までの時間
圧縮時間，通信＋保存時間は1秒以下
通信時間+保存時間は高圧縮により短縮可能

ラズパイ+webカメララズパイ+webカメラ

圧縮処理時間と通信・保存時間[s]※試行回数30回の平均時間

圧縮率

圧縮前のサイズ(MB)

圧縮後のサイズ(MB)

通信時間+保存時間(sec)

切替時間(sec)

低圧縮12.5385.26680.651

0.1882

⾼圧縮12.5380.05530.406

フロー切替時間[s]小林 海，木村 隼人，大東俊博，渡邉 英伸，相原 玲二，近堂 徹，``動的な機能変更を可能にするエッジコンピューティング基盤の実装と評価'' 情報処理学会研究報告，インターネットと運用技術研究会(IOT)，Vol.2019-IOT-44，No.22，pp.1-6, 2019.

むすびにかえて• データ特性に応じて組み替え可能なモジュラー型エッジ
コンピューティング基盤に関する研究開発
・レイテンシやセキュリティの問題を解決する機能モジュールを開発
・ネットワークにソフトウェアとして動的展開してエッジコンピューティングを実現
・条件に従ってフローの動的な変更による処理ポイントの変更• プラットフォームを広く展開していくための取り組み