میزان استفاده از دستگاه‌های متصل در شبکه IoT به سرعت در حال افزایش است به‌طوری که در سال 2020 تعداد اتصالات اینترنت اشیا یا دستگاه های به‌هم متصل در شبکه، برای اولین بار از تعداد دستگاه‌های گذشته که به طور مستقل عمل می‌کردند (مانند ماشین ضرف‌شویی‌های قدیمی) فراتر رفت. طبق گزارشات مبنی‌بر فناوری اینترنت اشیا در سال 2020، تا قبل از سال 2026 تعداد دستگاه‌های متصل IoT به سه برابر تعداد کنونی می‌رسد. در این مقاله بررسی انواع پروتکلهای اینترنت اشیا می‌پردازیم.
بخوانید: نرم افزار مانیتورینگ شبکه
چرا پروتکلهای اینترنت اشیا مهم هستند؟
اهمیت اینترنت اشیا از آن‌جاست که موجب ارتباط اجزای شبکه یا‌یکدیگر می‌شود و دادهها را از دستگاه‌های لبه (مانند سنسورها) در طول مسیر به سرورهای مرکزی (Device To Server) یا به سنسورهای دیگر (M2M) منتقل می‌کند.
این ارتباط از طریق پروتکلهای IoT انجام می‌شود، وجود پروتکلهای اینترنت اشیا تضمین‌می‌کند که داده‌های ارسال‌شده از دستگاه‌های لبه (سنسورها و تجهیزات هوشمند) توسط گیتوی، نرم‌افزار، سرور یا دستگاه دیگر قابل دریافت و فهم هستند؛
استانداردهای شبکه اینترنت اشیاء
پروتکلهای متعددی در دنیای اینترنت اشیا (IoT) وجود دارد که هر کدام قابلیت‌ها و ویژگی‌های خاصی را ارائه می‌دهند. این پروتکل‌ها برای فعالیت‌های خاصی طراحی شده‌اند و بسته به نیاز، ممکن است در یک پروژه انتخاب‌های زیادی وجود داشته باشد.
هر پروتکل IoT بسته به نوع آن می‌تواند سه نوع ارتباط را ایجاد کند: ارتباط دستگاه به دستگاه (Device-to-Device)، دستگاه به گیتوی (Device-to-Gateway) یا دستگاه به فضای ابری/مرکز داده (Device-to-Cloud/Data Center) یا سرور مرکزی. برخی پروتکل‌ها نیز ترکیبی از این نوع ارتباطات را پشتیبانی می‌کنند.
بخوانید: دما، رطوبت، آلودگی در مرکزداده
عواملی نظیر موقعیت جغرافیایی، نیاز به مصرف بهینه انرژی، دستگاه‌های باتری‌خور، وجود موانع فیزیکی و هزینه، تعیین می‌کنند که کدام پروتکل برای یک پروژه IoT بهترین انتخاب خواهد بود.
رایج‌ترین استاندارد‌ها و پروتکلهای اینترنت اشیا کدامند؟
هنگام طراحی و ایجاد یک شبکه برای اتصال دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT)، گزینه‌های متعددی از پروتکلهای ارتباطی در اختیار شما قرار دارد. برخی از رایج‌ترین و پرکاربردترین پروتکلهای اینترنت اشیا عبارت‌اند از:
1. ارتباط دستگاه با دستگاه (Machine-to-Machine – M2M)
پروتکل‌هایی که معمولا برای ارتباطات بین دستگاهی استفاده می‌شوند شامل انواع زیر هستند:
بلوتوث (Bluetooth)
یک فناوری بی‌سیم است که در فواصل کوتاه با استفاده از امواج رادیویی با فرکانس بالا با طول موج پایین کار می‌کند. احتمالاً آن را برای پخش موسیقی با هدفون از طریق اتصال به تلفن‌های همراه دیده‌اید، اما کاربردهای بیشتری هم دارد و برای اتصال انواع دستگاه‌های بی‌سیم بسیار مناسب است. این فناوری به دلیل مصرف بسیار کم انرژی و برد کوتاه، برای گجت‌های شخصی، اتصال به شبکه PAN در برخی کاربردهای اینترنت اشیا (IoT) ایده‌آل است.
نسخه جدیدتری به نام بلوتوث کم‌مصرف (Bluetooth Low Energy یا BLE) هم وجود دارد. همان‌طور که از اسمش پیداست، BLE انرژی کمتری نسبت به بلوتوث معمولی مصرف می‌کند. این ویژگی آن را برای دستگاه‌هایی که باید مدت زیادی با باتری کوچک کار کنند، مثل ردیاب‌های تناسب اندام، تجهیزات خانه هوشمند، یا حتی کمک به مسیریابی در فروشگاه‌ها، بسیار کاربردی کرده است. BLE به‌طور خاص برای کاربرد در فناوری IoT طراحی شده و گزینه‌ای هوشمندانه برای بسیاری از برنامه‌های مدرن محسوب می‌شود.
- طوری طراحی شده که مصرف باتری خیلی کمی داشته باشد، بنابراین برای دستگاه‌هایی که باید مدت طولانی بدون نیاز به شارژ کار کنند، بسیار ایده‌آل است.
- با بیشتر گوشی‌های هوشمند، ساعت‌های هوشمند، و دستبندهای تناسب اندام سازگاری دارد
- کاربرد: دستگاه‌هایی مثل ردیاب‌های سلامتی، سنسورهای اینترنت اشیاء و…
AMQP
مخفف Advanced Message Queuing Protocol، روش و استانداردی برای ارسال و دریافت پیام بین سیستم‌های مختلف است. به‌نوعی، مثل یک زبان مشترک عمل می‌کند که ارتباط بین سیستم‌ها را ساده و امن می‌سازد، حتی اگر سیستم‌ها فاصله زیادی باهم داشته باشند یا ارتباط ضعیفی وجود داشته باشد. همچنین، این پروتکل زمانی که سیستم‌ها هم‌زمان آنلاین نیستند، همچنان ارتباط را برقرار نگه‌می‌دارد.
- پیام‌ها را به‌صورت امن ارسال و دریافت می‌کند، بنابراین هیچ داده مهمی از بین نمی‌رود.
- از مسیریابی پیشرفته و صف‌بندی پیام‌ها پشتیبانی می‌کند، که مدیریت و پردازش پیام‌ها را آسان‌تر و کارآمدتر می‌کند.
- مناسب برای کسب‌وکارهایی که به ارتباطاتی پایدار نیاز دارند، مانند شرکت‌های بزرگ یا سیستم‌های مالی.
- ایده‌آل برای کاربردهای مبتنی اینترنت اشیا (IoT) که نیاز به ارسال و دریافت دادهها به‌صورت مداوم و امن دارند.
Zigbee
یک پروتکل شبکه مش (Mesh) است که برای اتوماسیون ساختمان‌ها و خانه‌ها طراحی شده و یکی از پرکاربردترین پروتکلهای اینترنت اشیا مش محسوب می‌شود. این پروتکل برد کوتاه و مصرف انرژی بسیار پایینی دارد، اما قابلیت گسترش ارتباط بین چندین دستگاه را به طور هم‌زمان دارد. برد آن از BLE بیشتر است، اما نرخ انتقال داده‌ی پایین‌تری نسبت به BLE دارد. Zigbee Alliance مسئول مدیریت و توسعه این پروتکل است که ویژگی‌هایی مانند پشتیبانی و مصرف بهینه انرژی را به کاربران ارائه می‌دهد.
زد-ویو (Z-Wave)
- مشابه زیگبی، اما مخصوص اتوماسیون خانه‌های هوشمند طراحی شده است.
- Z-Wave یک پروتکل ارتباطی IoT بی‌سیم شبکه مدل MESH
- یک شبکه امن ایجاد می‌کند که با رمزگذاری، از اطالاعات انتقالی دستگاه‌های اینترنت اشیا محافظت می‌کند.
- بیشتر در خانه‌ها استفاده می‌شود، برای وسایلی مثل چراغ‌های هوشمند، ترموستات‌ها، و سیستم‌های امنیتی، اما در محیط‌های تجاری هم برای مدیریت صحیح انرژی کاربرد دارد.
- روی یک فرکانس رادیویی خاص کار می‌کند (908.42 مگاهرتز در آمریکا)، اما این فرکانس ممکن است در کشورهای مختلف تغییر کند.
- · Z-Wave Alliance (جمعی از شرکت‌ها) از این فناوری پشتیبانی می‌کند تا دستگاه‌ها با هم سازگار باشند و این تکنولوژی پیشرفت کند.
مودباس (Modbus)
مورد استفاده در اتوماسیون صنعتی برای ارتباط بین PLC ها، حسگرها و دستگاه‌ها. پروتکلی که توسط تیم سپهر انفورماتیک درخشان برای محصولات IoT ایجاد شده و شیوه تبادل تازه‌ای میان دستگاه‌های IoT ایجاد کرده است.
Modbus یک پروتکل ارتباطی است که برای سیستم‌های اتوماسیون صنعتی استفاده می‌شود. از آن زمان، به دلیل سادگی، امنیت، دسترسی بیشتر به داده‌های دستگاه‌های اینترنت اشیاء و انتقال داده بین آنها، این پروتکل به یکی از پرکاربردترین پروتکلهای ارتباطی در محیط‌های صنعتی تبدیل شده است. Modbus باعث ارتباط بهتر دستگاه‌های مختلفی مانند کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر (PLC)، حسگرها و عملگرها از طریق شبکه می‌شود.
قبلا درباره مودباس مقاله‌ای به صورت کامل بارگزاری شده است.
بخوانید: پروتکل مودباس چیست؟
DDS (Data Distribution Service)
یا سرویس توزیع داده که توسط Object Management Group (OMG) توسعه یافته است، یک استاندارد ارتباطی برای سیستم‌های حساس به زمان محسوب می‌شود. به زبان ساده، DDS یک فناوری هوشمند است که به اجزای مختلف یک سیستم کمک می‌کند تا اطلاعات را با سرعت بالا و به‌صورت امن به اشتراک بگذارند.
ویژگی‌های DDS:
- مانند یک واسط میانجی (Middleware) عمل می‌کند که دستگاه‌ها یا اجزای مختلف یک سیستم را به‌هم متصل می‌کند.
- برای اسفاده در اینترنت اشیای صنعتی (IIoT) یا عملیات‌های حساس‌به‌زمان بسیار کاربردی است.
- از مدل انتشار-اشتراک (Publish-Subscribe) استفاده می‌کند؛ یعنی دستگاه‌هایی که داده ارسال‌می‌کنند (انتشار‌دهنده‌ها) فقط به دستگاه‌هایی که به آن داده نیاز دارند (مشترک‌ها) اطلاعات ارسال‌می‌کنند.
2. ارتباط دستگاه با سرور (Device-to-Server Communication)
پروتکلهای IoT ارتباط دستگاه با سرور برای ارسال دادهها از دستگاه‌ها به سرور مرکزی (ابری یا محلی) برای پردازش، تحلیل یا ذخیره‌سازی طراحی شده‌اند. این پروتکل‌ها معمولاً ارتباط سبک و بهینه برای پهنای باند یا توان کم دارند.
MQTT
· پروتکل MQTT که در ابتدا در سال 1999 با نام کامل Message Queuing Telemetry Transport معرفی شد، امروزه فقط با نام MQTT شناخته می‌شود و دیگر از صف‌بندی پیام‌ها استفاده نمی‌کند. پروتکلهای اینترنت اشیا MQTT از معماری ساده‌ی انتشار-اشتراک برای ارتباط بین دستگاه‌ها (M2M) بهره‌‌می‌برند و به‌طور خاص برای دستگاه‌هایی با منابع محدود، مانند حسگرها و دستگاه‌های موبایل، طراحی شده‌اند. MQTT در شرایطی که شبکه ناپایدار یا پهنای باند محدود است، عملکرد بسیار خوبی دارد. به دلیل سادگی و کارایی بالا، این پروتکل به یکی از محبوب‌ترین گزینه‌ها برای اتصال دستگاه‌ها در سیستم‌های اینترنت اشیا (IoT) و اینترنت اشیای صنعتی (IIoT) تبدیل شده است. هرچند که در ابتدا یک پروتکل اختصاصی بود، اما امروزه به‌عنوان استاندارد متن‌باز پیشرو در این حوزه شناخته می‌شود.
- اطمینان از کیفیت ارسال دادهها با مدیریت نحوه ارسال و دریافت پیام‌ها
- مناسب برای سیستم‌هایی که به پاسخ‌دهی سریع با امنیت بالا نیاز دارند، مثل سیستم‌هایی که تاخیر یا خطا در آنها قابل قبول نیست
- کاربرد: در صنایع مانند هوافضا، دفاع، خودروهای خودران و اتوماسیون صنعتی
HTTP/CoAP
پروتکل CoAP (مخفف Constrained Application Protocol) یک پروتکل ارتباطی IoT است که در سال ۲۰۱۳ توسط گروه IETF برای هماهنگی دستگاه‌های IoT با سیستم‌های مبتنی بر HTTP طراحی شد. این پروتکل را می‌توان به‌عنوان نسخه‌ای سبک از HTTP در نظر گرفت که برای دستگاه‌های کوچک و کم‌مصرف طراحی شده است.
CoAP از پروتکل UDP (User Datagram Protocol) برای ارسال و دریافت دادهها به‌صورت امن بین دستگاه‌های مختلف استفاده می‌کند. این پروتکل بیشتر در ارتباطات ماشین‌به‌ماشین (M2M) به کار می‌رود، جایی که دستگاه‌هایی مانند سنسورها و گجت‌های هوشمند نیاز دارند در یک محیط IoT با هم ارتباط برقرار کنند.
ویژگی منحصر به فرد CoAP این است که حتی در شرایط سخت نیز به‌خوبی کار می‌کند، مثلاً زمانی که دستگاه‌ها با پهنای باند محدود، انرژی کم یا کمبود دستگاه مواجه هستند. به‌همین‌دلیل، این پروتکل برای دستگاه‌های IoT کوچک مانند سنسورها، در مناطق دورافتاده یا گجت‌های کم‌مصرف ایده‌آل است.
- برای دستگاه‌های کوچک و کم‌مصرف ایده‌آل است.
- از ارسال پیام به چند دستگاه به‌طور هم‌زمان (چندپخشی یا multicast) پشتیبانی می‌کند
- پیام‌های این سیستم به‌راحتی به HTTP تبدیل می‌شوند، که ادغام آن با سیستم‌های مبتنی بر وب را ساده می‌کند.
- مناسب برای استفاده در زمینه بهینه‌سازی انرژی (مانند کنتورهای هوشمند) و اتوماسیون ساختمان (مانند کنترل روشنایی، سیستم‌های تهویه مطبوع، یا امنیت).
MIOTY
یک پروتکل ارتباطی با برد بلند و مصرف توان پایین است که برای شبکه‌های بزرگ اینترنت اشیا (IoT) طراحی شده است. این پروتکل با استفاده از فناوری پیشرفته Telegram Splitting، می‌تواند به ازای هر گیتوی (Gateway)، تا ۱ میلیون دستگاه را پشتیبانی کند و حتی در محیط‌های پر‌نویز و با تداخل زیاد به شکل بی‌نقصی کار کند.
قبلا مقاله‌ای دراین‌باره گذاشته شده، سپهر انفورماتیک درخشان دارای سال‌ها تجربه در زمینه اینترنت اشیا، از این پروتکل در دستگاه‌های خود استفاده کرده تا ارتباطی امن میان دستگاه‌ها برقرار شود.
بخوانید: MIoTy چیست؟
XMPP
XMPP یا “پروتکل پیام‌رسانی و حضور توسعه‌پذیر” در اوایل دهه 2000 برای ارتباطات آنی مثل چت آنلاین ایجاد شد. اما به مرور زمان توسعه پیدا کرد و حالا برای ارتباط بین‌اشینی (دستگاه‌های اینترنت اشیاء) هم استفاده می‌شود. امروزه XMPP به‌طور گسترده برای ارتباطات بین دستگاه‌ها، مثل وسایل هوشمند خانگی، به کار می‌رود. XMPP متن‌باز است و هر کسی می‌تواند از آن استفاده کند یا آن را بهبود دهد. بنیاد استانداردهای XMPP همواره این پروتکل IoT را به‌روز نگه می‌دارد، که این باعث شده انتخاب مناسبی برای دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT) باشد تا به راحتی با هم ارتباط برقرار کنند و دادهها به صورت XML data را به طور موثر انتقال دهند.
- برای ارتباطات لحظه‌ای عالی است، بنابراین پیام‌ها یا به‌روزرسانی‌ها فوراً ارسال و دریافت می‌شوند.
- اطلاعات شما را ایمن نگه می‌دارد با ابزارهای امنیتی مثل محافظت هنگام ورود (SASL) و رمزنگاری (TLS).
- کاربرد: در اپلیکیشن‌های چت، بازی‌های آنلاین، و شبکه‌های اجتماعی که ارتباط سریع و امن، اهمیت زیادی دارد.
3. ارتباط دستگاه با دستگاه و دستگاه با سرور
برخی از پروتکلهای اینترنت اشیا انعطاف‌پذیر هستند و از هر دو نوع ارتباط (M2M و دستگاه با سرور) پشتیبانی می‌کنند.
LoRa/ LoRaWAN
LoRa (مخفف “Long Range”) یک فناوری بی‌سیم است که همان‌طور که از نامش پیداست، توانایی پشتیبانی از ارتباط دوربرد را دارد. این فناوری انرژی بسیار کمی مصرف می‌کند و دادهها را به‌صورت امن انتقال می‌دهد، که آن را برای استفاده در دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT) و ایجاد ارتباط ماشینی ایده‌آل می‌سازد.
LoRa یک فناوری اختصاصی است که اکنون بخشی از پلتفرم فرکانس رادیویی شرکت Semtech است. سازمان LoRa Alliance که توسط Semtech تأسیس شده، مسئولیت مدیریت و توسعه این فناوری را بر‌عهده دارد. همچنین، این سازمان پروتکل LoRaWAN را طراحی و نگهداری می‌کند که یک پروتکل مبتنی بر ابر (Cloud) و باز است و به دستگاه‌های IoT امکان ارتباط و انتقال داده به سرور مرکزی با استفاده از فناوری LoRa و Gatewayهای خاص را می‌دهد.
بخوانید: پروتکل لورا چیست؟
شبکه سلولی (Cellular)
- ارتباطات گسترده دستگاه‌ها با سرورها از طریق LTE، 5G و غیره.
- شبکه‌های سلولار یکی از محبوب‌ترین گزینه‌ها برای استفاده در دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT) هستند، به‌ویژه زمانی که دستگاه‌ها نیاز به برقراری ارتباط در فواصل طولانی دارند. اگرچه استانداردهای قدیمی‌تر مانند 2G و 3G کمتر در حال استفاده و تحت پشتیبانی هستند، اما شبکه‌های جدیدتر و سریع‌تر مانند 4G/LTE و 5G به سرعت در حال گسترش‌اند.
- شبکه‌های سلولار برای ارسال حجم داده زیاد بسیار مناسب هستند و ارتباطات سریع و قابل اعتمادی را ارائه می‌دهند که برای بسیاری از دستگاه‌های مبتنی بر IoT ضروری است. اما این مزایا هزینه‌‌ای در‌پی دارد دارد: استفاده از این شبکه‌ها معمولاً گران‌تر است و انرژی بیشتری مصرف می‌کنند، که ممکن است برای دستگاه‌هایی که باید به صورت طولانی‌مدت با باتری کار کنند، مناسب نباشد.
نتیجه‌گیری
پروتکلهای اینترنت اشیا (IoT) ستون اصلی یک ارتباط موثر بین دستگاه‌ها، دروازه‌ها و فضای ابری است به‌طوری که با ارزیابی دقیق نیاز‌های پیشرو از‌جمله نحوه پیاده‌سازی، مقیاس، مصرف انرژی و شرایط ارسال داده، شرکت‌ها و سازمان‌ها می‌توانند مناسب‌ترین پروتکل را برای ایجاد یک راهکار پایدار و قابل گسترش در اینترنت اشیا انتخاب کنند. با سپهر انفورماتیک درخشان به دنیای تازه‌ای از پروتکلهای اینترنت اشیا آشنا شوید و شبکه خود را ارتقا بخشید.
