عنوان معماری اینترنت اشیاء
نوع منبع مقاله
گروه اینترنت اشیاء
تاریخ انتشار ۲۳ / ۱۱ / ۱۳۹۴
خلاصه برای بهره برداری از پتانسیل های اینترنت اشیاء به مجموعه ای از فناوری ها نیاز است . شناخت دقیق و صحیح هر فناوری و نقش آن در اکو سیستم اینترنت اشیاء بدون وجود یک نگرش مبتنی بر معماری مشکل و گاها" غیرممکن است . بنابراین لازم است با یک رویکرد مبتنی بر معماری نگاهی داشته باشیم به اینترنت اشیاء و با لایه های مختلف آن آشنا شویم . تمامی سازمان هایی که قصد استفاده از پتانسیل اینترنت اشیاء را دارند ، در اولین مرحله می بایست نسبت به تدوین یک استراتژی مدون در این حوزه اقدام نمایند . تدوین استراتژی با تمرکز بر معماری اینترنت اشیاء می تواند درصد موفقیت اجرای استراتژی را به میزان قابل توجهی افزایش دهد . همچنین ، توجه به معماری اینترنت اشیاء برای شرکت هایی که قصد ورود به این بازار وسوسه انگیز را دارند می تواند بسیار جذاب و تامل برانگیز باشد .چراکه تنها با آشنایی دقیق با معماری اینترنت اشیاء و شناخت ظرفیت های موجود است که می توان ضمن شناسایی فرصت ها در این حوزه ، یک مدل کسب و کار منطقی را تعریف کرد .

قابلیت اتصال دنیای فیزیکی به اینترنت و سایر شبکه های داده دارای پیامدهای عمیق و گسترده ای بر جامعه و اقتصاد است . هم اینک به کمک فناوری اینترنت اشیاء می توان کارهایی نظیر مانیتورینگ و مدیریت اشیاء قرار گرفته شده در فاصله هزاران کیلومتر دورتر را انجام داد ، ردیابی کالاها در زمان حمل و نقل و گذر از اقیانوس ها و جاده ها را پوشش داد و یا تغییرات فشار خون و یا میزان قند خون که ممکن است نشانه ای از یک بیماری خاص باشد را به سرعت تشخیص داد . اینترنت اشیاء با تعریف مجدد نحوه درگیر شدن با دنیای فیزیکی شرایطی را فراهم می نماید که بتوان از روش های جدید مبتنی بر کامپیوتر برای کسب و کار استفاده کرد ، مدیریت زیرساخت های عمومی را انجام داد و یا تحولی را در شیوه زندگی بشریت ایجاد کرد . به جرات می توان گفت با تحقق موارد فوق ، با نسل جدیدی از فناوری اطلاعات مواجه خواهیم بود و در عمل شاهد حضور فعال  و همه جانبه فناوری اطلاعات در متن زندگی بشریت خواهیم بود .
شکل 1 ، مقایسه جمعیت جهان با تعداد دستگاه های متصل شده به شبکه در گذشته ، حال و آینده را نشان می دهد .

  مقایسه جمعیت جهان با تعداد دستگاه های متصل شده به شبکه
  شکل 1 : مقایسه جمعیت جهان با تعداد دستگاه های متصل شده به شبکه

قطعا اکثریت مخاطبان با اهمیت اینترنت اشیاء آشنا می باشند . انتشار مطالبی با عناوین  اینترنت اشیاء و تحلیل داده های عظیم  ، اینترنت اشیاء و ضرورت انتخاب یک پلت فرم مناسب داده  و   مقدمه ای بر اینترنت اشیاء و تاثیر آن بر داده    بر روی فابک با هدف تبین جایگاه برجسته اینترنت اشیاء از ابعاد مختلف خصوصا تاثیرگذاری آن بر روی زیرساخت های فعلی فناوری اطلاعات ، پلت فرم های داده و داده های عظیم انجام شده است . برای بهره برداری از پتانسیل های اینترنت اشیاء به مجموعه ای از فناوری ها نیاز خواهد بود . شناخت دقیق و صحیح هر فناوری و نقش آن در اکو سیستم اینترنت اشیاء بدون وجود یک نگرش مبتنی بر معماری مشکل و گاها" غیرممکن است . بر همین اساس و به دلیل اهمیت شناخت معماری اینترنت اشیاء ،  در ادامه با تمرکز بر این معماری با لایه های مختلف آن آشنا خواهیم شد .  

معماری اینترنت اشیاء
در شکل 2 یک معماری چهار لایه ای برای اینترنت اشیاء شامل لایه شبکه و اتصال حسگرها ، لایه شبکه و gateway ، لایه مدیریت سرویس و لایه برنامه نشان داده شده است .

   معماری چهار لایه ای اینترنت اشیاء
  شکل 2 :  معماری چهار لایه ای اینترنت اشیاء

همانگونه که در شکل 2 مشاهده می گردد ، در پایین ترین سطح  دارای یک شبکه حسگر هستیم که شامل حسگرها ، فعال کننده ها و تگ ها (به عنوان نمونه بارکد و یا RFID ) می باشد . در لایه شبکه و gateway  ، با یک شبکه WAN ، یک شبکه ارتباطی موبایل ، یک وای فای ، اترنت و موارد دیگر نظیر کنترل gateway مواجه هستیم . در لایه سرویس با مواردی همچون مدیریت جریان داده و کنترل امنیت مواجه خواهیم بود و در نهایت به لایه برنامه می رسیم که شاهد حضور تعداد بسیار زیادی از انواع برنامه ها در حوزه های محتلفی می باشیم . در ادامه با جزئیات هر لایه بیشتر آشنا می شویم .

لایه حسگرها
این لایه اتصال حسگر و شبکه ای را فراهم می نماید و شامل فناوری ها  و امکانات  متعددی است که در شکل 3 نشان داده شده است .
 
 لایه حسگرها در معماری اینترنت اشیاء 
  شکل 3 : لایه حسگرها در معماری اینترنت اشیاء
  •  در پایین ترین سطح تگ ها را داریم که شامل RFID و بارکد است و در روی آن ، حسگرها و فعال کننده ها قرار دارند .
  • در بالای حسگرها امکانات لازم شبکه ای پیش بینی شده است که می تواند به صورت شبکه های محلی ( به صورت کابلی و یا بی سیم ) و یا شبکه های شخصی با ابعاد کوچک ( به صورت کابلی و یا بی سیم  نظیر UMB , ZigBee,...) باشد .
  •  این لایه شامل حسگرها و دستگاه های هوشمند است .
  • اطلاعات به صورت بلادرنگ جمع آوری و پردازش می گردند .
  • توان مصرفی حسگرها و نرخ انتقال داده پایین است و به همین دلیل ما نیاز به یک شبکه حسگر بی سیم یا WSN ( برگرفته شده از Wireless sensor network ) داریم که بتواند پس از جمع آوری اطلاعات آنها را جهت پردازش در اختیار مقصد مورد نظر قرار دهد .
  • حسگرها بر اساس کاربرد و نوع های داده گروه بندی می شوند (نظیر حسگرهای محیطی ، حسگرهای نظامی ، حسگرهای بدن ، حسگرهای منزل و ....)
  •  حسگرهای تجمیع کننده ، به منزله واحدهای gateway می باشند  که امکان ارتباط آنها با شبکه وجود دارد .
  •  حسگرهایی  که نیاز به اتصال gateway ندارند ، می توانند مستیما و از طریق یک اینترفیس  WAN به اینترنت متصل شوند.
لایه شبکه و gateway
این لایه امکانات شبکه ای مورد نیاز را فراهم می نماید و فناوری های متعددی را به خدمت می گیرد . شکل 4 ، امکانات این لایه را نشان می دهد .

 لایه شبکه و gateawy در معماری اینترنت اشیاء
  شکل 4 : لایه شبکه و gateawy در معماری اینترنت اشیاء
  •  امکانات تعبیه شده در این لایه می بایست از حجم بالای داده اینترنت اشیاء تولید شده توسط حسگرهای بی سیم و دستگاه های هوشمند حمایت کند.
  •  عملکرد این لایه می بایست صرفنظر از ماهیت شبکه( خصوصی ، عمومی و یا ترکیبی ) ، مطمئن و مستحکم باشد.
  • ماژول های شبکه با هدف تامین نیازهای کیفیت سرویس (QoS )  برای تاخیر ، احتمالات خطاء ، مقیاس پذیری ، پهنای باند و امنیت با در نظر گرفتن استفاده بهینه از انرژی طرحی شده اند( مصرف پایین انرژی ).
  • خیلی مهم است که بتوان نوع های مختلف شبکه را درون یک پلت فرم اینترنت اشیاء یکپارچه کرد .
  •  حسگرهای اینترنت اشیاء به کمک فناوری های مختلف قادر به حمایت از پروتکل های مختلف و شبکه های ناهمگون می باشند .
  • انواع پروتکل ها به همراه شبکه های ناهمگون با استفاده از فناوری های مختلف ، تجمیع می گردند.
  • شبکه های اینترنت اشیاء می بایست مقیاس پذیر باشند تا بتوانند از مجموعه ای  گسترده از سرویس ها و برنامه ها بر روی شبکه های بسیار بزرگ بطرز موثری حمایت نمایند . برخی از این شبکه ها دارای پروتکل ها و نیاز های امنیتی مختص به خود می باشند .
لایه مدیریت سرویس
در این  لایه امکانات متعددی به منظور مدیریت سرویس ارایه شده است .توجه به امکانات این لایه خصوصا از منظر معماری سرویس محور بسیار حایز اهمیت است . چراکه بسیاری از برنامه ها در لایه برنامه مستقیما تحت تاثیر این معماری  قرار خواهند گرفت . شکل 5 ، امکانات پیش بینی شده در این لایه از معماری اینترنت اشیاء را نشان می دهد .
 
 لایه مدیریت سرویس در معماری اینترنت اشیاء
  شکل 5 : لایه مدیریت سرویس در معماری اینترنت اشیاء
  • مسئولیت تجزیه و تحلیل اطلاعات ، کنترل امنیت ، مدل سازی فرآیندها و مدیریت دستگاه را برعهده دارد
  • داده ارسالی از سمت حسگرها می تواند به صورت متناوب و یا نامتناوب باشد .
  •  داده حسگر اینترنت اشیاء که بطور متناوب ارسال می گردد نیازمند فیلترینگ می باشند . چراکه حجم داده ارسالی بسیار زیاد است و لازم است با توجه به نوع خواسته ،  فرآیند فیلترینگ بر روی آنها اعمال شود .
  • داده های نامتناوب ممکن است نیازمند تحویل فوری ( ارسال سریع ) و پاسخ مناسب باشند . چراکه این نوع داده ها ممکن است در ارتباط با یک رویداد خاص باشند . مثلا داده حسگر مربوط به بیماران اورژانسی (  ضربان قلب )  می بایست با اولویت بالا سریعا ارسال گردد .
  •  مدیریت جریان اطلاعات ، دستیابی اطلاعات ، یکپارچه سازی و مکانیزم های دستیابی به اطلاعات از دیگر وظایف مهم لایه سرویس معماری اینترنت اشیاء می باشد .
  • با توجه به حجم بالای داده ، نیاز به فرآیند استخراج اطلاعات وجود خواهد داشت تا بتوان بر اساس پردازش انجام شده به یک دید مناسب از داده های کلان دست یافت.
  • سرویس های اینترنت اشیاء می بایست امنیت ، حریم خصوصی ، محرمانگی و یکپارچگی را تضمین نمایند ( تایید هویت و مجوز اشیاء به اشیاء ، تایید هویت و مجوز کاربر به کاربر ، کنترل دستیابی شی به شی و ... )
لایه برنامه
در این  لایه شاهد حضور خانواده ای بزرگ از برنامه های کاربردی می باشیم که ممکن است مختص یک صنعت بخصوص (Vertical market ) و یا چندین صنعت ( Horizontal market) طراحی و پیاده سازی شده باشند  . شکل 6 ، نمونه هایی از برنامه های کاربردی را نشان می دهد.
 
 لایه برنامه در معماری اینترنت اشیاء
  شکل 6 : لایه برنامه در معماری اینترنت اشیاء
  •  صنایع مختلف می توانند با استفاده از برنامه های متنوع از اینترنت اشیاء برای بهبود خدمات خود استفاده نمایند .
  • برنامه ها را می توان بر اساس نوع شبکه دردسترس ، همگرایی ، اندازه ، مدل کسب و کار ، نیازهای بلادرنگ و... گروه بندی کرد .
  •   برخی از برنامه های اینترنت اشیاء مختص استفاده فردی و یا بکارگیری در منازل طراحی و پیاده سازی می گردند . ابعاد این نوع برنامه ها کوچک است و صرفا قادر به تامین خواسته تعداد اندک و محدودی از کاربران می باشند ( برنامه های شخصی و خانگی)
  • برخی از برنامه های اینترنت اشیاء در ابعاد بسیار بزرگی طراحی و پیاده سازی می شوند و می توان آنها را در سطح یک سازمان به خدمت گرفت ( برنامه های سازمانی )
  •  تلفن های هوشمند به دلیل ویژگی های برجسته ، دارای جایگاه ویژه و تعیین کننده ای در برنامه های اینترنت اشیاء می باشند.
  •  ابعاد شبکه ، پهنای باند مورد نیاز و نوع اتصال به شبکه در برنامه های اینترنت اشیاء متفاوت است و هریک  ملزومات مختص به خود را دارا می باشند . آشنایی با نیازهای هر برنامه در ایجاد زیرساخت لازم و بکارگیری فناوری مناسب در هر لایه بسیار ضروری است .
خلاصه
مهمترین هدف این مطلب آشنایی با کلیات معماری اینترنت اشیاء بود . در این راستا ، یک معماری چهار لایه ای برای اینترنت اشیاء معرفی گردید . در اولین لایه به کمک مجموعه ای از حسگرها و امکانات شبکه ای مورد نیاز ، داده جمع آوری و تجمیع می گردد تا در ادامه به کمک امکانات تعبیه شده در لایه دوم که کارکرد شبکه ای محض دارد ، داده جمع آوری شده در اختیار لایه سوم جهت مدیریت و پردازش های مورد نیاز گذاشته شود . ماحصل خدمات ارایه شده توسط سه لایه اشاره شده ، حضور قدرتمند نرم افزار در لایه چهارم است که با ارایه برنامه های متنوع مورد نیاز یک صنعت بخصوص و یا مجموعه ای از صنایع امکان بهره برداری از مزایای اینترنت اشیاء را در عمل محقق می نماید . تمامی سازمان هایی که قصد استفاده از پتانسیل اینترنت اشیاء را دارند ، در اولین مرحله می بایست نسبت به تدوین یک استراتژی مدون در این حوزه اقدام نمایند . تدوین استراتژی با تمرکز بر معماری اشاره شده می تواند میزان موفقیت در اجرای استراتژی  را به میزان قابل توجهی افزایش دهد . همچنین ، توجه به معماری اینترنت اشیاء برای شرکت هایی که قصد ورود به این بازار جذاب را دارند ضروری است .چراکه تنها با آشنایی دقیق با معماری اینترنت اشیاء و شناخت ظرفیت های موجود است که می توان ضمن شناسایی فرصت ها و تهدیدات ، یک مدل کسب و کار منطقی را تعریف  کرد .