الدليل الكامل لفهم بروتوكولات ومعايير إنترنت الأشياء

نادراً ما يفكّر صُنّاع القرار بطريقة انتقال البيانات المطلوبة من الأجهزة الإلكترونيّة إلى لوحات التحكّم عند بناء مشروع جديد خاصّ بإنترنت الأشياء، بل يقتصر اهتمامهم على وصول تلك البيانات فقط، نظراً إلى أنّ مسؤوليّة الاهتمام بتلك التفاصيل تقع على عاتق المهندسين.
تكمن أهمّيّة فهم طرق انتقال البيانات في تحديد مناطق تحسين وتطوير الأداء للتطبيق المستخدَم، الأمر الذي يضمن توافر الحلول التقنيّة المُثلى لأيّة مشكلة قد تطرأ على أنظمة إنترنت الأشياء. 
تُعرف البروتوكولات على أنّها لغة التواصل بين الأجهزة والسحابة. ولكلّ برتوكول مميزات وعيوب، فبعضها يعمل جيّداً مع أنظمة إنترنت الأشياء، أمّا البعض الآخر، فليس كذلك. 
يهدف هذا المقال إلى وصف ومقارنة البروتوكولات الأكثر استخداماً، إضافة الى مناقشة كيفيّة استخدامها ضمن مجال إنترنت الأشياء، وتخصيص البروتوكولات المناسبة لتطبيقاته.

ما هي بروتوكولات أنظمة إنترنت الأشياء؟

قبل الخوض في تفاصيل بروتوكولات تطبيقات إنترنت الأشياء الأكثر شيوعاً، لنتعرّف على معنى المصطلح “بروتوكول” بشكل أدقّ.

تعرف البروتوكولات على أنّها مجموعة من القواعد التي تحدّد انتقال البيانات بين الأجهزة الإلكترونيّة طبقاً لاتّفاق مسبق بين الطرفين يخصّ هيكليّة المعلومات، وكيفيّة إرسالها واستلامها. وبالتالي، إنّ بروتوكولات أنظمة إنترنت الأشياء هي معايير تمكّن من تبادل وإرسال البيانات بين الأجهزة والإنترنت.

تُقسم بروتوكولات إنترنت الأشياء إلى قسمين، أحدهما يختصّ بشبكة الإنترنت، فتكمن مهمّته في تأمين طرق لربط الأجهزة الإلكترونيّة فيما بينها أو عبر الإنترنت. أما القسم الآخر، فيختصّ بالبيانات المُرسلة، أي يُعنى بتبادل المعلومات. يضمّ كلّ قسم عدداً من البروتوكولات، ولكلّ منها خصائص فريدة سنتعرّف عليها في الخطوة القادمة.

قائمة بأسماء البروتوكولات الأكثر شيوعاً في أنظمة إنترنت الأشياء:

بروتوكولات شبكة الإنترنت:

• Wi-Fi
• LTE CAT 1
• LTE CAT M1
• NB-IoT
• Bluetooth
• ZigBee
• LoRaWAN

بروتوكولات انتقال البيانات:

• AMQP
• MQTT
• HTTP
• CoAP
• DDS
• LwM2M

مخطّط طبقات بروتوكولات إنترنت الأشياء:

يرمز هذا المخطّط إلى سلسلة من طبقات البرمجيّات والمعدّات المستخدَمة في بروتوكولات أنظمة إنترنت الأشياء، ويصفها المهندس دان كوبا Dan Kouba -كبير مهندسي الحلول في موقع Particle- على أنّها “جميع ما ينحصر بين أُطر إرسال البيانات واستلامها”. 

يمكن تجسيد هذا المخطّط باستخدام نموذج (أنظمة الترابط المفتوح-OSI) الخاصّ بالشبكات، بدءاً من الطبقة المادّيّة في القعر، وصولاً إلى طبقة التنفيذ في القمّة. يمكن لعدّة بروتوكولات أن تعمل عند طبقة واحدة، أو تمتدّ عبر عدّة طبقات. لكن، بغضّ النظر عن ذلك، يجب أن تكون قابلة للتوسّع لضمان عمل الشبكة على النحو المطلوب.

سنتعرّف على كلّ طبقة، وما يتعلّق بها من مهام.

• الطبقتان المادّيّة وحلقة وصل البيانات:

تمثّلان أوائل طبقات المخطّط من الأسفل، وتُعنى هاتان الطبقتان بربط الأجهزة الإلكترونيّة بشبكة معيّنة عن طريق استخدام المعدّات المادّيّة. وبشكل أدقّ، يتمحور مفهوم عملها حول استلام البيانات الخام غير المعدّلة من الأوساط الناقلة عن طريق الطبقة المادّيّة، ثمّ تحويل الإشارة الرقميّة الحاملة للمعلومات إلى إشارة كهربائيّة، أو راديويّة، أو ضوئيّة. 

تعمل بعدها طبقة حلقة البيانات على التقاط البيانات، وتحديد أو تصحيح الأخطاء الناتجة عن عمليّة النقل. تحدّد هذه الطبقة أيضاً نوع البروتوكول المستخدَم للتحكّم بسير البيانات، إضافة إلى بدء وإنهاء الاتّصال بين جهازين يربطهما اتّصال مادّيّ. 

وبوصف آخر، عبّر دان قائلاً: “تصف الطبقة المادّيّة جميع المعدّات التي تتّصل بها الأجهزة الإلكترونيّة. أمّا طبقة حلقة وصل البيانات، فتمثّل كيفيّة التخاطب بين جهاز موديم وبرج اتّصالات على سبيل المثال، بهدف إنشاء قناة للتواصل بين جهاز ما وبرج اتّصالات أو معدّات أخرى للترابط الشبكيّ”.

• طبقات الشبكة، والنقل، والجلسة: 

تتيح هذه الطبقات تحويل البيانات عبر الأجهزة المتّصلة ببعضها، ويتمحور عملها حول العنونة المنطقيّة، وإدارة سير البيانات، وتصحيح الأخطاء، وتفادي تراكم البيانات، وإدارة الجلسات، إضافة الى الدقّة في نقل البيانات.  

وكما يشير إليها دان: “من وجهة نظر المستخدم، تمثّل هذه الطبقات بروتوكولات أساسيّة في إدارة تدفّق البيانات لتسهيل عملية التواصل. عندها يجب طرح الأسئلة المهمّة: كيف تبدو الإشارة؟ وكيف تُشكَّل وتُحمَّل البيانات عليها؟ وكيف يمكن فصل البيانات عنها فيما بعد؟”.

  

• طبقتا التقديم والتطبيق: 

تقع هاتان الطبقتان في قمّة المخطّط، وتكمن مهمتهما في تنسيق البيانات، وتهيئة الحدود الفاصلة بين أنواع البيانات المختلفة.  تحوّل طبقة التقديم البيانات إلى صيغة تقبلها الطبقة التي تليها، ألا وهي التطبيق، وتمثّل الطبقة الأقرب للمستخدم، حيث تحدّد أطراف التواصل والمزامنة، إضافة إلى توافر الموارد.

يعني الوصول إلى هذه المرحلة أنّ جميع العمليّات السابقة قد أُكمِلَت عبر قناة مشفّرة. كلّ طبقة في المخطّط محميّة بشكل يختلف عن سابقتها، وغالباً ما تكون الحماية أحد مهام البروتوكول المستعمَل. عند وصول البيانات إلى السحابة، تبدأ الأنظمة بفكّ الشفرة والتحليل، واتّخاذ القرار المتعلّق بسير البيانات قبل ايصالها إلى المستخدم. 

بروتوكولات إنترنت الأشياء، ماهيّتها وأُسس عملها:  

1. Wi-Fi:

وهو بروتوكول واسع الانتشار، يتواجد في أغلب التطبيقات الصناعيّة، والزراعيّة، والمنزليّة، إضافة إلى البنايات التجاريّة، والمطاعم المحلّيّة. بإمكان هذه التقنيّة المُحبَّبة لدى الأغلبيّة بثّ كمّيّات ضخمة من البيانات عبر مسافات قريبة. على الرغم من ذلك، فإنّ أغلب أجهزة إنترنت الأشياء التي تعمل على البطاريّة، أو محدودة استهلاك الطاقة، تمتنع عن استخدام هذه التقنيّة لاستهلاكها الكبير للطاقة. 

2. LTE CAT 1:

يمثّل أحد معايير الاتّصالات المُصمَّمة خصّيصاً لتطبيقات إنترنت الأشياء. مقارنة مع المعايير الأخرى، نجد أنّه يعمل على تقليص عرض النطاق التردّديّ ومتطلّبات الاتّصال؛ للحفاظ على الطاقة، وتوفير الكلفة للأنظمة المعقّدة عبر مسافات طويلة. على الرغم من التفاوت بين التقنيّتين، يرجّح الخبراء استبدال هذه التقنيّة بتقنيّة 3G بعد عام 2022. 

3. LTE CAT M1:

والتي يُشار إليها أيضاً بـ Cat-M، هي تقنيّة منخفضة الثمن، وقليلة الاستهلاك للطاقة، وتستخدم في الشبكات المخصّصة للمناطق الواسعة، وتختصّ بنقل كمّيّات منخفضة أو معتدلة من البيانات. طوّرها مشروع شراكة الجيل الثالث المختصّ ببروتوكولات الاتّصالات (3GPP) كجزء من التحديث الثالث عشر لمعايير الشبكات طويلة الأمد (LTE)، وتمثّل محوراً مهمّاً في تقنيّات إنترنت الأشياء. 

تبرز أهمّيّة هذه التقنيّة كـ بروتوكول لكونها متوافقة مع شبكات التطوير طويلة الأمد، ولكون استخدامها يعني استخدام عدد أقلّ من الهوائيّات.  

على وجه المقارنة، CAT M1 هي تقنيّة مُكمِّلة لـ NB-IoT، لكنّها تمتلك سرعة أعلى في الرفع والتنزيل بمعدّل 1 ميغا بايت/ثانية، إضافة إلى معدّل تأخير أقل بـ 10 إلى 15 ملي ثانية.  

4. NB-IoT:

جميع البروتوكولات المذكورة آنفاً هي تقنيّات طال استخدامها. بينما تمتاز تقنيّة NB-IoT بكونها حديثة وسريعة النموّ، وذات استهلاك محدود للطاقة، إضافة إلى كونها شائعة الاستخدام في كثير من المجالات، وفي تقنيّات إنترنت الأشياء التي تعمل على البطاريّات على وجه الخصوص.  

عند مقارنتها ببقيّة البروتوكولات، تتفوّق هذه التقنيّة لاحتوائها على سعة عالية، واستهلاك أقلّ للطاقة، إضافة إلى الكفاءة التردّديّة العالية. على سبيل المثال: يمكن لها أن تربط أساطيل ضخمة من السفن مع أكثر من 50 ألف جهاز لكلّ شبكة خليويّة.  

وبطبيعة الحال، لا تخلو أيّة تقنيّة من العيوب. يمتلك هذا البروتوكول نطاق عرض تردّديّ محدود للغاية؛ ممّا يسبّب بطئاً أو تقليصاً لإمكانيّة نقل البيانات، ويصعب عليه تنفيذ عمليّات مهمّة، أو لا ينفّذها على الإطلاق، مثل عمليّات التحديث اللاسلكيّة. علاوة على ذلك، شهد هذا البروتوكول انطلاقا وتجهيزاً ضعيفاً للغاية عبر المناطق الجغرافيّة حول العالم. وعلى الرغم من زيادة انتشاره إلّا أنّ التواجد المشتّت لأيّة تقنيّة يشكّل خطراً على تطبيقات إنترنت الأشياء.  

5. Bluetooth:

يرتكز مبدأ عمل البلوتوث على نقل البيانات بين نقطتين لمسافات قصيرة، ولكمّيّة محدودة من البيانات. أمّا في مجال إنترنت الأشياء، يُستخدم البلوتوث لربط المتحسّسات الصغيرة، والتي تعمل على البطاريّات، مع منافذ أنظمة إنترنت الأشياء، أو لإتاحة الاتّصال مع الأجهزة الذكيّة، مثل الهواتف، والدرّاجات، وغيرها. 

6. ZigBee:

تقنيّة لاسلكيّة صدرت رسميّاً في مطلع القرن الواحد والعشرين. تمتاز بكلفة منخفضة، واستهلاك قليل للطاقة، إضافة إلى الأداء الموثوق. تتلاءم مع عدّة تصاميم شبكيّة، وتدعمها، مثل نظام الخطوط، ونقطة-إلى-عدّة، ونقطة-إلى-نقطة. يكثر استخدام هذه التقنيّة في المنازل والبنايات المؤتمتة.

7. LoRaWAN:

يستعمل هذا البروتوكول للمسافات البعيدة، والشبكات واسعة التغطية باستهلاك قليل للطاقة. عادة ما يمكن الاتّصال بين عدّة أجهزة تعمل على البطاريّات والإنترنت داخل شبكة محلّيّة أو دوليّة أو عالميّة.  

أمّا في مجال إنترنت الأشياء، فيلعب دوراً مهمّاً في تطبيقات التواصل باتّجاهين (الإرسال والاستقبال)، والحماية، والتعقّب، والخدمات المتنقلة.

بروتوكولات نقل البيانات، ماهيّتها وأُسس عملها:  

1. AMQP:

يشتهر بروتوكول تنظيم الإرسال المتقدّم بالموثوقيّة، وقابلية العمل المشترك، لكونه قادراً على التنظيم الأمثل للبيانات؛ ممّا يمكّن الأنظمة المتّصلة ببعضها على التواصل بشكل غير متزامن من تحسين التعامل مع مشكلات توقّف انتقال البيانات، وضعف أداء الشبكة. تُضاف إليه مزايا أخرى تشمل التنظيم المستمر، والتنظيمان الموحّد وكثير التوافر، إضافة إلى التجميع، وتوجيه البيانات السلس. على الرغم من مميّزاته، إلّا أنّه معروف بالبطء تحت ظروف معيّنة.  

مقارنة مع البروتوكول اللاحق MQTT، يعدّ الأسبق أكثر أماناً وموثوقيّة.  

2. MQTT:

يعدّ بروتوكولاً سهلاً يعتمد على مبدأ الاتّصال غير المتزامن للربط بين الأجهزة الصغيرة ذات الطاقة المنخفضة. 

صُمِّم هذا البروتوكول خصّيصاً لغرض التواصل بين تطبيقات إنترنت الأشياء؛ كونه يتطلّب القليل لكلٍّ من الذاكرة، وطاقة المعالجة. تعزى مرونة وقابليّة تطوير هذا البروتوكول إلى معماريّة الإرسال غير المتزامن المستخدَمة في بنائه؛ ممّا يجعله مناسباً لتأسيس العديد من أنظمة إنترنت الأشياء. 

إضافة إلى ذلك، صُمِّم هذا البروتوكول مع ضمان للموثوقيّة، وقابليّة للتوسّع، وتوفير للحماية عبر تأمين طبقة النقل. تمكّن الجلسات المستمرّة لهذا البروتوكول من التعامل مع ضعف الشبكة وزيادة الاستهلاك. 

3. HTTP:

يمكن التعرّف على هذا الاختصار بسهولة نظراً لظهوره في بداية رابط كلّ موقع إلكترونيّ يُكتب. ويشكّل بروتوكول نقل النصّ التشعّبيّ أساساً لنقل البيانات في الشبكة العنكبوتيّة العالميّة.  

مع ذلك، تظهر عيوب كثيرة لهذا البروتوكول عند استخدامه في تطبيقات إنترنت الأشياء. على سبيل المثال، يُنشئ البروتوكول اتّصالاً متزامناً بين جهازين لغرض نقل البيانات، والذي يمثّل عائقاً أمام أنظمة إنترنت الأشياء؛ كون بعض الأجهزة ونقاط الاستلام لا تكون نشطة في الوقت ذاته، أو بسبب ضعف الاتّصال بالشبكة. يُضاف إلى ذلك اعتماد البروتوكول على تحويل البيانات بصيغة شفرة تبادل المعلومات المحوسبة (ASCII)، والتي أظهرت عدم كفاءتها في نقل أعداد صغيرة من البيانات يغلب تبادلها بين أنظمة إنترنت الأشياء؛ كونها تحتاج طاقة أكثر لتشفير وفكّ شفرة المعلومات عند طرفي الإرسال والاستقبال.  

يُستنتج من ذلك أنّ هذا البروتوكول قد يكون الخيار الأمثل لتحويل بيانات المواقع الإلكترونيّة، لكنّه يخفق في تلبية متطلّبات تطبيقات إنترنت الأشياء.  

4. CoAP:

تظهر أهمّيّة بروتوكول التطبيقات المقيّد عند استخدام الأجهزة محدودة الإمكانيّات؛ كونه يعمل على تقليص حجم حزم البيانات داخل شبكة ما، وبالتالي تقليص زخم معدّل بيانات الشبكة. تشمل محاسنه أيضاً زيادة عمر أجهزة إنترنت الأشياء من خلال حفظ الطاقة، ومساحة التخزين، إضافة إلى تقليل كمّيّة البيانات المطلوبة لمباشرة العمل.  

5. DDS:

أُطلق بروتوكول خدمة توزيع البيانات عام 2004، ويعدّ وسيطاً للتخاطب بين الأنظمة التي تتطلّب تبادل البيانات بين النقاط التي تعتمد على معماريّة نشر أو استلام الرسائل (pub/sub).

تبرز الحاجة إلى هذا البروتوكول عند التعامل مع الأنظمة التي تتطلّب تبادلاً فوريّاً للبيانات، مثل العجلات المؤتمتة، ومولّدات القدرة، والروبوتات.   

6. LwM2M:

يعمل بروتوكول تواصل اﻵلة المبسّط على إدارة الأجهزة المرتبطة ببعضها عن بعد مع الخدمات التابعة لها، بالإضافة إلى أهمّيّته في تقليل الكلفة المرتبطة بتطبيق نماذج الاستهلاك المنخفض للطاقة، وتوفير الحلول السريعة لأنظمة إنترنت الأشياء.  

على وجه المقارنة، يعتمد هذا البروتوكول إضافة إلى سابقه على إنشاء نقطة اتّصال مع خادم LwM2M الذي يستعمل واجهة برمجة التطبيقات بمعماريّة تنقل الحالة التمثيليّة (REST API) لإدارة الواجهات. 

أهمّيّة البروتوكولات والمعايير في مجال إنترنت الأشياء:

قد تبدو هذه المقالة وكأنّها فائضة بالمعلومات. تبرز أهمّيّة البروتوكولات في تطبيقات إنترنت الأشياء في حديث دان عنها، حيث قال: “يجب فهم اللغة التي تتحدّث بها حواسيبنا لضمان اختيار الأدوات المناسبة لمشروع ما. توجد الكثير من الطرق لإنشاء اتّصال بين آلتين، ويعود اختيار الطريقة الصحيحة علينا بالنفع فيما بعد، مثل زيادة سرعة معالجة البيانات عند نقل القليل منها. وفيما يخصّ مجال حماية البيانات، يتطلّب تبادل بعض المعلومات إنشاء نفق آمن للمرور عبره، ممّا قد يشترط توافر الكثير من البيانات لبروتوكولات معيّنة. يمكن استخدام البروتوكولات الخاصّة بتطبيقات إنترنت الأشياء التي تمّ تداولها في هذا المقال للتقليل من كثافة هذه البيانات”. 

بعبارات أبسط، تعمل البروتوكولات على إعادة صياغة البيانات بأنماط جديدة ومتباينة. فمثلاً، تنقل بروتوكولات مكالمات الفيديو البيانات بترتيب معيّن لا يمكن تحقيقه مع أنواع أخرى، لكنّها قد تعجز عن تحقيق سرعة انتقال البيانات بين الأجهزة.  

عند أخذ جانب الأمان بعين الاعتبار، يمكن لبروتوكولات أنظمة إنترنت الأشياء القياسيّة منع التجزئة الإضافيّة لحزم البيانات، وتقليل أخطار التهديدات الأمنيّة.

---

المصدر: هنا

ترجمة: زينب جواد، تدقيق لغوي: سلام أحمد، مراجعة وتصميم: علي العلي، تحرير: محمد حنان