پروتکل‌های اینترنت اشیا بخش مهمی از تکنولوژیiot هستند که بدون آن‌ها نمی‌توان سیستمی را با این نوع روش پیاده‌سازی کرد. اگر تا به حال با مفهوم و کاربرد این تکنولوژی آشنا نیستید، ابتدا مقاله اینترنت اشیا چیست را مطالعه کنید؛ زیرا برای درک مطالب این مقاله دانستن مفهوم‌های ابتدایی بسیار اهمیت دارد.
پروتکل اینترنت اشیا چیست؟
اینترنت اشیا (iot) سیستمی است که به وسیله آن می‌توان تجهیزات الکترونیکی را در بستر اینترنت و از راه دور کنترل کرد. حال برای ارتباط بین دستگاه‌های هوشمند و انسان نیز باید طبق یک رویه مشخص و استاندارد این ارتباط را شکل داد که به آن پروتکل‌های اینترنت اشیا گفته می‌شود.
دلیل اصلی اهمیت پروتکل‌های iot از آن جهت است که سخت‌افزار‌های استفاده شده در این سیستم را قادر می‌سازد تا داده‌ها به روشی از قبل تعیین شده با هم مبادله اطلاعات انجام دهند؛ زیرا تجهیزات استفاده شده در اینترنت اشیا هر کدام دارای یک آی پی اختصاصی هستند.
به عبارتی دیگر پروتکل های iot به مجموعه‌ای از قواعد و قوانینی می‌گویند که چگونگی پاسخ دهی به دستورات را در سیستم اینترنت اشیا مشخص می‌کند. همچنین باعث می‌شود که از هرج و مرج جلوگیری کرده و با ایجاد یک رویه یکسان به سرعت و پایداری شبکه کمک شایانی کند.
دلیل اهمیت پروتکل های IoT چیست؟
انسان‌ها برای ارتباط با دیگران یک قوانین مشخص دارند. این قضیه در اینترنت اشیا نیز صدق می‌کند. وجود پروتکل‌های iot نیز برای توانمندسازی ارتباط امن بین اجزای مختلف این سیستم استفاده می‌شود. در واقع ارتباط از طریق پروتکل‌های درون سیستم تضمین می‌کند که داده‌های ارسالی از یک نقطه به نقطه دیگر مانند سنسور‌ها دریافت شده و در مراحل بعدی نیز استفاده شوند. فارغ از اینکه مراحل بعدی آن داده، یک اپلیکیشن باشد یا یک دستگاه نقطه پایانی دیگر یا یک دروازه.
پروتکل‌های اینترنت اشیا از اهمیت بالایی برخوردارند اما همه آن‌ها کارایی و عملکرد یکسانی ندارند. به‌عنوان مثال برخی از این پروتکل‌ها برای استفاده درون ساختمان مناسب هستند و برخی دیگر برای استقرار در بین ساختمان به خوبی کار می‌کنند. همچین نمونه‌های دیگری نیز وجود دارند که از آن‌ها برای استفاده از اینترنت اشیا ملی یا جهانی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
آشنایی با مهم‌ترین پروتکل‌های اینترنت اشیا
هر کدام از پروتکل‌های اینترنت اشیا قابلیت‌های منحصربه‌فردی دارند و نسبت به دیگری برای استقرار اینترنت اشیا نسبت به دیگر ترجیح داده شوند. در واقع هر پروتکل iot می‌تواند ارتباط دستگاه به دستگاه، دستگاه به دروازه یا دستگاه به مرکز داده یا ترکیبی از این ارتباطات پیچیده را فعال نمایند.
به همین خاطر برای استقرار اینترنت اشیا به‌صورت بهینه، عواملی مانند موقعیت مکانی خاص، وجود موانع فیزیکی، هزینه‌ها، نیاز‌های مصرف انرژی و گزینه‌های قابل کارکرد نیز اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کنند. در ادامه با انواع پروتکل‌های اینترنت اشیا آشنا می‌شویم:
-
- MQTT – Message Queue Telemetry Transport Protocol
-
- AMQP – Advanced Message Queuing Protocol
-
- CoAP – Constrained Application Protocol
-
- DDS – Data Distribution Service
-
- WIFI
-
- Bluetooth
-
- ZigBee
۱- پروتکل MQTT – Message Queue Telemetry Transport Protocol
پروتکلMQTT توسط آی‌بی‌ام طراحی شد جزء مهم‌ترین پروتکل‌های اینترنت اشیا محسوب می‌شود. این پروتکل که به ارتباط ماشین به ماشین معروف است به نوعی به ماشین‌های داخل سیستم اجازه می‌دهد که با یکدیگر به طور خودکار ارتباط برقرار کنند. پروتکل MQTT، پروتکل ساده‌ای است که داده‌ها را از سنسور‌ها دریافت می‌کند، تحویل دستگاه‌های پردازشگر می‌دهد و سپس نتیجه را به سمت شبکه منتقل می‌کند.
مدل پروتکل MQTT بر پایه مدل اشتراک، انتشار و کارگزار است. به این معنی که این پروتکل وظیفه جمع‌آوری اطلاعات و ارسال آن‌ها را به کاربران از طریقه لایه میانجی یعنی کارگزار برعهده دارد. همچنین پروتکل MQTT وظیفه دارد تا با بررسی متقابل تأیید ناشران و مشترکان امنیت شبکه را تضمین کند. نکته قابل توجه این است که این پروتکل روی پروتکل TCP/IP قادر به فعالیت است و نمی‌تواند برای تمامی اپلیکیشن‌های اینترنت اشیا مورد استفاده قرار گیرد.
۲- پروتکل AMQP – Advanced Message Queuing Protocol
از پروتکل AMQP برای محیط‌های مبتنی بر پیام استفاده می‌شود. این پروتکل برمبنای رویکرد صف‌بندی کار می‌کند و وظیفه ارسال پیام‌ها را به شکل مطمئن و ایمن برعهده دارد و اطلاعات را با ضریب اطیمنان بسیار بالا به مقصد ارسال می‌کند.
با استفاده از پروتکل AMQP منتشرکننده (publisher) و کلاینت (subscriber) می‌توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. بدین ترتیب پیام‌های publisher در قسمت carrier این پروتکل ذخیره و سپس با توجه به اولویت صف و خط امینیتی به سمت کلاینت (subscriber) ارسال می‌شود.
برای درک بهتر نحوه پروتکل AMQP می‌توانید مؤلفه‌های این پروتکل را در عکس بالا ببینید. همانطور که مشاهده می‌کنید قسمت message queue مسیر پیام‌ها را تا زمانی که برای پردازش با نرم‌افزار کلاینت آماده شوند در خود ذخیره می‌کند. مؤلفه binding نیز ارتباط بین exchange و message queue انجام می‌شود.
۳- پروتکل CoAP – Constrained Application Protocol
پروتکل CoAP یکی از کاربردی‌ترین پروتکل‌های اینترنت اشیا است که در تعدادی از گجت‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. زمانی که این پروتکل طراحی شد از آن برای ارتباطات ماشین به ماشین استفاده و به عنوان پروتکل جایگزین HTTP انتخاب شد.
این پروتکل تکنیکی مؤثر برای ارسال و دریافت اطلاعات بر مبنای قالب‌بندی XML ارائه می‌کند. همچنین از چهار پیام non-confirmable، confirmable، reset و acknowledgment که به اختصار به آن (ack) استفاده می‌کند.
در تکنولوژی اینترنت اشیا پروتکل CoAP بسیار کاربرد دارد؛ زیرا این پروتکل امکان ارتباط امن با قابلیت اطمینان بالا روی UDP را فراهم می‌کند. همچنین این امکان را دارد تا پیام ACK را به عنوان پاسخی استفاده کند تا گیرنده متوجه شود که پیامش به مقصد رسیده یا خیر.
۴- پروتکل DDS- Data-Distribution Service
پروتکل‌های اینترنت اشیا انواع مختلفی دارند که هر کدام برای یک سیستم کاربرد دارد. پروتکل DDS که به سرویس توضیع داده‌ها مشهور است، براساس روش انتشار و اشتراک داده توسعه داده شده است.
مهم‌ترین کاربرد اینترنت اشیا با استفاده از این پروتکل خودش را نشان می‌دهد. استفاده از این پروتکل برای ارتباط سریع ماشین به ماشین است. در واقع پروتکل DDS به راحتی داده‌های مقایس‌پذیر، قابل اعتماد و با کارایی بالا را بین دستگاه‌هایی مانند سخت‌افزار‌ها و پلتفرم‌های نرم‌افزاری امکان‌پذیر کرده است؛ زیرا این پروتکل برای ارسال و دریافت اطلاعات از معماری بدون واسطه و چند بخش برای ارائه QoS با اطمینان و کیفیت بالا استفاده می‌کند.
همانطور که می‌دانید پروتکل‌های اینترنت اشیا از معماری‌های مختلفی استفاده می‌کنند. معماری پروتکل DDS(Data-Distribution Service) مبتنی بر لایه انتشار – اشتراک داده (DCPS) و لایه بازسازی محلی داده (DLRL) است. وظیفه لایه (DCPS) توزیع داده قابل مقیاس، کارآمد و آگاهانه برای کاربران است؛ اما (DLRL) رابطی برای عملکرد‌های DCPS ارائه می‌دهد تا امکان ارسال و دریافت اطلاعات بین اشیاء (دستگاه‌ها و نرم‌افزارها) متصل به اینترنت اشیا را فراهم کند.
۵- پروتکل وای فای (WiFi)
امروزه وای فای (WIFI) یکی از جدیدترین و پرکاربردترین پروتکل‌های اینترنت اشیا محسوب می‌شود. ایجاد چنین پروتکلی نیازمند دستگاه‌هایی هستند که بتوانند سیگنال‌های وایرلس را ارسال و دریافت کنند. دستگاه‌هایی مانند روتر، تلفن و لپ تاپ یا کامپیوتر.
برای مصارف خانگی معمولاً از روتر برای متصل شدن به اینترنت و انتقال اطلاعات به یک شبکه خانگی یا اداری استفاده می‌شود. در این شرایط دستگاه‌های نزدیک به هم که در یک محدوده خاصی قرار دارند به وسیله پروتکل وای فای به یکدیگر وصل می‌شوند.
به‌غیر از این روش یکی دیگر از راه های استفاده از پروتکل وای فای ساخت یک Hotspot وای فای یا نقطه اتصال است؛ به این معنی که یک کامپیوتر یا موبایل هوشمند سینگال را در محیط پخش می‌کند تا یک اتصال بی‌سیم یا بی سیم را با دیگر دستگاه ها به اشتراک بگذارند.
به خاطر مزایایی که این پروتکل دارد از تکنولوژی آن برای طراحی خانه هوشمند استفاده می‌شود. از مزایای پروتکل WIFI می توان به قیمت پایین، ارتباط ساده، فیدبک پذیر بودن و سرعت قابل توجه اشاره کرد. همچنین معایبی همچون برد کوتاه، تداخل با عوامل محیطی مانند دیوارهای ساختمان ها و ارتباط اطلاعات تنها به صورت مستقیم بین ماژول ها با مودم وای فای اشاره کرد.
۶- پروتکل بلوتوث (Bluetooth)
بلوتوث یکی از شناخته شده ترین انواع پروتکل های اینترنت اشیا است. این پروتکل به دستگاه‌های مختلف امکان ارسال و دریافت متن، عکس یا هر اطلاعات دیگری را می‌دهد. پروتکل بلوتوث شامل سه کلاس توان انتقال در فضا باز است. در واقع تکنولوژی بلوتوث یک استاندارد باز است که برای موارد با برد کوتاه با محدوده ۱، ۱۰ و ۱۰۰ متر در فضای باز کاربرد دارد.
رایج‌ترین کلاس پروتکل بلوتوث مورد دوم یعنی ۱۰ متر است. این کلاس به کاربران اجازه می‌دهد تا به دستگاه‌های یکدیگر در اتاق یا حتی طبقات مختلف متصل شود. این پروتکل برای ارسال و دریافت اطلاعات از امواج رادیویی استفاده می‌کند. در واقع دستگاه‌هایی با فرکانس ۲٫۴ گیگاهرتز مانند آداپتور بلوتوث قابلیت این کار دارد که باید در دستگاه های مختلف وجود داشته باشد.
۷- پروتکل زیگبی (ZigBee)
طرح اولیه ZigBee در سال ۹۸ میلادی ایجاد، در سال ۲۰۰۳ استاندارد‌سازی و در سال ۲۰۰۶ مورد بازبینی قرار گرفت. نام این پروتکل از نوعی رقص که زنبور‌ها در زمان بازگشت به خانه انجام می‌دهند، الهام گرفته شده است.
این پروتکل بر اساس استاندارد IEEE 802.15.4 ساخته شده که برای پروتکل‌های ارتباطی رده بالا می‌باشد. این سیستم از رادیو‌های دیجیتال کم مصرف و کوچک برای ساخت شبکه‌های بی‌سیم شخصی کمک می‌گیرد. از آن‌ها در دستگاه‌های پزشکی، اتوماسیون‌های خانگی و سایر نیاز‌هایی که دارای مقیاس و پهنای باند کم و همچنین ارتباط بی‌سیم هستند مورد استفاده قرار می‌گیرد.
هدف اصلی پروتکل زیگبی ارزان‌تر و ساده‌تر بودن نسبت به شبکه‌های بی‌سیم دیگر مانند وای فای و بلوتوث است.
کاربرد زیگبی در سیستم‌های مدیریت ترافیک، چراغ‌های بی‌سیم برق، کنترل‌کننده‌های مصرف برق در نمایشگر‌های خانگی و همچنین هر گونه تجهیزات صنعتی دیگری که به انتقال داده به صورت کوتاه برد، با نرخ انتقال پایین و بی‌سیم نیاز دارند، می‌باشد.
به دلیل مصرف کم توان این سیستم فاصله انتقال آن بین ۱۰ تا ۱۰۰ متر می‌باشد که همین مقدار هم وابسته به عوامل محیطی است. برای افزایش فاصله در دستگاه‌های ZigBee می‌توان از روش گذراندن داده‌ها از یک شبکه توری با کمک دستگاه‌های واسطه استفاده کرد.
پروتکل زیگبی بیشتر در پروژه‌هایی که به عمر باتری زیاد، شبکه‌های ایمن و نرخ انتقال داده کم نیاز دارند مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این پروتکل برای ایمنی بیشتر از سیستم رمزنگاری ۱۲۸ بیتی استفاده شده است.
زیگبی برای قطعاتی که نیاز به نرخ انتقال داده ۲۵۰ کیلوبیت بر ثانیه و به صورت متناوب دارند بسیار کارایی دارد.
جمع بندی
در این مقاله از مجله IOT درباره پروتکل‌های اینترنت اشیا صحبت کردیم و مهم‌ترین پروتکل‌های IOT را معرفی کردیم. همانطور که می‌دانید هیچ پروتکلی به تنهایی بهترین نیست و نمی‌توان یک مدل را برای یک سیستم استفاده کرد. در واقع متخصصین اینترنت اشیا باید با آگاهی از نیاز و بازار کار و آگاهی از مزایا و معایب پروتکل‌های ارائه شده بتوانند مناسب‌ترین پروتکل‌های اینرتنت‌اشیا را انتخاب کنند.
سوالات متداول
انواع پروتکل های اینترنت اشیا را نام ببرید؟
پروتکل MQTT، AMQP، CoAP جزء مهم‌ترین پروتکل‌های IOT به حساب می‌آیند.
پرکاربردترین پروتکل های اینترنت اشیا در ایران را معرفی کنید؟
پروتکل WIFI یکی از پرکاربردترین پروتکل‌های IOT است که در هوشمندسازی منزل نیز کاربرد دارد.