زمان تخمینی مطالعه:12 دقیقه 

اینترنت چیزها IoT سرنام Internet of Things به مجموعه‌ای از دستگاه‌های الکترونیکی متصل به شبکه اینترنت و قادر به تبادل داده با یکدیگر اشاره دارد. این دستگاه‌ها می‌توانند از گوشی‌های هوشمند، سنسورها، دستگاه‌های خانگی، سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، خودروهای هوشمند و غیره شامل شوند.

از طریق اینترنت چیزها، دستگاه‌ها می‌توانند به یکدیگر و به سرورهای ابری متصل شوند و اطلاعات را به اشتراک بگذارند، دستورها را دریافت کنند و دستورها را برای اجرا به دستگاه‌های دیگر بفرستند. این فناوری، به کاربران این امکان را می‌دهد تا از راه دور دستگاه‌های خود را کنترل کرده و اطلاعاتی از آن‌ها را دریافت کنند. این فناوری در حال حاضر در بسیاری از صنایع و کاربردهای مختلفی مانند خانه هوشمند، شهر هوشمند، صنعت، بهداشت و درمان، کشاورزی، حمل و نقل و غیره به کار می‌رود.

پروتکل‌های معروف اینترنت چیزها

امروزه انواع مختلفی از پروتکل‌های اینترنت چیزها مورد استفاده قرار می‌گیرند، با این‌حال برخی از آن‌ها کاربرد بیشتری نسبت به نمونه‌های مشابه دارند. در ادامه با تعدادی از این پروتکل‌های معروف آشنا خواهیم شد.

MQTT

پروتکل MQTT سرنام Message Queuing Telemetry Transport یک پروتکل ارتباطی ساده و سریع است که برای انتقال داده‌های IoT به کار می‌رود. این پروتکل در سال ۱۹۹۹ توسط IBM ابداع شد و در حال حاضر به‌عنوان یکی از پروتکل‌های محبوب برای ارتباط بین دستگاه‌های اینترنت چیزها و سرورها شناخته می‌شود.

MQTT برای انتقال داده‌های کوتاه و ساده مناسب است و به‌دلیل سبک و سریع بودن، مصرف حداقلی منابع و پشتیبانی از مکانیزم‌های امنیتی به شکل گسترده‌ای در برنامه‌های اینترنت چیزها مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این پروتکل، داده‌ها به صورت پیام‌های کوتاه با فرمت JSON یا دودیی ارسال می‌شوند و علاوه بر این قابلیت‌هایی مثل خدمات کیفیت QoS سرنام Quality of Service و Retained Messages را ارائه می‌دهد که به کاربران این امکان را می‌دهد که با قابلیت اطمینان بیشتری داده‌ها را ارسال و دریافت کنند.  علاوه بر این، MQTT از مدل Publish/Subscribe پشتیبانی می‌کند که به دستگاه‌ها امکان اشتراک‌گذاری داده‌ها را می‌دهد. این پروتکل در بسیاری از برنامه‌های اینترنت چیزها که نیاز به ارسال داده‌های ساده دارند، مانند برنامه‌های کنترل خانه هوشمند، سامانه‌های نظارتی و کنترلرهای صنعتی به کار می‌رود.

CoAP

پروتکلCoAP  سرنام Constrained Application Protocol یکی دیگر از پروتکل‌های شبکه است که به شکل گسترده‌ای توسط دستگاه‌های اینترنت چیزها برای انتقال داده‌ها در شبکه‌های محدود با قابلیت دسترسی پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پروتکل برای کاربردهای محدود به عنوان جایگزین سبک و مناسب برای پروتکل HTTP یا در زمینه ارتباطات M2M سرنام Machine-to-Machine مورد استفاده قرار می‌گیرد. به طور کلی، CoAP یک پروتکل اینترنتی است که برای ارسال پیام‌های کوتاه و سبک توسط تجهیزات اینترنت چیزها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پروتکل برای پروژه‌هایی طراحی شده است که دستگاه‌های محدودی با منابع محدود (مانند پردازنده، حافظه، پهنای باند و …) قرار است به شبکه متصل شوند.

CoAP برای برقراری ارتباط دستگاه‌های مختلف از جمله حسگرها، دستگاه‌های کوچک اینترنت چیزها، دستگاه‌های هوشمند و غیره استفاده می‌شود و امکاناتی مانند ارسال درخواست‌ها و دریافت پاسخ‌ها، مدیریت دستگاه‌های مختلف، نام‌گذاری منابع و غیره را فراهم می‌کند. همچنین، این پروتکل امکان استفاده از پروتکل‌های امنی مانند DTLS سرنام Datagram Transport Layer Security را نیز دارا دارد و از این رو برای برقراری ارتباطات امن در شبکه‌های اینترنت چیزها به شکل گسترده‌ای مورد توجه است.

HTTP

پروتکل HTTP  سرنام Hypertext Transfer Protocol پروتکل HTTP یکی از پروتکل‌های اصلی اینترنت است که برای برقراری ارتباط بین کلاینت‌ها (مانند مرورگر و یا دستگاه های دیگر) و سرورها استفاده می‌شود. در حوزه اینترنت چیزها نیز، این پروتکل به‌عنوان یکی از اصلی‌ترین پروتکل‌ها برای برقراری ارتباط دستگاه‌های هوشمند با یکدیگر و سرورها استفاده می‌شود.

پروتکل HTTP به دلیل انعطاف‌پذیری و کاربری ساده در حوزه اینترنت چیزها کاربرد زیادی دارد. این پروتکل قابلیت پشتیبانی از انواع دستگاه‌ها و پروتکل‌های مختلف را دارد و همچنین ارتباطات امن را نیز از طریق پروتکل HTTPS پشتیبانی می‌کند. استفاده از پروتکل HTTP در حوزه اینترنت چیزها، این امکان را به ما می‌دهد که دستگاه‌های مختلفی را به یکدیگر و سرورها متصل کنیم و اطلاعات را به‌صورت سریع و قابل اعتمادی منتقل کنیم.

DDS

پروتکل DDS سرنام Data Distribution Service  در گروه پروتکل‌های سطح بالا در حوزه اینترنت چیزها است که برای توزیع داده‌ها بین دستگاه‌های مختلف طراحی شده است. این پروتکل از مدل ناهمگام publish/subscribe برای تبادل داده‌ها استفاده می‌کند و به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد تا به‌صورت مستقل و بدون نیاز به تعریف مستقیم کانال‌ها، داده‌های خود را در شبکه توزیع کنند.

DDS یک پروتکل مبتنی بر سرعت و قابلیت اطمینان بالا است و در ارتباط با سامانه‌های کنترل صنعتی، سامانه‌های پزشکی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پروتکل از قابلیت‌هایی مانند ذخیره پیام‌ها، هماهنگی زمانی و کنترل کیفیت سرویس پشتیبانی می‌کند و به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد تا به‌صورت دقیق و در زمان انجام تغییرات، به داده‌های مورد نظر دسترسی داشته باشند. استفاده از پروتکل DDS در شبکه‌های اینترنت چیزها، به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد تا به‌صورت مستقل و به‌سرعت داده‌های خود را در شبکه توزیع کنند و از این رو برای کاربردهایی که به سرعت و قابلیت اطمینان بالایی نیاز دارند، بسیار مناسب است.

AMQP

AMQP  سرنام Advanced Message Queuing Protocol یک پروتکل استاندارد برای ارسال و دریافت پیام در برنامه‌های کاربردی مبتنی بر پیام‌رسانی (Messaging) است. این پروتکل برای ارسال پیام‌های بین نرم‌افزارهای مختلف طراحی شده است و از مدل publish/subscribe برای تبادل پیام استفاده می‌کند. AMQP به دستگاه‌های مختلف امکان می‌دهد تا با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و پیام‌های خود را در شبکه تبادل کنند. این پروتکل از قابلیت‌هایی مانند تضمین تحویل پیام، مدیریت صف‌ها، کنترل خطا و غیره پشتیبانی می‌کند و برای استفاده در کاربردهایی مانند بان‌کداری، تجارت الکترونیک، حوزه‌های مالی و غیره طراحی شده است. با استفاده از AMQP، دستگاه‌ها می‌توانند به صورت مستقل و بدون نیاز به تعریف مستقیم کانال‌ها، پیام‌های خود را در شبکه توزیع کنند و از این رو برای کاربردهایی که به قابلیت اطمینان بالا و مدیریت پیام‌ها نیاز دارند، بسیار مناسب است.

LoRaWAN

LoRaWAN یک پروتکل ارتباطی برای دستگاه‌های اینترنت چیزها است که معماری آن‌ها مبتنی بر فرستنده‌های بردبلند و کم توان است. این پروتکل برای کاربردهایی مانند پیاده‌سازی شبکه‌های حس‌گرها و پروژه‌های نظارت بر میزان مصرف آب و برق مناسب است. LoRaWAN به دستگاه‌های اینترنت چیزها امکان می‌دهد با استفاده از فرستنده‌های برد بلند و کم‌توان، به راحتی با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و داده‌های خود را در شبکه ارسال کنند. این پروتکل برای کاربردهایی که به قابلیت اطمینان بالا و ارسال داده‌هایی با برد بلند نیاز دارند، بسیار مناسب است.

LoRaWAN از معماری شبکه ابری استفاده می‌کند و به دستگاه‌های اینترنت چیزها امکان می‌دهد با استفاده از یک دروازه (Gateway)، با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و داده‌های خود را به‌سمت سرورها ارسال کنند. این پروتکل برای ارسال داده‌هایی با برد بلند و در فواصلی که به دلیل محدودیت‌های دیوار‌ها و ساختمان‌ها، امکان استفاده از شبکه‌های دیگر مثل وای‌فای و بلوتوث وجود ندارد، مناسب است.

LoRaWAN از فرکانس‌های مختلفی برای انتقال داده‌ها استفاده می‌کند و این امکان را به دستگاه‌های اینترنت چیزها می‌دهد تا در محیط‌های مختلفی با دیوار‌ها و موانع مختلف، داده‌های خود را از طریق برد بلند ارسال کنند. این پروتکل به دستگاه‌هایی که دارای منابع انرژی محدود هستند اجازه می‌دهد برای طولانی مدت خدمت کنند، زیرا کمترین میزان استفاده از باتری دستگاه‌ها را دارد.

معماری LoRaWAN بر اساس معماری شبکه گسترده‌ منطقه گسترده (Wide Area Network) پیاده‌سازی شده است. در این معماری، تجهیزات اینترنت چیزها با استفاده از فرستنده‌های کم توان و برد بلند، با دروازه‌های (Gateway) مجاور خود در ارتباط هستند و داده‌های خود را با استفاده از شبکه ارسال می‌کنند. سپس دروازه‌ها این داده‌ها را به شبکه‌های ابری (Cloud Network) ارسال می‌کنند و از طریق این شبکه‌ها، تجهیزات اینترنت چیزها و کاربران می‌توانند به داده‌ها دسترسی پیدا کنند.

در معماری LoRaWAN، تمامی تجهیزات اینترنت چیزها از یک پروتکل ارتباطی مشترک برای ارسال داده‌ها استفاده می‌کنند. این پروتکل برای ارسال داده‌ها از فناوری LoRa سرنام (Long Range) استفاده می‌کند که به تجهیزات اینترنت چیزها اجازه می‌دهد با استفاده از فرستنده‌های کم‌توان و برد بلند، داده‌های خود را با کیفیت و سرعت بالا در شبکه ارسال کنند. فناوری LoRa به تجهیزات اینترنت چیزها اجازه می‌دهد با استفاده از فرکانس‌های مختلف، در شرایط مختلف محیطی، داده‌های خود را ارسال کنند و از این طریق، به دستگاه‌ها امکان تنظیم خودکار توان ارسال داده‌ها را می‌دهد. معماری LoRaWAN برای کاربردهایی که به مصرف کم انرژی و برد بلند نیاز دارند، بسیار مناسب است. با این حال، به‌دلیل محدودیت‌هایی مانند محدودیت در ارسال حجم داده‌ها و کنترل ضعیف بر خطاهای ارسالی، این معماری برای کاربردهایی که به قابلیت اطمینان بالا نیاز دارند، مناسب نیست.

Sigfox

Sigfox یک پروتکل ارتباطی برای دستگاه‌های اینترنت چیزها مبتنی بر فرستنده‌های کم توان و برد بلند است. این پروتکل نیز همانند نمونه قبلی گزینه مناسبی در ارتباط با شبکه‌های مبتنی بر حس‌گر‌ها و کنترهای هوشمند آب و برق است.

Sigfox به دستگاه‌های اینترنت چیزها اجازه می‌دهد با استفاده از یک دروازه (Gateway)، با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و داده‌های خود را به سمت سرورها ارسال کنند. این پروتکل برای ارسال داده‌هایی با برد بلند و در فواصلی که به دلیل محدودیت‌های دیوار‌ها و ساختمان‌ها، امکان استفاده از شبکه‌های بی‌سیم مثل وای‌فای و بلوتوث وجود ندارد، مناسب است.

Sigfox از فرکانس مخصوص خود استفاده می‌کند و برای ارسال داده‌ها از فناوری UNB سرنامUltra Narrow Band  استفاده می‌کند. این فناوری به دستگاه‌های اینترنت‌ چیزها اجازه می‌دهد با کمترین مصرف انرژی، داده‌های خود را با برد بلند ارسال کنند. این پروتکل برای دستگاه‌هایی که باتری با ظرفیت پایینی دارند اجازه می‌دهد داده‌ها را تا فواصل طولانی ارسال کنند.

معماری Sigfox بر اساس معماری شبکه ابری (Cloud Network) پیاده‌سازی می‌شود. در این معماری، تجهیزات اینترنت چیزها با استفاده از فرستنده‌های کم توان و برد بلند، با دروازه‌های (Gateway) مجاور خود در ارتباط هستند و داده‌های خود را با استفاده از شبکه ارسال می‌کنند. سپس دروازه‌ها این داده‌ها را به سرورهای Sigfox ارسال می‌کنند و از طریق این سرورها، تجهیزات اینترنت چیزها و کاربران می‌توانند به داده‌ها دسترسی پیدا کنند. در معماری Sigfox، تمامی دستگاه‌های اینترنت چیزها از یک پروتکل ارتباطی مشترک برای ارسال داده‌ها استفاده می‌کنند.

معماری Sigfox برای کاربردهایی که به مصرف کم انرژی و برد بلند نیاز دارند، بسیار مناسب است. همچنین، این معماری به‌دلیل سادگی و کارایی بالا در بیشتر پروژ‌ه‌های اینترنت چیزها مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، به دلیل چالش‌هایی مانند محدودیت در ارسال حجم داده‌ها و عدم قابلیت تطبیق با شبکه‌های متغیر، این معماری برای کاربردهایی که به قابلیت تطبیق با محیط نیاز دارند، مناسب نیست.

Zigbee

Zigbee یکی از معروف‌ترین و پر استفاده‌ترین  پروتکل ارتباطی بی‌سیم اینترنت چیزها است. این پروتکل برای برقراری ارتباط دستگاه‌های اینترنت چیزها در شبکه‌های شلوغ مورد استفاده قرار می‌گیرد و در حوزه‌هایی مثل کنترهای خانه‌های هوشمند و کنترل دستگاه‌های صنعتی استفاده می‌شود. Zigbee از معماری شبکه مبتنی بر گره استفاده می‌کند و به دستگاه‌های اینترنت چیزها اجازه می‌دهد با استفاده از فرستنده‌های بی‌سیم، به‌راحتی با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و داده‌های خود را در شبکه ارسال کنند. Zigbee از فرکانس‌های مختلفی برای انتقال داده‌ها استفاده می‌کند تا تجهیزات اینترنت چیزها بتوانند با استفاده از این پروتکل بسیار کارآمد، داده‌های خود را با سرعت و کیفیت بالا در شبکه انتقال دهند.

همان‌گونه که اشاره شد، معماری Zigbee بر اساس معماری شبکه توری (Mesh Network) پیاده‌سازی می‌شود. در این معماری، دستگاه‌های اینترنت چیزها مبتنی بر پروتکل Zigbee به‌عنوان گره‌های شبکه ایفای نقش می کنند و با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند تا یک شبکه Zigbee را ایجاد کنند.

در شبکه Zigbee، گره‌ها (دستگاه‌ها) به دو دسته تقسیم می‌شوند: گره‌های هماهنگ‌کننده (Coordinator) و دستگاه‌ پایانی (End Device). گره هماهنگ‌کننده یا کنترلی به‌عنوان گره اصلی شبکه عمل می‌کند و مسئول مدیریت شبکه، ارتباط با دستگاه‌های دیگر و ارسال دستورات به دستگاه‌های ساده را عهده‌دار است. گره‌های ساده، به‌عنوان گره‌های کلاینت در شبکه عمل می‌کنند و به‌منظور ارسال داده‌ها به گره کنترلی یا داده‌های دریافتی از آن، از طریق گره‌های مجاور خود ارتباط برقرار می‌کنند.

در شبکه Zigbee، هر گره قابلیت رسیدن به هر گره دیگری در شبکه را دارد. بنابراین، ارتباط بین دستگاه‌ها از طریق چند مسیر ممکن است که این ویژگی امنیتی، قابلیت اطمینان و افزایش پوشش شبکه را بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، معماری مذکور به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد تا به صورت خودکار به شبکه متصل شوند و از طریق ارسال پیغام‌های از پیش‌تعریف شده، به درستی کار کنند.

معماری Zigbee برای کاربردهایی که نیاز به تحمل خطا، امنیت بالا و پوشش گسترده دارند، بسیار مناسب است. همچنین، این معماری به دلیل مصرف کم انرژی و کارایی بالا، برای کاربردهایی مانند کنترل خانه هوشمند، کنترل دستگاه‌های صنعتی و غیره، مناسب است.

البته به این نکته دقت کنید که استفاده از هر یک از پروتکل‌های مذکور به موارد مختلفی از جمله نوع دستگاه، کاربرد مورد نظر و ویژگی‌های شبکه هدف بستگی دارد.

منبع: حمیدرضا تائبی (لاوان ارتباط) 

بخوانید: کانکتور R&M CONEXIO راهکار FTTA PTTA برای عصر 5G