مقدمه‌ای بر اینترنت اشیا

ترجمه مقاله ای از: پرادیومنا گوخیل، اومکار بهات، ساگار بهات

کاری از: خانم ها سایدا سربازی و ساینا سربازی

زیر نظر: مهندس مهدی سربازی

چکیده:

عبارت اینترنت اشیا (IOT) اشاره به متصل کردن وسایل و اشیای فیزیکی گوناگون در سراسر جهان به اینترنت دارد. عبارت اینترنت اشیا را نخستین بار کوین اشتون در سال 1999 پیشنهاد کرد. بخش زیر، اصول اینترنت اشیا را توضیح می‌دهد. این با لایه‌های مختلف به کار رفته در اینترنت اشیا و برخی اصطلاحات اساسی مربوط به آن سروکار دارد. این اصولاً بسط و گسترش خدماتی است که اینترنت ارائه کرده است. این بخش معماری اینترنت اشیا را نیز ارائه می‌کند. برای نمونه، وقتی وسایل خانگی زندگی روزمره ما به اینترنت متصل می‌شوند، می‌توان این سیستم را یک خانه هوشمند در محیط اینترنت اشیا نامید. اینترنت اشیا تنها بینشی عمیق برای آینده نیست. این حالا دیگر به کار برده می‌شود و بر روی بیش از پیشرفت فناورانه تأثیر می‌گذارد.

کلیدواژه‌ها: اینترنت اشیا، معماری خدمات محور

1. مقدمه

اینترنت اشیا شبکه‌ای از اشیای فیزیکی، دستگاه‌ها، ابزارها، وسایل نقلیه، ساختمان‌ها و موارد دیگر به کار رفته در الکترونیک، مدارات، نرم‌افزارها، حسگرها و قابلیت ارتباط شبکه‌ای است که به این اشیا امکان می‌دهد که داده‌ها را گردآوری و مبادله کنند. اینترنت اشیا این امکان را فراهم می‌کند که بتوان اشیا از راه دور را با زیرساختار شبکه موجود، احساس و کنترل کرد، و نیز فرصت‌هایی برای ادغام مستقیم جهان فیزیکی در سیستم‌های مبتنی بر کامپیوتر ارائه می‌کند، که این منجر به بازده و دقت بهتر می‌شود.

مفهوم شبکه دستگاه‌های هوشمند برای نخستین بار در سال 1982 بحث شد، و ماشین ساخت نوشابه اصلاح شده در دانشگاه کارنگی ملون به نخستین دستگاه متصل به اینترنت تبدیل شد [3]، دستگاهی که می‌توانست موجودی انبار خود را گزارش کند و بگوید که آیا نوشیدنی‌های تازه بارگیری شده خنک هستند یا نه. کوین اشتون (متولد 1968) یک پیشگام فناوری بریتانیایی است که به خاطر ابداع اصطلاح «اینترنت اشیا» مشهور است. این اصطلاح سیستمی را توصیف می‌کند که در آن، اینترنت از طریق حسگرهای همه جا حاضر، به جهان فیزیکی متصل می‌شود.

اینترنت اشیا می‌تواند بدون دخالت انسان به اینترنت متصل شود. برخی از نخستین دستگاه‌های اینترنت اشیا حالا در مراقبت از سلامتی، حمل‌ونقل و صنایع خودروسازی توسعه یافته‌اند. فناوری‌های اینترنت اشیا در مراحل اولیه رشد خود هستند؛ اما بسیاری از پیشرفت‌های جدید در ادغام اشیا با حسگرها در اینترنت روی داده‌اند. پیشرفت اینترنت اشیا شامل مسائل زیادی از جمله زیرساختار، ارتباطات، رابط‌ها، پروتکل‌ها و استانداردها است. هدف این مقاله آن است که مفهومی کلی از اینترنت اشیا، معماری و لایه‌های موجود در اینترنت اشیا، برخی از اصطلاحات اساسی مربوط به آن و خدمات ارائه شده را ارائه کند.

مفهوم اینترنت اشیا

کوین اشتون نخستین کسی که مفهوم اینترنت اشیا را در سال 1999 پیشنهاد کرد. او اینترنت اشیا را اشیای شناخته شده‌ای می‌داند که با فناوری شناسایی فرکانس رادیویی (RFID) به هم متصل شده‌اند. اما تعریف دقیق اینترنت اشیا همچنان در حال تغییر و تحول است و تابع دیدگاه‌های اتخاذ شده است. اینترنت اشیا معمولاً به این صورت تعریف می‌شود: «زیرساختار شبکه جهانی پویا با قابلیت‌های خودپیکربندی بر اساس استانداردها و پروتکل‌های ارتباطی».

تصویر 2.1. تحول اینترنت [1]
تصویر 2.1. تحول اینترنت [1]


با نگاهی به تحول اینترنت می‌توانیم این را در پنج زمینه دسته‌بندی کنیم:

1. اینترنت اسناد – کتابخانه‌های الکترونیکی، صفحات وب مبتنی بر اسناد.

2. اینترنت تجارت – وب‌سایت‌های تجارت الکترونیکی، بانکداری الکترونیکی و مبادله سهام.

3. اینترنت اپلیکیشن‌ها – وب 2.0

4. اینترنت مردم – شبکه‌های اجتماعی.

5. اینترنت اشیا – دستگاه‌ها و ماشین‌های متصل‌به‌هم.

اشیای فیزیکی و مجازی در اینترنت اشیا، هویت و ویژگی‌های خودشان را دارند و می‌توانند از رابط‌های هوشمند استفاده کنند و می‌توان آن‌ها را به عنوان یک شبکه اطلاعات با هم ادغام کرد. به زبان ساده، می‌توان اینترنت اشیا را مجموعه‌ای از دستگاه‌های متصل‌به‌هم دانست که به طور منحصربه‌فردی قابل‌شناسایی هستند. کلمات «اینترنت» و «اشیا» به معنای شبکه جهان‌گستر متصل‌به‌هم بر اساس حسگرها، ارتباط، شبکه‌سازی و فناوری‌های پردازش اطلاعات هستند، که احتمالاً نسخه جدیدی از فناوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) باشند. تا به امروز، شماری از فناوری‌ها وارد کار اینترنت اشیا شده‌اند، مانند شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSN)، بارکدها، حسگری هوشمند، شناسایی فرکانس رادیویی، فناوری‌های ارتباط از نزدیک، ارتباطات بی‌سیم انرژی پایین، رایانش ابری و غیره.

اینترنت اشیا نشان دهنده نسل جدید اینترنت است، که آنجا می‌توان از طریق اینترنت به اشیای فیزیکی دسترسی داشت و آن‌ها را شناسایی کرد. بسته به اجرای فناوری‌های گوناگون، تعریف اینترنت اشیا تغییر می‌کند. اما مبانی اینترنت اشیا نشان می‌دهد که می‌توان اشیای موجود در اینترنت اشیا به طور یکتا در بازنمایی‌های مجازی شناسایی کرد. در یک اینترنت اشیا، همه چیزها می‌توانند داده‌ها را مبادله کنند، و در صورت لزوم، طبق طرح‌های از پیش تعریف شده، داده‌ها را پردازش کنند.

3. معماری اینترنت اشیا

یک الزام اساسی اینترنت اشیا این است که چیزهای موجود در شبکه باید به همدیگر متصل شوند. معماری سیستم اینترنت اشیا باید عملیات‌های اینترنت اشیا را تضمین کند، که این جهان فیزیکی و جهان مجازی را به هم متصل می‌کند. با وجود اینکه معماری اینترنت اشیا شامل عوامل زیادی از جمله شبکه‌سازی، ارتباط و پردازش و غیره است، اما در طراحی معماری اینترنت اشیا، باید توسعه‌پذیری، مقیاس‌پذیری و قابلیت اجرا میان دستگاه‌ها را در نظر گرفت. به خاطر اینکه چیزها ممکن است حرکت کنند و باید با چیزهای موجود در حالت واقعی تعامل داشته باشند، معماری اینترنت اشیا باید تطبیق‌پذیر باشد تا دستگاه‌ها به طور پویا با هم تعامل داشته باشند و از ارتباط میان خودشان پشتیبانی کنند. به علاوه، اینترنت اشیا باید دارای ماهیتی نامتمرکز و ناهمگون باشد.

3.1. معماری خدمات محور

یک نیاز اساسی اینترنت اشیا این است که چیزهای موجود در شبکه باید میان خود ارتباط داشته باشند. معماری سیستم اینترنت اشیا باید عملیات‌های اینترنت اشیا را تضمین کند، که این شکاف میان جهان فیزیکی و جهان مجازی را پل می‌زد. طراحی معماری اینترنت اشیا شامل عوامل زیادی مانند شبکه‌سازی، ارتباطات، مدل‌های کسب‌وکار، پردازش‌ها و امنیت است. در طراحی معماری اینترنت اشیا، باید توسعه‌پذیری، مقیاس‌پذیری و تعامل‌پذیری میان دستگاه‌های ناهمگون و مدل‌هایشان را در نظر گرفت. به خاطر اینکه چیزها ممکن است به طور فیزیکی حرکت کنند با در حال واقعی با همدیگر تعامل داشته باشند، معماری اینترنت اشیا باید تطبیق‌پذیر باشد تا وسایل بتوانند به طور پویا با چیزهای دیگر تعامل داشته باشند و از ارتباط شفاف رویدادها پشتیبانی کنند.

تصویر 3.1.1. لایه‌های معماری اینترنت اشیا [2]
تصویر 3.1.1. لایه‌های معماری اینترنت اشیا [2]


تصویر 3.1.1. لایه‌های معماری اینترنت اشیا [2] معماری خدمات محور یک سیستم پیچیده را مجموعه‌ای از اشیا و زیرسیستم‌های ساده و معین تصور می‌کند. می‌توان آن اشیا یا زیرسیستم‌ها را دوباره به کار برد و تک‌تک آن‌ها را حفظ کرد؛ بنابراین می‌توان اجزای نرم‌افزاری و سخت‌افزاری موجود در یک اینترنت اشیا را به طور مؤثری دوباره به کار برد و ارتقا داد. به خاطر این مزایا، معماری خدمات محور عمدتاً به عنوان یک معماری رایج به کار رفته است.

معماری خدمات محور که شامل چهار لایه با عملکردهای متمایز است، به شیوه‌های متعددی، تعامل‌پذیری میان دستگاه‌ها را ممکن می‌سازد. این شیوه‌ها عبارت‌اند از:

لایه حسگر که با همه اشیای (چیزهای) موجود ادغام می‌شود تا وضعیتشان را درک کند.

لایه شبکه، زیربنایی برای پشتیبانی از ارتباطات بی‌سیم یا باسیم میان چیزها است.

لایه خدماتی خدمات مورد نیاز کاربران یا دستگاه‌ها را می‌سازد و مدیریت می‌کند

لایه رابط شامل شیوه‌های تعامل با کاربران و دستگاه‌ها است.

3.1.1. لایه حسگر

انتظار می‌رود که اینترنت اشیا یک شبکه گسترده فیزیکی متصل‌به‌هم باشد که در آن، چیزها همواره به هم متصل هستند و می‌توان از هر جا آن‌ها را کنترل کرد. در لایه حسگر، سیستم‌های هوشمند طبق تگ‌ها یا حسگرها، قادرند که به طور خودکار محیط را درک کنند و داده‌ها را میان وسایل مبادله کنند. می‌توان چیزها را به طور منحصربه‌فردی شناسایی کرد و می‌توان محیط‌های پیرامون را برای اهداف و دستگاه‌های گوناگون نمایش داد. هر شیء در اینترنت اشیا هویتی دیجیتالی دارد و می‌توان به آسانی آن را در حوزه دیجیتالی ردیابی کرد. تکنیک شناسایی منحصربه‌فرد مختص به یک شیء، یک شناساگر منحصربه‌فرد جهانی (UUID) نامیده می‌شود. شناساگرها ممکن است دارای نام و آدرس باشند. یک شناساگر منحصربه‌فرد جهانی یک شماره 128 بیتی است که برای شناسایی منحصربه‌فرد یک شیء یا موجودیت در اینترنت به کار می‌رود.

در تعیین لایه حسگر اینترنت اشیا، باید جنبه‌های زیر را در نظر گرفت:

• هزینه، اندازه، منبع و مصرف انرژی: چیزها ممکن است به دستگاه‌های حسگری مانند تگ‌های شناسایی فرکانس رادیویی و گره حسگر مجهز باشند. به خاطر تعداد زیاد حسگرها در دستگاه‌ها، باید وسایل هوشمندی طراحی شوند تا منابع و نیز هزینه‌های مورد نیاز را به حداقل رساند.

• به‌کارگیری: بسته به نیازها، می‌توان چیزهای حسگر (تگ‌های شناسایی فرکانس رادیویی، حسگرها و غیره) را به طور یک‌باره یا تدریجی به کار گرفت.

• ارتباطات. حسگرها باید قابلیت برقراری ارتباط را داشته باشند تا بتوان به چیزها دسترسی داشت و آن‌ها را بازیابی کرد.

• شبکه. چیزها به صورت شبکه‌های چند مرحله‌ای، مش یا شبکه‌های دم‌دستی سازمان‌دهی می‌شوند.

3.1.2. لایه شبکه

لایه شبکه در اینترنت اشیا، همه چیز را به هم متصل می‌کند و به آن‌ها امکان می‌دهد که از پیرامون خود خبر داشته باشند. این چیزها از طریق لایه شبکه، می‌توانند داده‌ها را با چیزهای متصل‌به‌هم به اشتراک بگذارند، که این برای مدیریت رویداد هوشمند و پردازش در اینترنت اشیا امری اساسی است.

برای به اشتراک‌گذاری داده‌ها و ارائه خدمات یک دستگاه، یک شبکه قوی لازم است.

شبکه باید به طور خودکار چیزها را کشف و بازنمایی کند. چیزها باید به طور خودکار نقش‌هایی به خود بگیرند تا رفتار چیزها را به کار بگیرند، مدیریت کنند و زمان‌بندی کنند، و در صورت لزوم، باید بتوانند نقش‌های خود را عوض کنند. این دستگاه‌ها را قادر می‌سازد که با همکاری هم وظایف را انجام دهند.

در لایه شبکه‌سازی، باید به مسائل زیر پرداخت:

• فناوری‌های مدیریت شبکه از جمله مدیریت شبکه‌های ثابت، بی‌سیم و موبایل.

• الزامات کیفیت خدمات

• فناوری‌ها برای جستجوی داده‌ها، پردازش داده‌ها.

• ایمنی و حریم شخصی

از میان این مسائل، قابلیت اطمینان اطلاعات و حریم خصوصی انسان مهم هستند، چرا که اینترنت اشیا بسیاری از چیزهای شخصی را به هم متصل می‌کند و خطری بالقوه برای حریم شخصی به همراه دارد. فناوری‌های امنیت شبکه موجود می‌توانند پایه و اساسی برای حریم شخصی و امنیت در اینترنت اشیا فراهم کنند، اما باید کار بیش‌تری انجام داد.

3.1.3. لایه خدمات

لایه خدمات، خدمات و اپلیکیشن‌ها در اینترنت اشیا را ممکن می‌سازد. این برنامه‌ای مقرون‌به‌صرفه است که در آن، می‌توان از نرم‌افزارها و سخت‌افزارها دوباره استفاده کرد. خدمات موجود در لایه خدمات مستقیماً روی شبکه راه‌اندازی می‌شوند تا به طور مؤثری خدمات جدیدی برای یک اپلیکیشن پیدا کنند و به طور پویا، داده‌ها را برای خدمات بازیابی کنند. استانداردهای گوناگونی که سازمان‌های مختلف توسعه داده‌اند، بیش‌تر این ویژگی‌ها را دارند. مهم است که یک لایه خدماتی برای اینترنت اشیا، مقبول همگان باشد. یک لایه خدماتی عملی شامل حداقل یک مجموعه از دستگاه‌ها، رابط‌های برنامه‌نویسی اپلیکیشن، و پروتکل‌هایی است که از اپلیکیشن‌ها و خدمات پشتیبانی می‌کند. همه فعالیت‌های خدمات محور، مانند مبادله و ذخیره اطلاعات، مدیریت داده‌ها و موتورهای جستجو و ارتباطات، در لایه خدمات انجام می‌شوند.

وظایفی که لایه خدمات انجام می‌دهد عبارت‌اند از:

• کشف خدمات: یافتن اشیایی که می‌توانند خدمات و اطلاعات مورد نیاز را به نحوی مؤثر ارائه کنند.

• ترکیب خدمات: این تعامل میان چیزهای متصل‌به‌هم را ممکن می‌سازد و روابط میان چیزها برای میسر کردن خدمات مطلوب را توضیح می‌دهد.

• رابط‌های برنامه اپلیکیشن خدماتی: این‌ها تعامل میان خدمات مورد نیاز کاربران را ارائه می‌کند.

3.1.4. لایه رابط

در اینترنت اشیا، شمار زیادی از دستگاه‌ها به هم متصل می‌شوند؛ این دستگاه‌ها به افراد مختلفی تعلق دارند و لذا همواره معیارهای یکسانی ندارند. مسئله تطبیق‌پذیری میان چیزها باید برای تعامل میان چیزها حل شود. تطبیق‌پذیری شامل مبادله اطلاعات، ارتباطات و پردازش رویدادها است. ساده کردن مدیریت و ارتباط درونی چیزها به شدت به سازوکار تعامل مؤثر نیاز دارد. اساساً لایه تعامل در فرانت‌اند اپلیکیشن یا API (رابط برنامه اپلیکیشن) کار می‌کند.

4. نتیجه‌گیری

در چند سال اخیر، اینترنت اشیا به سرعت توسعه یافته است و شمار زیادی از فناوری‌های توانمند مطرح شده‌اند. اینترنت اشیا روند آینده اینترنت است. هر چیز موجود هوشمند می‌شود. حوزه گسترده‌ای برای پژوهش در اینترنت اشیا وجود دارد. بسیاری از فناوری‌های جدید که در سال‌های آینده پدیدار می‌شوند ما را به سمت سطح کاملاً جدیدی از جهان هوشمند می‌برند. آینده اینترنت اشیا بسیار روشن است. از صورتحساب‌ها تا وسایل نقلیه، همه چیزهایی که به هم متصل می‌شود، سبک زندگی بهتری را به ارمغان می‌آورند.

منابع

[1] شانکانگ لی و لی دا زو و شانشان ژائو، «اینترنت اشیا: یک تحقیق» منتشر شده در اینترنت: 26 آوریل، اسپرینگر ساینس + بزینس مدیا، نیویورک، 2014.

[2] آنتونیو جی. جارا، میگوئل ای. زامورا و آنتونیو اف. جی. اسکارمتا، «یک معماری مبتنی بر اینترنت اشیا برا پشتیبانی از تحرک و ایمنی در محیط‌های پزشکی»، دانشگاه موریکا، دانشکده علوم کامپیوتری، موریکا، اپسانیا، 2010.

[3] «تنها ماشین نوشابه‌سازی در اینترنت»، دانشگاه کارنگی ملون. بازیابی شده در 10 نوامبر 2014.

[4] cmswire.com

http://www.cmswire.com/cms/internet-of-things/the-next-step-in-internet-evolution-the-internet-of-things-023902.php