エッジコンピューティングとブロックチェーンが出会うとき

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序文

ガートナーは、2020 年のトップ 10 戦略的テクノロジ トレンドの中で、エッジ コンピューティングとブロックチェーン テクノロジを挙げています。エッジ コンピューティングは、情報を処理し、コンテンツを収集し、情報ソース、リポジトリ、ユーザーの近くに配信するコンピューティング トポロジです。ネットワーク トラフィックとコンピューティング処理をローカルに保つことで、レイテンシを削減し、エッジ機能を活用し、エッジの自律性を高めます。ブロックチェーンは、取引の透明性と追跡可能性を提供し、それを公開台帳に記録することで信頼を実現できます。一見無関係に見えるこの 2 つの概念をある程度組み合わせて、より大きな力を生み出すことはできるでしょうか?調べてみましょう！

エッジコンピューティングとは

過去 10 年間、クラウド コンピューティングは膨大なコンピューティング、ストレージ、ネットワーク リソースを提供できるため、多くの新しいクラウド ベースのアプリケーションや多くのインターネット企業 (Amazon など) が急速に成長しました。クラウド センターは強力な処理能力を備えており、膨大な量のデータを処理できますが、クラウド コンピューティング モデルのシステム パフォーマンスのボトルネックとなるのは、限られたネットワーク帯域幅と情報処理効率の問題です。さらに、クラウド コンピューティング モデルでデータを送信および処理することによって発生する遅延の問題も、ユーザー エクスペリエンスにさらに影響を及ぼします。そのため、近年、エッジコンピューティングと呼ばれる新しいコンピューティングパラダイムが登場しています。エッジ コンピューティングとは、本質的には、コンピューター サービスを分散化し、データ ソースに近づけるプロセスです。

送信されるデータの量と移動距離を削減することで、遅延が大幅に削減され、帯域幅の無駄が削減されます。一般的に、エッジコンピューティングの構造は、端末デバイス（フロントエンド）、エッジサーバー（ニアエンド）、コアクラウド（ファーエンド）の 3 つのレベルに分けられます。この階層は、エッジ コンピューティング要素のコンピューティング機能とその特性を表します。フロントエンド端末デバイス (センサー、アクチュエーターなど) は、ユーザーにさらなるインタラクティブ性と応答性を提供します。ただし、デバイスの容量が限られているため、リソースに対するさらなる要求はサーバーに転送する必要があります。ニアエンド エッジ サーバーは、ネットワーク内のトラフィックの大部分をサポートするほか、リアルタイム データ処理、データ キャッシュ、コンピューティング オフロードなどの多数のリソース要件もサポートできます。したがって、エッジ サーバーは、レイテンシがわずかに増加することでエンド ユーザーに優れたパフォーマンスを提供しますが、リモート クラウド サーバーは、伝送遅延を犠牲にして、より強力なコンピューティング機能 (ビッグ データ処理など) とより多くのデータ ストレージを提供します。エッジ コンピューティングの基本構造を図 1 に示します。このアーキテクチャの目的は、エッジ ネットワークでアプリケーションの計算集約型で遅延に敏感な部分を実行することであり、エッジ サーバーの一部のアプリケーションは、データ同期のためにコア クラウドと通信します。

図1 エッジコンピューティングの基本アーキテクチャ

エッジ コンピューティングの増加は、主に、レイテンシに関する厳しい要件を持つ仮想現実などの特定のレイテンシに敏感なアプリケーションのニーズによって推進されています。したがって、クラウド リソースとサービスをエッジにプッシュするコンピューティング パラダイムにより、モビリティ サポート、位置認識、低レイテンシが可能になります。図 2 はエッジ コンピューティングの一般的な特性を示しています。

図2 エッジコンピューティングの特徴

• 位置認識と低レイテンシ: 物理的にも論理的にも、エッジ コンピューティングにより、リモートの集中型クラウドよりもセンサー デバイスへの通信と情報配信が効率化されます。伝送距離が短いため、エッジ コンピューティングは、リアルタイム性が求められる多くのアプリケーションで大きな役割を果たす可能性があります。たとえば、ガス漏れが発生した場合、IoT デバイスがデータを収集すると、データをクラウドに送信して処理するのではなく、まずガスバルブを閉じます。このようなシナリオでは、エッジ コンピューティングが大きな役割を果たすことができます。さらに、エッジコンピューティングは端末に近いため、デバイスの動きに対してより敏感であり、エッジノード間の連携により、モノのインターネットの位置認識機能を実現できます。
• インテリジェントで自己組織化された管理: 最新のエッジ ノードのパフォーマンスは、高速伝送、ビッグ データ ストレージ、ローカル ユーザー グループの複雑なコンピューティング プログラムのニーズを満たすのに十分です。これにより、アプリケーションの自律的な管理とエッジ オーケストレーションが可能になり、ローカル デバイスの計算とストレージをローカル エッジ コンピューティング ノードにオフロードしたり、他のノードやクラウド コアに選択的に委任したりできるようになります。
• 分散型でプライバシー保護: 多くのエッジ コンピューティング サーバーはプライベート クラウドレットである可能性があり、情報の集中度が低いため、所有権とデータ管理が分離され、クラウド コンピューティングにおける情報漏洩の懸念が軽減されます。たとえば、企業が導入するエッジ コンピューティング ノードは機密情報を交換し、分散アーキテクチャによってプライバシーを強化できる可能性があります。
• 異種混合かつスケーラブル: クラウド コンピューティングでは、現在の大規模 IoT データ コンピューティングのニーズを満たすことができません。 IoT 接続デバイスと生成されるデータの増加は、クラウド コンピューティングの増加をはるかに上回っています。分散アーキテクチャにより、エッジノードを大量に拡張できます。したがって、エッジ コンピューティングはデバイスのスケーラビリティを実現するための実行可能なアプローチです。さらに、エッジ ノードは標準化されたインターフェイスを提供できるため、IoT デバイスの異種性が排除され、コンピューティング効率がさらに向上します。

ブロックチェーンとは何ですか?

ブロックチェーンという言葉は誰もが知っていると思います。同国は、ブロックチェーンはコア技術の自主革新に向けた重要なブレークスルーとみなされるべきだと強調している。主な方向性を明確にし、投資を増やし、いくつかの重要なコア技術の征服に重点を置き、ブロックチェーン技術と産業の革新と発展を加速する必要があります。ブロックチェーンの概念は、サトシ・ナカモトが論文「ピアツーピア電子キャッシュシステム」で初めて提案しました。ブロックチェーンはチェーン状のデータベースであり、チェーンの本体はブロックです。各ブロックは、ブロック ヘッダーとブロック本体に分けられます。ブロックヘッダーには前のブロックの概要が記録され、ブロック本体は大量の取引内容や取引時間などを含む取引台帳です。後者のブロックは前のブロックの内容にバインドされており、複数のブロックが組み合わされてチェーン構造を形成します。ブロックチェーンをより直感的に理解するために、インターネット アーキテクチャに倣ってブロックチェーン システムをレイヤーに分割することができます。図 3 に示すように、下から上に、データ、ネットワーク、コンセンサス、元帳トポロジ、インセンティブ、スマート コントラクト、アプリケーション レイヤーがあります。

図3 ブロックチェーンの基本アーキテクチャ

データ層は、さまざまなアプリケーションによって生成されたデータをブロックまたはトランザクションの形式でカプセル化します。 2 者間のトランザクションは検証されてブロックにまとめられ、次のブロックは常に前のブロックを指し示すため、ブロックの順序付きリストが作成されます。ネットワーク層は、ブロックチェーンで使用されるネットワーク メカニズムを定義します。このレイヤーの目的は、データ レイヤーから生成されたデータを伝播することです。ネットワークは一般に、ピアが参加者であり、トランザクションが生成されると、ブロックが隣接ノードに配布され、有効なトランザクションのみが転送される P2P ネットワークとしてモデル化できます。コンセンサス レイヤーは、分散環境内の信頼されていないノード間でコンセンサスを達成するためのコンセンサス アルゴリズムで構成されます。

既存のシステムには、Proof of Work (PoW)、Proof of Stake (PoS)、Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) という 3 つの主要なコンセンサス メカニズムがあります。元帳トポロジー層には、主にコンセンサス層によって生成された認証データが格納されます。図 3 に示す従来のブロックチェーン (メイン チェーン) 構造に加えて、いくつかの新しいチェーン トポロジにより、ブロックチェーンのスケーラビリティを大幅に向上できます。たとえば、ライトニング ネットワークは、ブロックチェーンの外部で価値の転送が行われるトランザクションを送信するためのマイクロペイメント チャネルを提供できます。インセンティブ レイヤーは、ノードが独自の努力でデータを検証するように動機付けるための経済的インセンティブを統合します。これは、中央機関なしで分散型ブロックチェーン システム全体を機能させるために不可欠です。

ビットコインとイーサリアムでは、チェーンにブロックを追加したノードに報酬としてビットコインとイーサが与えられます。報酬に加えて、アウトソーシングされた計算を保護するために、ブロックチェーンにデポジットとペナルティが導入されています。スマート コントラクト レイヤーは、ブロックチェーンにプログラミング可能性をもたらします。 Bitcoin Script は、コインを使う複数の方法を提供します。基本的に、トランザクションの各入力は前の出力に接続されており、入力に指定された署名がある場合に出力のスクリプトが true と評価される場合にのみ接続が有効になります。 Ethereum では、スマート コントラクトは、通貨だけでなく、ユーザー間でデジタル資産を自動的に転送するために使用される、状態に応じたルールのセットである強力なスクリプトです。ブロックチェーンの最高レベルには、暗号通貨、モノのインターネット (IoT)、スマート シティなどのアプリケーションがあり、金融​​、経営、製造など多くの分野に革命を起こす可能性があります。しかし、ブロックチェーンはまだ初期段階にあり、学界と産業界の両方がこれらの高度なアプリケーションをサポートするために技術を深めようとしています。ブロックチェーンは「次世代の破壊的イノベーション技術」と考えられています。分散型会計システムの中核技術として、ブロックチェーンは金融、モノのインターネット、商業取引、信用報告、資産管理など多くの分野で幅広い応用の可能性があると考えられています。

ブロックチェーン技術はまだ急速な発展の初期段階にあり、分散システム、暗号化、ゲーム理論、ネットワーク プロトコルなど、多くの分野の知識が関わっています。その主な利点は、データ暗号化、タイムスタンプ、分散コンセンサスなどの手段を使用して、分散化を通じて新しい信頼メカニズムと効率的なコラボレーション メカニズムを構築し、それによって多くの新しいアプリケーション シナリオを生み出すことです。

2つを組み合わせて新しいモデルを実現する

中国科学院コンピューティング技術研究所情報技術戦略研究センターが2018年に発表した「エッジコンピューティング技術研究報告書」では、「現在のエッジコンピューティングの推進には問題がある。大規模な分散コンピューティングの結果をクラウドプラットフォームにアップロードする必要はないが、クラウドプラットフォームは後で特定の計算のデータをトレースすることができない」と述べられている。このレポートでは、ブロックチェーン技術がエッジコンピューティングの技術的ボトルネックを打破し、モノのインターネットの分散化の傾向を加速させると予想されています。ブロックチェーンをエッジコンピューティングと組み合わせることができるのはなぜですか?エッジコンピューティングはセキュリティ上の課題に直面しているためです。モノのインターネットの発展により、従来のデータセンターやクラウドに配備されていた大量のインフラストラクチャ (ストレージ、コンピューティング、ネットワーク) が必然的にコンピュータ ルームから追い出され、エッジ デバイスや端末デバイスに再配備されることがわかっています。この開発の結果、多数のエッジ デバイスがコンピュータ ルームの物理的な障壁を欠き、ファイアウォールの外側に展開され、次のような深刻なセキュリティ上の課題に直面することになります。

• 多くのエッジ デバイスには、計算能力が弱い組み込みチップ システムが搭載されているため、自己セキュリティ保護を実現することが難しく、ハッカーにとって容易なアクセス ポイントとなります。
• エッジデバイスまたは端末デバイスは自己組織化して IoT システムに参加できます。
• システムにはデバイスを制御する機能がないため、悪意のあるデバイスを識別して防止する機能がありません。

したがって、この時点で、ブロックチェーンの最も重要な機能、つまり永続的なデータ保存と改ざん防止が役立ちます。幸いなことに、ブロックチェーンは大規模な分散型非中央集権システムとして、ハッシュ チェーンとコンセンサス アルゴリズムを通じて永続的なデータ ストレージと改ざん防止機能を提供しており、IoT エッジ コンピューティング環境におけるさまざまなセキュリティ問題を効果的に解決できます。さらに、ブロックチェーンの分散性を有効活用することで、分散ファイルシステム、分散コンピューティングシステムなどを構築することも可能となり、モノのインターネットの発展を効果的にサポートします。エッジコンピューティングのネットワークは一般的に分散されています。このネットワークにはさまざまなノードがあり、各ノードは何らかのコンピューティング サービスを実行します。ネットワークに接続されるデバイスは専用デバイスだけではなく、一部のエッジコンピューティング プロジェクトでは、Xiaomi や tplink などのスマート ルーターにフラッシュできる openwrt ファームウェア、さまざまなブランドの TV ボックスで使用される Android システム、Raspberry Pi で実行される Linux システムなど、小型デバイス向けの専用ソフトウェアも提供されています。これらの小型システムでは、デバイスの実際のネットワークとストレージ サイズに応じて、特定のコンピューティング タスクを割り当てることができます。これらのコンピューティング デバイスは、特定のリソースを使用してタスクを完了し、最終的に特定のトークン報酬を獲得します。これは最も単純なエッジ コンピューティング モデルでもあります。ブロックチェーンのスマートコントラクト、分散会計メカニズム、トークンを使用することで、無人経済ネットワークを実現できます。特殊なアルゴリズムを備えた一部のマイニング機器でも、エッジ コンピューティング モデルを使用して人工知能を加速できます。図 4 は、エッジ コンピューティングにおけるブロックチェーンの応用の簡単な概略図を示しています。

図4 ブロックチェーンがエッジコンピューティングを強化する

エッジコンピューティングの典型的な応用シナリオとして、スマートホームはブロックチェーン技術を使用してシステム全体のセキュリティと信頼性を向上させることができます。集中型スマートホームの悪影響を軽減したいのであれば、分散型ブロックチェーン技術を導入する必要があります。スマートホームデバイスはすべてエッジコンピューティング機能を備えているため、デバイス間の接続と相互作用の基盤としてブロックチェーンを使用することで、ネットワーク内ですべてのデバイスが同等のステータスを持つことを保証できます。メーカーは、スマートホームの主導権をめぐる競争を心配することなく、自社の機器の改善に注力するだろう。スマートホームの最高レベルの制御も、完全にユーザーの手に戻ります。ブロックチェーンの暗号化とコンセンサスのメカニズムにより、デバイス間の接続と相互作用がネットワーク全体の利益を犠牲にすることがないようにすることができます。そのため、たとえ個々のデバイスがハッキングされ、何者かに制御されたとしても、ネットワーク全体が崩壊することはありません。同時に、侵入されたノードは他のノードの正常な動作に影響を与えることなくネットワークから迅速に分離され、DDoS 攻撃の余地がなくなります。

これからの道のりは長く困難だ

エッジコンピューティングとブロックチェーン技術のつながりと組み合わせを見つけることは、新たなブレークスルーとなるかもしれません。しかし、エッジコンピューティングとブロックチェーンの組み合わせは現時点では完璧ではありません。エッジコンピューティングとブロックチェーンは、モノのインターネットにおけるそれぞれのアプリケーションで目覚ましい成果を上げていますが、長い間、さまざまな程度の問題が存在してきました。モノのインターネット分野におけるクラウドコンピューティングの補足として、エッジコンピューティングは、データの追跡可能性の問題に加えて、コンピューティングパワーの汎用性、支払いモデル、データセキュリティなど、本当に厄介な問題を抱えています。ブロックチェーン技術と IoT エッジコンピューティングの組み合わせは、サービスホスティング、コンピューティングパフォーマンス、応答時間、大容量ストレージにおいて常に問題に直面してきました。エッジ コンピューティングのアプリケーション シナリオでは、データ セキュリティやコンピューティング リソースの不均等な分散などの問題の解決をできるだけ早く議題に載せる必要があります。エッジコンピューティングサーバーの実際のコンピューティング能力の限界とモノのインターネットのプライベートな性質を考慮すると、関連する研究によると、合意メカニズムに到達するための「マイニング」プロセスを省略する「ホワイトリストシステム」が現時点ではより現実的で実現可能なソリューションであることが示されています。しかし、これは、他のデバイスが IoT 端末のホワイトリスト デバイスを装ってモバイル エッジ コンピューティング サーバーと対話すると、セキュリティ リスクが大幅に増加することも意味します。さらに、モバイル IoT デバイス自体の PoW 機能は弱かったり、マイニング機能がなかったりするため、モバイル エッジ コンピューティング サーバーの参加が必要になります。しかし、多数の IoT 端末が統合エッジコンピューティング サーバーに計算を委託する場合、リソースの割り当てはどのように行えばよいのでしょうか。そして、最適なアプリケーションを実現するには、どのようなコンセンサス メカニズムを使用すべきでしょうか? 「エッジコンピューティング＋ブロックチェーン」の試みはまだまだ道のりが長い。

参考文献

[1] (Dorri, Kanhere et al. 2016、Li and Zhang 2017、Casado-Vara, de la Prieta et al. 2018、Liu, Yu et al. 2018、Seitz, Henze et al. 2018、Yang, Yu et al. 2019)

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[6] Seitz,A.、et al. （2018年）。ブロックチェーンベースの IIoT アプリ マーケットプレイスを実現するフォグ コンピューティング - ケース スタディ。 2018 第 5 回モノのインターネットに関する国際会議: システム、管理、セキュリティ、IEEE。

【この記事は51CTOコラムニスト「中国機密協会科学技術支部」によるオリジナル記事です。転載については原著者にお問い合わせください。

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[7] ヤン・R.、他（2019年）。 「統合ブロックチェーンとエッジコンピューティングシステム：調査、いくつかの研究課題と課題」 IEEEコミュニケーションサーベイ＆チュートリアル21(2):1508-1532.

[8] ホン・シュエハイ、ワン・ヤン、グオ・シュシェン。エッジコンピューティング技術研究レポート [EB/OL] http://www.cnic.cas.cn/xwdt/yfdt/201811/P020181108393346075254.pdf. 2018年2月