پروتکل اینترنت اشیا

ما در این بخش به بررسی تعریف پروتکل ( پروتکل چیست) ، تعریف پروتکل اینترنت اشیا ( پروتکل اینترنت اشیا چیست) و کاربرد های آن ، انواع پروتکل های اینترنت اشیا ، معرفی پروتکل های اینترنت اشیا MQTT و HTTP و Coap و DDS و Zigbee و loRaWAN میپردازیم.

تعریف پروتکل :  به مجموعه ای از قوانین و سیاست هایی که باعث ارتباط و انتقال داده ها بین دستگاه های الکترونیکی بر اساس یک سری توافقات در مورد ساختار و نحوه ارسال و دریافت داده ها میشود ، پروتکل یا همان ( protocol ) گفته میشود.

در واقع اگر بخواهیم چند سیستم با هم ارتباط داشته باشند باید با استفاده از قوانین و مقررات موجود (که به این قوانین پروتکل گفته میشود ) اطلاعات را انتقال دهیم .

برای اینکه واضح تر توضیح دهیم پروتکل مانند زبان یک در انسان ها است. همانطور که انسانها برای ارتباط برقرار کردن و دادن اطلاعات از زبان استفاده میکنند ، کامپیوتر ها و دستگاه هایی که در شبکه ارتباطی یکدیگر قرار دارند هم از طریق پروتکل ارتباط برقرار میکنند.

زمانی که شما یک سیستم اینترنت اشیا ایجاد میکنید ، برای اینکه دستگاه های اینترنت اشیا به یکدیگر و به ابر و داشبورد و … متصل شوند و داده ها را ارسال کنند دنبال یک راه حل میگردید ، که این راه پروتکل اینترنت اشیا میباشد.

در واقع پروتکل اینترنت اشیا یک سری استاندارد هایی هستند که ارتباط بین اینترنت و دستگاه ها و انتقال داده ها بین آنها را میسر میکند.

اینترنت اشیا چیست؟

پروتکل های اینترنت اشیا به دو دسته تقسیم میشوند:

1. پروتکل های شبکه اینترنت اشیا

2. پروتکل های داده اینترنت اشیا

پروتکل های داده اینترنت اشیا عموما روی انتقال اطلاعات تمرکز دارند ولی پروتکل های شبکه اینترنت اشیا روش هایی برای ارتباط بین دستگاه های اینترنت اشیا با اینترنت یا با دیگر دستگاه ها ایجاد میکند.

پروتکل های شبکه اینترنت اشیا:

WiFi , LTE Cat1 , LTE Cat M1 , NB.IOT , Bluetooth , Zigbee , LoRaWAN , …

پروتکل های داده اینترنت اشیا:

MQTT , AMQP , HTTP , Coap , DDS , …

چون این پروتکل ها تنها راه ارتباطی بین سیستم اینترنت اشیا میباشد ، باید از پروتکل هایی که از امنیت بالایی برخوردارند استفاده کنیم تا هدف هکر ها نشویم.

پروتکل اینترنت اشیا MQTT یا ( Message Queue Telemetry Transport ) یک استاندارد برای ارتباطات سیستم های اینترنت اشیا میباشد . این پروتکل توسط OASIS و ISO استاندارد شده است و یک روش کاملا مورد اعتماد میباشد.

MQTT بسیار کم حجم میباشد و میتوان در شبکه هایی با پهنای باند کم هم از آن استفاده نمود. با کمک  MQTT میتوان پیام ها را با استفاده از TLS رمزگذاری کرد و با استفاده از پروتکل های احراز هویت مانند OAUTH به آسانی مشتریان را احراز نمود.

MQTT دارای سه سطح برای کیفیت سرویس هایش دارد:

1. هیچگونه گارانتی برای رسیدن پیام ها ندارد و حداکثر یک بار پیام تایید تحویل را ارسال میکند.
2. رسیدن پیام ها را گارانتی میکند و حداقل یک بار پیام تایید تحویل را ارسال میکند ولی ممکن است پیام ها تکراری باشد.
3. بالاترین سطح گارانتی را دارد و فقط یک بار پیام تایید تحویل را ارسال میکند و پیام تکراری ارسال نمیکند ولی این سطح بیشترین پهنای باند را دارد.

مزیت های پروتکل MQTT :

• مصرف انرژی پایین
• از پیام رسان دوطرفه برای ارتباط بین ابر و دستگاه ها استفاده میکند.
• قابلیت اتصال میلیون ها دستگاه را دارد.
• روی شبکه های غیر قابل اعتماد هم به خوبی کار میکند.
• میتوان با TLS و پروتکل های احراز هویت کار کرد زیرا حالت امنیت فعال است.
• قابلیت اطمینان تحویل پیام دارد.

پروتکل اینترنت اشیا HTTP یا ( HyperText Transfer Protocol ) یکی از متداول ترین پروتکل ها میباشد که احتمالا زیاد نام آن را شنیده باشید زیرا در شبکه جهانی وب از HTTP  استفاده میشود به این صورت که درابتدای هر آدرس سایت ، نام این پروتکل وجود دارد.

اما این پروتکل اینترنت اشیا غیر قابل اعتماد میباشد زیرا برای انتقال داده بین دو دستگاه ، یک اتصال همزمان برقرار میکند که مشکل آن اینجاست که ممکن است دستگاه ها همزمان آنلاین نباشند.

همچنین HTTP از طریق ASCII داده ها را انتقال میدهد که این روش برای انتقال داده هایی با بیت های کوچک که اکثر داده های اینترنت اشیا این گونه است و نیازمند پردازش بیشتری برای رمز گذاری و رمز گشایی پیام ها دارد ، یک روش نا کارآمد میباشد.

با توجه به دو مشکل فوق به این نتیجه میرسیم که  این پروتکل برای اینترنت اشیا خیلی مناسب نیست.

اما برای رفع مشکل رمز نگاری نشدن پروتکل HTTP و نا امن بودن آن ،  پروتکل  HTTPS ایجاد شده که باعث شدن پیام ها رمز نگاری شوند و هر کسی نتواند پیام ها را دریافت کند.

پروتکل اینترنت اشیا Coap یا ( Constrained Application Protocol ) توسط کار گروهی مهندسی اینترنت IETF طراحی شده است و برای دستگاه ها و شبکه های محدود مناسب است ولی چون اندازه بسته های شبکه را کاهش میدهد باعث کاهش لود اضافی پهنای باند شبکه میشود ، پس برای پروژه های اینترنت اشیا مناسب است.

Coap هم مانند HTTP از مدل REST پشتیبانی میکند. لینک های ارتباطی Coap به صورت 1:1 و مبتنی بر UDP میباشد پس تحویل پیام ها را تضمین نمیکند.

این پروتکل برای کار در شبکه های پرتراکم و جایی که دستگاه ها خیلی هوشمند و همیشه در دسترس نیستند ، مناسب است.

مشخصات پروتکل اینترنت اشیا coap:

• در مصرف باتری و فضای ذخیره صرفه جویی میکند و حجم داده های مورد نیاز را کاهش میدهد.
• مورد استفاده در برنامه های ماشین به ماشین ( M2M ) با نیاز های محدود
• انتقال پیام به صورت ناهمزمان
• دارای سربار بسیار کم
• برای انجام تجزیه وتحلیل بسیار ساده است
• از امنیت خوبی برخوردار است

پروتکل اینترنت اشیا DDS یا ( Data Distribution Service ) در سال 2004 منتشر شده است. این پروتکل برای سیستم هایی که به صورت real-time هستند ( شرایطی که انتقال داده ها باید به صورت بی درنگ و همان زمان انجام شود ) بسیار مناسب است مانند خودرو ها ، رباتیک و …

در DDS همه دستگاه های انتقال پیام و دستگاه های دریافت پیام در یک شبکه متصل هستند و این شبکه به عنوان فضای داده جهانی ( GDS )   شناخته میشود. داده ها را با اطمینان بالا و مقیاس پذیر با کارآیایی خوب انتقال میدهد. این پروتکل را بیشتر میتوان برای مدیریت انتقال داده بین دستگاه هایی با حجم کم و ارتباط داخلی شبکه های حسگر بزرگ ابر محور مناسب باشد. یکی از مزیت های مهم آن پشتیبانی از بیشتر زبان های برنامه نویسی میباشد.

در واقع DDS دارای دو بخش است: یک بخش پروتکل میان افزار که رابطه بین سیستم عامل و اپلیکیشن ها میباشد و یک بخش API رابط برنامه نویسی اپلیکیشن ها است.

پروتکل اینترنت اشیا zigbee از گیرنده و فرستنده های دیجیتال کم مصرف IEE برای شبکه های Wifi با نرخ ارسال داده پایین استفاده میکند. zigbee شکل ساده تر از بلوتوث برای شبکه های بیسیم میباشد که محدوده اتصال بین دستگاه های اینترنت اشیا 100 متر میباشد به همین دلیل بیشتر در خانه های هوشمند مورد استفاده است.

مشخصات پروتکل اینترنت اشیا zigbee :

• دارای برد کوتاه با هزینه پایین
• دارای ارتباط با سطح بالا
• امنیت بالا
• مصرف انرژی کم
• توان عملیاتی بالا
• قابل اعتماد

پروتکل اینترنت اشیا LoRaWAM روی شبکه گسترده LoRa میباشد و یک پروتکل بی سیم که برای برد های طولانی تا 10 مایل مورد استفاده قرار میگیرد که بیشتر برای شهر های هوشمند به کار میرود مانند چراغ های هوشمند و …. دارای توان کم ولی دارای حجم محدودی از 51 بایت تا 241 بایت که این عدد به سرعت داده بستگی دارد.

 

مشخصات پروتکل اینترنت اشیا LoRaWAM :

• کم مصرف ( مدت زمان باتری تا 10 سال )
• قابل اعتماد
• مناسب برای ارتباط های M2M و ثابت اینترنت اشیا
• مبتی بر ابر
• پشتیبانی از میلیون ها دستگاه
• دارای ارتباطات دو طرفه
• امنیت بالا
• پشتیبانی از پهنای باند باریک
• هزینه کم برای دستگاهها و تعمیر و نگهداری آنها