منصة إنترنت الأشياء | الوحدة الثانية | الدرس الأول

منصة إنترنت الأشياء هو عنوان الدرس الأول من الوحدة الثانية التي تحمل اسم “إنترنت الأشياء في حياتنا” من مقرر “إنترنت الأشياء 1 – 1”.

سنتعرف في هذا الموضوع على بنية طبقات الحوسبة السحابية والضبابية والطرفية لتطبيقات إنترنت الأشياء، وعلى أساسيات الحوسبة الضبابية وتحديد مزاياها، كذلك التعرُّف على نقاط نهاية الحوسبة الطرفية، وغيرهم من التعريفات والمعلومات الهامة.

لذا قم بقراءة أهداف التعلُّم جيدًا، ثم أعد قراءتها وتأكَّد من تحصيل محتوياتها بعد انتهائك من دراسة الموضوع.

أهداف التعلُّم

• معرفة بنية طبقات الحوسبة السحابية والضبابية والطرفية لتطبيقات إنترنت الأشياء.
• معرفة أساسيات الحوسبة الضبابية.
• تحديد مزايا الحوسبة الضبابية.
• فهم نقاط نهاية الحوسبة الطرفية.
• وصف الممكنات الرئيسة لأنظمة إنترنت الأشياء.
• معرفة بروتوكولات الشبكات الأساسية وشبكات إنترنت الأشياء.
• تصنيف التقنيات التي تشكّل بنية الاتصالات لإنترنت الأشياء.
• معرفة أهمية الحصول على الأذونات القانونية المناسبة قبل البدء بجمع البيانات.

هيا لنبدأ!

الإنترنت في إنترنت الأشياء (The Internet in the Internet of Things)

يتكون مصطلح إنترنت الأشياء على كلمتين رئيستين: الإنترنت والأشياء.

تم تعرفت مُسبقًا على ماهية الأشياء (الكائنات الذكية)، وستكتشف الآن الجزء الخاص بالإنترنت في حلول إنترنت الأشياء.

تتيح عملية الاتصال والخدمات السحابية للكائنات الذكية جمع القياسات من المُستشعرات، وإرسال أوامر للتحكُّم إلى المُشغِّلات. عادةً ما تتصل أجهزة إنترنت الأشياء بخدمة إنترنت الأشياء السحابية باستخدام بروتوكول اتصال، ومن خلال هذه الخدمة يتخذ تطبيق إنترنت الأشياء الرئيس القرارات بناءً على البيانات المُجمعة.

ستتعرف في هذا الدرس على بُنية الحوسبة السحابية والضبابية والطرفية، وشبكاتها وبروتوكولاتها المُستخدَمة، كما سنتعرف على نوع البيانات التي يجري تبادلها لدعم حل إنترنت أشياء فعَّال.

بإمكانك التعرُّف على المزيد من المعلومات عن الحوسبة السحابية والضبابية والطرفية من خلال الرابط التالي:

الحوسبة السحابية مقابل الحوسبة الضبابية – مركز التطوير الرقمي

أساسيات الحوسبة الضبابية (Fog Computing Fundamentals)

يتمثل الهدف التقني الثابت لأنظمة إنترنت الأشياء في توزيع إدارة البيانات إلى أقرب مدى من عُقَد المُستشعر أو المُشغِّل.

تُعدُّ الحوسبة الضبابية أشهر مثالٍ على الخدمات الطرفية في إنترنت الأشياء، وهي أقرب إلى الأشياء المُنتِجة لبيانات إنترنت الأشياء.

يُمكِن لأي جهاز محوسب ذي قدرات تخزين واتصال بالشبكة أن يُشكِّل عُقدةً ضبابية. ومن الأمثلة على ذلك، وحدات التحكُّم الصناعية، المحولات، الموجِّهات، الخوادم المضمنة، بوابات إنترنت الأشياء، ويؤدي تحليل بيانات إنترنت الأشياء بالقرب من مصدرها إلى تقليل التأخير الزمني، وتقليص عمليات التحميل الكبيرة للبيانات من الشبكة الأساسية، والحفاظ على البيانات الحساسة داخل الشبكة المحلية.

بعض التعريفات الهامة:

• التأخير الزمني (Latency):

هو التأخُّر في معالجة البيانات عبر الشبكة، أو التأخُّر الزمني ما بين إجراءات المُستخدِم ووقت الاستجابة.

• نقطة النهاية (Endpoint):

هي خدمة توجيه البيانات، والتي تختص بإرسال البيانات واستقبالها مِن الخدمات الأخرى وإليها. قد تكون هذه النقطة مجرد برنامج أو جهاز حاسوبي متخصص.

• البوابة (Gateway):

تتيح البوابة القدرة على الاتصال للأجهزة التي لا يُمكِنها الاتصال مباشرةً بالإنترنت. وتعمل نقطة الاتصال اللاسلكي كبوابة أيضًا.

غالبًا ما تُنفَّذ الخدمات الضبابية بالقرب من جهاز إنترنت الأشياء، وكذلك بالقرب من نقاط النهاية الطرفية. تتمثل إحدى ميزات هذا الأمر في إيجاد معرفة ضمنية للعُقدة الضبابية بالمُستشعرات التي تُديرها بسبب قربها المادي بهذه المُستشعرات.

ونظرًا لأن العُقدة الضبابية يُمكِنها تحليل بيانات جميع المستشعرات في هذا الجزء، فيُمكِن توفير تحليل ضمني للرسائل المُستقبَلة بحيث يُمكِن اختيار إرسال البيانات ذات العلاقة فقط إلى الخدمة السحابية.

يُقلل هذا من حجم البيانات المُرسلة في المراحل الأولى بشكل كبير؛ مما يجعلها أكثر فائدة في التطبيقات السحابية وخوادم التحليلات. كذلك فإن توافر المعرفة السابقة يسمح للعقد الضبابية بالاستجابة للأحداث في شبكة إنترنت الأشياء بشكل أسرع بكثير من النموذج السحابي التقليدي الذي عادةً ما يُعاني من التأخير الكبير والاستجابة البطيئة في نقل البيانات ومعالجتها.

وبذلك توفِّر الطبقة الضبابية قدرة شبكية موزعة تسمح بمراقبة الأجهزة والتحكُّم بها وتحليلها في الوقت الفعلي دون انتظار الاتصال من التطبيق المركزي السحابي وخوادم تحليلاته.

مزايا الحوسبة الضبابية (Fog Computing Advantages)

تتنوع التطبيقات الضبابية كما تتنوع أجهزة إنترنت الأشياء نفسها.

فتشمل مهامها القياسية اختزال البيانات، والمراقبة، وتحليل البيانات في الوقت الفعلي من قِبل الأجهزة المتصلة بالشبكة.

قم بمراجعة محتوى موضوع “منصة إنترنت الأشياء” حتى نهاية هذا القسم من خلال الرابط التالي:

نقاط نهاية الحوسبة الطرفية (Edge Computing Endpoints)

تتمتع الأنواع الأحدث من نقاط نهاية إنترنت الأشياء بقدرة محوسبة كافية لإجراء التحليلات والتصفية على مستوى منخفض. يُطلق على هذه الأجهزة تسمية “نقاط نهاية الحوسبة الطرفية أو الأجهزة الطرفية”.

• الجهاز الطرفي (Edge device):

الأجهزة الطرفية هي بوابات ذكية قادرة على معالجة البيانات محليًّا. يُمكِن لأجهزة إنترنت الأشياء الاتصال بالأجهزة المتطورة عبر الشبكات المحلية، مثل الشبكة اللاسلكية المحلية (Wi-Fi) أو عبر تقنية البلوتوث (Bluetooth).

توفِّر الطبقة في البُنية الطرفية الضبابية السحابية المزيد من الكفاءة في حلول إنترنت الأشياء. فلا تُستبدل الحوسبة السحابية بالحوسبة الطرفية أو الضبابية؛ بل تُكمل جميع هذه الطبقات بعضها.

تُساعِد طبقات الحوسبة الطرفية أو الضبابية في تصفية البيانات وتحليلها وإدارتها. تَحُدُّ هذه النقاط من عمليات الاستعلام السحابي المستمرة عن كل حدث من جميع أجهزة إنترنت الأشياء.

يُشير هذا النموذج إلى أن تنظيم النطاق الترددي للشبكة، والحسابات، وموارد تخزين البيانات يتم بشكل هرمي ويتمّ جمع البيانات وتحليلها وإرسالها في كل مرحلة بناءً على إمكانيات الموارد المتوفرة في كل طبقة.

ينخفض وقت الوصول مع إرسال المزيد من البيانات إلى نقاط النهاية الطرفية الأقرب إلى أجهزة إنترنت الأشياء.

وتتمثَّل فائدة هذا التسلسل الهرمي في سرعة الاستجابة للأحداث من الموارد القريبة من جهاز إنترنت الأشياء وبنتيجة فورية، كما تتوفر أيضًا في الوقت نفسه موارد تخزين البيانات الضخمة ومعالجتها في مراكز البيانات السحابية عند الضرورة.

الحوسبة الطرفية والضبابية معًا (Edge and Fog Working Together)

تتطلَّب الحوسبة الطرفية أو الضبابية استخدام طبقة اختزال لتمكين التطبيقات من التواصل مع بعضها.

تعرض طبقة الاختزال واجهات برمجة التطبيقات الموحدة (Application Programming Interfaces – APIs) لمراقبة الموارد المادية وتوفيرها والتحكُّم بها.

ولدعم المرونة والاتساق عبر نظام إنترنت الأشياء، تتطلَّب طبقة الاختزال أيضًا آلية لدعم المحاكاة الافتراضية، مع القدرة على تشغيل أنظمة تشغيل مُتعدِّدة أو حاويات خدمة على الأجهزة المادية.

من ناحية البُنية (أو هندسة الشبكة)، فتقوم العُقد الضبابية الأقرب إلى طرف الشبكة باستقبال البيانات من أجهزة إنترنت الأشياء.

ويقوم تطبيق إنترنت الأشياء الضبابي بعد ذلك بتوجيه أنواع البيانات المختلفة إلى أفضل موقع ليتم تحليلها، حيث تُحلِّل البيانات الأكثر حساسية للوقت بشكل أقرب إلى الكائنات الذكية التي تولِّد البيانات طرفيًّا أو إلى العُقدة الضبابية، ثم توجِّه البيانات التي يُمكِن التعامل معها في ثوان أو دقائق إلى عُقدة التجميع لتحليلها واتّخاذ الإجراءات بشأنها.

وتُرسِل البيانات ذات الأهمية الزمنية الأقل إلى السحابة للقيام بعمليات التحليل الزمني وتحليلات البيانات الضخمة والتخزين طويل الأجل.

على سبيل المثال، يُمكِن لآلاف العُقد الضبابية إرسال ملخصات البيانات إلى السحابة للتحليل الزمني والتخزين، وتُساعِد مراعاة هذه العوامل في تحديد ما إذا كانت الحوسبة الطرفية أو الضبابية ستعمل على تحسين كفاءة النظام.

مُمكِنات إنترنت الأشياء (IoT Enablers)

بيانات إنترنت الأشياء (IoT Data)

تُعدُّ البيانات المُنشأة بواسطة مليارات من أجهزة إنترنت الأشياء ذات قيمة كبيرة، حيث إنها تسمح للمؤسسات بتحليل تلك البيانات وذلك لتقديم خدمات جديدة تعمل على تحسين تجربة المُستخدِم أو خفض التكاليف أو خلق مصادر جديدة للإيرادات.

على الرغم من أن البيانات غير المُنظَّمة تُمثِّل غالبية البيانات الناتجة من إنترنت الأشياء، فإن الرؤى التي تقدمها من خلال التحليلات يُمكِن أن تُساعِد في ضبط وترشيد العمليات، وكذلك تُساهِم في تطوير نماذج أعمال جديدة.

وقد تكون عملية إدارة هذه البيانات غير المُنظَّمة وتقييمها أمرًا صعبًا. ولحل هذه المشكلة، تُصمَّم عمليات نشر إنترنت الأشياء بحيث تقوم بتقنين إنتاج البيانات وتصفية البيانات الأقل أهمية، وكذلك تقليص البيانات الأوليَّة غير الضرورية، والاستجابة للأجهزة بأسرع وقت مُمكِن.

تصنيف البيانات (Data Classification)

عامةً لا يجب التعامل مع جميع البيانات بالطريقة نفسها؛ بل يُمكِن تصنيفها وتقييمها بعدة طرائق. يُمكِن استخدام العديد من أدوات التحليل وتقنيات معالجة البيانات.

تشمل التصنيفات المتعلقة بإنترنت الأشياء جميع البيانات، سواءً كانت البيانات مُنظَّمة أو غير مُنظَّمة وسواءً كانت البيانات نشطة أو غير نشطة.

البيانات النشطة وغير النشطة (Data in Motion Vs. at Rest)

عندما تكون البيانات قيد النقل فإنه يُطلق عليها “البيانات النشطة”، أما حينما تُخزّن في مكان ما فتُسمى “البيانات غير النشطة”.

يُعدُّ نقل البيانات داخل الشبكة، وتبادل البيانات بين العميل والخادم كعمليات تصفح الويب ونقل الملفات، وسائل البريد الإلكتروني أمثلة على البيانات النشطة.

تُحفظ البيانات غير النشطة عادةً في محركات أقراص USB، أو محرك أقراص ثابت في حاسب محمول، أو في مركز بيانات سحابي.

تُعدُّ البيانات الناشئة من الكائنات الذكية في عالم إنترنت الأشياء بيانات نشطة، وذلك نظرًا لانتقالها خلال الشبكة إلى وجهتها النهائية.

يتم التعامل مع هذه البيانات بشكل متكرِّر في الأجهزة الطرفية أو العُقد الضبابية. عندما تُعالج تلك البيانات على جهاز طرفي، يُمكِن تصفيتها أو التخلُّص منها، أو يُمكِن نقلها إلى عُقدة ضبابية أو مركز بيانات للمعالجة الإضافية والتخزين المحتمل.

قم بمراجعة محتوى موضوع “منصة إنترنت الأشياء” بدايةً من عنوان “نقاط نهاية الحوسبة الطرفية” حتى نهاية هذا القسم من خلال الرابط التالي:

بروتوكولات الشبكات (Networking Protocols)

بروتوكولات الشبكات الأساسية (Basic Networking Protocols)

توفِّر بروتوكولات شبكات الإنترنت الأساسية (Internet Protocol – IP)، و(Transmission Control Protocol) و(User Datagram Protocol – UDP) الاتصال لشبكات إنترنت الأشياء.

تجري عملية معالجة نقل البيانات بين الكائنات الذكية وأي نظام آخر في تطبيق إنترنت الأشياء عبر بروتوكولات عالية المستوى. تم تطوير هذه البروتوكولات لتلبية متطلَّبات نقل بيانات إنترنت الأشياء.

تعتمد بعض شبكات إنترنت الأشياء على نموذج شبكة معتمد على دفع البيانات، فعلى سبيل المثال، يقوم المُستشعر بعملية إرسال البيانات على فترات منتظمة، أو من خلال الاستجابة لأحداث معينة. يعتمد البعض الآخر على نموذج سحب البيانات، مثل التطبيق الذي يستعلم من المُستشعر عن البيانات في شبكة إنترنت الأشياء.

بروتوكولات الوصول اللاسلكي (Wireless Access Protocols)

• الاتصال قريب المدى (NFC)

هو مجموعة من البروتوكولات بمدى لا يتجاوز 4 سنتيمترات. إن المدى القصير والتكلفة المنخفضة لهذه التقنية يجعلانها مثالية للاستخدام في الأغراض الشخصية اليومية، حيث تراها بشكل كبير في التطبيقات أنظمة الدفع دون اتصال باستخدام بطاقة الائتمان أو الدفع بالهاتف الذكي الذي يدعم تقنية NFC.

• البلوتوث (Bluetooth)

هي تقنية لاسلكية تستخدم الترددات اللاسلكية لتبادل البيانات عبر مسافات قصيرة؛ مما يُغني عن التوصيلات السلكية. يصل مدى اتصال البلوتوث بين الأجهزة حتى 10 أمتار. توجد تقنية البلوتوث في العديد من الأجهزة والأدوات، وحتى السيارات، وتُتيح تبادل البيانات بسرعات عالية بين الأجهزة المقترنة مع بعضها. ومن الأجهزة الأخرى التي تستخدم هذه التقنية سماعات الرأس ومكبرات ولوحات المفاتيح اللاسلكية والأقفال الذكية وساعات المعصم.

• IEEE 802.15.4

هي تقنية وصول لاسلكية للأجهزة تتميز بانخفاض تكلفتها وبمعدل نقل بيانات منخفض للأجهزة التي تعمل بالطاقة الكهربائية أو البطاريات. تُعدُّ هذه التقنية غير مُكلفة، ويُمكِنها أن تدعم عمرًا أطول للبطارية، كما أنها سهلة الإعداد لاستخدامها مجموعة بروتوكولات قليلة وسهلة ومرنة.

بروتوكولات شبكات إنترنت الأشياء (IoT Networking Protocols)

يحتوي الجدول التالي على بعض أحدث بروتوكولات الشبكات المُستخدَمة في أجهزة إنترنت الأشياء للتواصل مع بعضها والإنترنت. تعتمد هذه البروتوكولات على البروتوكولات الأساسية لشبكة الإنترنت.

تقنيات اتصال إنترنت الأشياء (IoT Communication Technologies)

تُصنّف تقنيات اتصال المختلفة لحلول إنترنت الأشياء حسب نطاق المعلومات والبيانات المنقولة من خلالها.

يجب الأخذ بعين الاعتبار أن الأجهزة التي تَستخدِم تقنيات الاتصالات بعيدة المدى تستهلك طاقة أكثر بكثير من نظيراتها قصيرة المدى.

بعض المسائل المتعلقة بالاتصالات (Connectivity Issues)

قد يكون الاتصال بالإنترنت غير ثابت، وقد يتعرض لفقدان الاتصال لفترة قصيرة أو طويلة وبصورة غير متوقعة.

فما الذي يجب أن يفعله جهاز إنترنت الأشياء عند فقدان الاتصال بالشبكة؟

تتمثل الخيارات في هذه الحالة في الاستغناء عن البيانات أو تخزينها محليًّا إلى حين استعادة الاتصال بالشبكة. ويعتمد الاختيار على عدة عوامل أهمها التطبيق نفسه، وأهمية تلك البيانات، وطريقة استخدام البيانات للتحكُّم في المُشغِّلات، كما يعتمد أيضًا على مدة فُقدان الاتصال بالشبكة

يُمكِن تخزين البيانات مؤقَّتًا محليًّا (داخل الجهاز) إذا تمت استعادة الاتصال بسرعة، ولكن لا يُمكِن لجهاز إنترنت الأشياء الاحتفاظ بكمية كبيرة من البيانات في وسائط التخزين، ويجب أن تكون برمجة جهاز إنترنت الأشياء ذكية بما يكفي للتعامُل مع مُشكلات الاتصال، كما يُمكِن في بعض الأحيان لأجهزة إنترنت الأشياء اتّخاذ قرارات محدودة للتحكُّم في المُشغِّلات دون الاتصال بتطبيق إنترنت الأشياء الرئيس، كذلك يجب أن تكون الخدمات الطرفية أو السحابية قادرة على العمل ببيانات منقوصة أو مُتأخرة.

على سبيل المثال، يجب ألا تُرسِل أوامر إلى جهاز إنترنت الأشياء بِناءً على البيانات التي لم يَعُد لها أهمية.

يُمكِنك مراجعة محتوى موضوع “منصة إنترنت الأشياء” بدايةً من عنوان “بروتوكولات الشبكات” حتى نهاية الموضوع من خلال الرابط التالي:

إلى هنا يكون قد انتهى موضوع “منصة إنترنت الأشياء“، لا تنسوا مراجعة نواتج التعلُّم أعلى المقال، وانتظرونا في الموضوع القادم!

روابط هامة

مقررات الفصل الدراسي الثاني