ما هي بوابة إنترنت الأشياء وكيفية اختيار بوابة إنترنت الأشياء؟

يتكون النظام البيئي لإنترنت الأشياء عادةً من أجهزة طرفية وبوابات إنترنت الأشياء ومنصة سحابية. يتم تمكين الاتصال المشترك بين هذه المكونات المختلفة عن طريق بروتوكولات اتصال مشتركة مختلفة. ينصب الاهتمام الرئيسي في هذه المقالة على بوابة إنترنت الأشياء المسؤولة عن ترجمة بروتوكولات الاتصال المشترك Co1PP14Tunication المختلفة هذه. هذا هو نفس المفهوم المستخدم في الاتصالات عن بُعد التي تحاكي نفس مبدأ عمل جهاز توجيه الإنترنت الخاص بك.

ومع ذلك، سيقوم جهاز توجيه الإنترنت بتوصيل أجهزتك المتصلة بالشبكة المنزلية بشبكة المنطقة المحلية (LAN) الخاصة بمزود خدمة الإنترنت (ISP)، ولكن في حالة بوابة إنترنت الأشياء، ستقوم البوابة بتوصيل أجهزة استشعار متعددة من أنواع وتكوينات مختلفة بمنصة سحابية.  

تحديات نشر إنترنت الأشياء

والآن قبل النظر في مزيد من التفاصيل حول مبدأ عمل إنترنت الأشياء، يجدر بنا النظر في بعض تحديات النشر المفروضة على أنظمة إنترنت الأشياء التي تؤدي إلى استخدام بوابة إنترنت الأشياء.

1. مشكلة الاتصال

يعد الاتصال بين الأجهزة والمنصة السحابية مشكلة حرجة في مجال إنترنت الأشياء. نظرًا لأن معظم الأجهزة الطرفية مُحسّنة لكفاءة الطاقة، وبالتالي فهي غير قادرة على الاتصال بالإنترنت أو شبكة المنطقة الواسعة (WAN) مباشرةً. بدلاً من ذلك، عادةً ما يتم تشغيل هذه الأجهزة على شبكات لاسلكية غير متجانسة مثل زيجبي، BLE، Z-Wave, لوراوانإلخ. - لنقل البيانات. لمعالجة هذه المشكلة يمكن أن تتخذ أجهزة إنترنت الأشياء شكلين:

• ستوفر الأجهزة وأجهزة الاستشعار على مستوى الحافة مساراً مباشراً إلى السحابة.
• ستشكل الأجهزة وأجهزة الاستشعار على مستوى الحافة تجمعات ومجموعات حول البوابات وأجهزة التوجيه بين أجهزة الاستشعار وشبكة WAN.

الشكل الأول مكلف وسيتطلب أجهزة مزودة بوحدات اتصال مدمجة بالشبكة مثل 2G/3G، أو Wi-Fi، أو Ethernet، إلخ. بعض البروتوكولات الشائعة المستخدمة للاتصال المشترك بين الأجهزة والمنصة السحابية هي بروتوكول التطبيقات المقيدة (CoAP)، وبروتوكول نقل الرسائل في قائمة انتظار القياس عن بُعد (MQTT)، وبروتوكول HTTP، وبروتوكول وضع الرسائل في قائمة انتظار متقدمة (AMQP)، إلخ. هنا يجب أن تتمتع الأجهزة بقدرة حوسبة كافية ودعم للإدخال/الإخراج. علاوةً على ذلك، لا تدعم هذه الأجهزة تحديثات البرامج الثابتة عبر الأثير (OTA)، لذا فإن المستخدم النهائي مسؤول عن ترقية البرامج الثابتة للجهاز.

وبالتالي، سيكون الحل الأكثر مثالية وفعالية من حيث التكلفة هو الشكل الثاني، حيث يتم تجميع الأجهزة ذات الشبكات اللاسلكية منخفضة الطاقة إلى بوابة إنترنت الأشياء المركزية للاتصال بمنصة سحابية.

2. تحدي قابلية التشغيل البيني

نظرًا لاستخدام أجهزة من بائعين مختلفين وتكوينات مختلفة، فإن قابلية التشغيل البيني هي أحد أكبر التحديات في إنترنت الأشياء على نطاق واسع. هناك نوعان من البروتوكولات المستخدمة في تطبيقات إنترنت الأشياء. البروتوكولات المتجهة جنوباً هي البروتوكولات التي تتيح الاتصال المشترك نحو الجهاز والتي تهدف إلى الحفاظ على طاقة الأجهزة الطرفية التي تعمل بالبطارية. ومن الأمثلة على ذلك ZigBee و Modbus و LoRaWAN. أما البروتوكولات المتجهة شمالاً فهي مسؤولة عن تمكين الاتصال المشترك Communication نحو المنصة السحابية، وهي بروتوكولات آمنة للغاية وتستند إلى آلية النشر/الاشتراك. CoAP و HTTPS و MQTT و AMQP هي بعض البروتوكولات الشائعة المتجهة شمالاً.

سيستخدم تطبيق إنترنت الأشياء كلا هذين النوعين من البروتوكولات. لذلك، ينبغي استخدام حل يتيح الانسجام المناسب بين هذين البروتوكولين.  

3. التحدي الأمني

يمثل الأمن مصدر قلق كبير عندما يتعلق الأمر بالبيانات التي يتم إرسالها من أجهزة الاستشعار إلى السحابة. يجب تأمين هذه البيانات من أجل حماية خصوصية المستخدم وحماية المستهلكين من عمليات الاحتيال. توفر البروتوكولات المتجهة جنوباً آليات أمان مثل القائمة البيضاء وتفعيل OTA والتشفير. بينما، يجب أن تقوم الأجهزة المتصلة بمنصة سحابية بتخويل نفسها مع الخادم وتشفير البيانات قبل إرسالها إلى المنصة السحابية. يجب أن تكون هناك آلية متناسقة للتحقق من متطلبات الأمان هذه في تطبيق إنترنت الأشياء.

4. تحدي تصفية البيانات ومعالجتها

في البنية المتصلة بالسحابة المباشرة، يتم إرسال جميع البيانات إلى السحابة، وهو أمر غير مثالي حيث يمكن أن تكون هناك بعض البيانات غير الضرورية، والتي من ناحية أخرى قد تهدر عرض النطاق الترددي. أيضًا، قد تُفقد البيانات في حالة انقطاع الاتصال. لذلك، من الضروري إيجاد حل للتخفيف من هذا التحدي.

كيف تعمل بوابة إنترنت الأشياء؟

بعد تحديد بعض التحديات الموجودة في تطبيقات إنترنت الأشياء، حان الوقت الآن لتقييم كيفية معالجة بوابة إنترنت الأشياء لتلك التحديات.

كما رأينا في حالة مشكلة الاتصال، فإن توصيل عدد كبير من الأجهزة ببوابة إنترنت الأشياء من شأنه أن يقلل بشكل مثالي من تكلفة وتعقيد تطبيقات إنترنت الأشياء. يمكن تحقيق ذلك من خلال تمكين وظيفة التوجيه في بوابات إنترنت الأشياء. ستدعم بوابة إنترنت الأشياء بروتوكولات التوجيه مثل بروتوكول البوابة الحدودية (BGP) وبروتوكول المسار الأقصر المفتوح أولاً (OSPF) وبروتوكول معلومات التوجيه (RIP) وبروتوكول RIPng. يتم تحقيق الوجهة المقابلة لحزمة بيانات معينة باستخدام جدول توجيه.

من أجل معالجة تحدي قابلية التشغيل البيني، تعمل بوابات إنترنت الأشياء كجسر بين أجهزة إنترنت الأشياء والمنصة السحابية. تقوم بوابة إنترنت الأشياء بالاتصال بالأجهزة الطرفية عبر بروتوكولات محددة متجهة جنوبًا، ثم تقوم بتخزين جميع البيانات الضرورية من الأجهزة وإرسال البيانات إلى الخوادم السحابية عبر بروتوكولات متجهة شمالاً للمعالجة والتحليل. تسمى هذه العملية ترجمة البروتوكول. كما أن هذه العملية ثنائية الاتجاه تتيح الاتصال المشترك في كلا الجانبين.

في حالة تحقيق اتصال آمن، تلعب بوابة إنترنت الأشياء دوراً رئيسياً. الشكل الأساسي للأمان في الاتصالات المشتركة هو استخدام جدار حماية. في حالة بوابات إنترنت الأشياء، فإنها تستخدم جدار حماية الشبكة الذي يقوم بتصفية تدفق المعلومات من شبكة إلى أخرى والتحكم فيها. وهذا يوفر تصريحًا مناسبًا لحركة مرور الشبكة التي ستدخل إلى الشبكة ويضمن فتح المنافذ المطلوبة فقط من خلال آليات مثل إعادة توجيه المنافذ. يعد الإعداد الآمن للجهاز ميزة أمنية أخرى تم تمكينها بواسطة بوابات إنترنت الأشياء في تكوين الجهاز لأول مرة. وهذا يتيح التشفير المناسب.

يتم تحقيق تصفية البيانات ومعالجتها عن طريق الحوسبة الطرفية حيث يتم تجميع البيانات الخام وربطها ومزامنتها لتقليل حجم البيانات وزمن انتقال الشبكة. وبعد تنفيذ وظائف الحوسبة الطرفية هذه، يتم نقل البيانات التي تمت معالجتها مسبقاً إلى المنصة السحابية. سيؤدي ذلك إلى حد كبير إلى تقليل تكلفة استخدام الأجهزة الطرفية وأجهزة الاستشعار ذات القدرات العالية. وبصرف النظر عن الوظائف المذكورة أعلاه، فإن الحوسبة الطرفية قادرة على استخدام التقنيات التالية للتخفيف من مشكلة تصفية البيانات ومعالجتها:

• تغيير طبيعة البيانات
• تحليل الأمن وكشف الاختراق الأمني
• الإدارة الرئيسية
• محركات القواعد/معالجات الأحداث
• التخزين المؤقت والتخزين

ميزات بوابات إنترنت الأشياء

تعتمد ميزات بوابات إنترنت الأشياء بشكل كبير على متطلبات التطبيق والأداء الخاصة بها. ومع ذلك، يمكننا تحديد بعض الميزات الأساسية التي تستخدمها تطبيقات إنترنت الأشياء الأساسية فقط والميزات المتقدمة التي تتطلبها بوابات إنترنت الأشياء الأكثر تعقيدًا مثل بوابات إنترنت الأشياء الصناعية. أهم الميزات هي:

• توصيل الجهاز على الرغم من ميزات الجهاز وحجمه وتكوينه وبروتوكول الاتصال communication.
• توفر بوابات إنترنت الأشياء تحسينات أمنية على تطبيق إنترنت الأشياء وتعزز الأمان.
• وهي قادرة على توفير مقاييس وتحليلات حول تطبيق إنترنت الأشياء بما في ذلك: استخدام البيانات، وسلامة الإشارة، وعدد أحداث الفشل، واستخدام النطاق الترددي، وصحة الشبكة، وتفاصيل حول الأجهزة المتصلة والعملاء.
• تمكين تشكيل حركة المرور وجودة الخدمة (QoS) المفيدة في عمليات النشر التي تحتاج إلى مستوى مضمون من الخدمة عند التعامل مع الازدحام أو الحمل المتغير للشبكة.
• بعض بوابات إنترنت الأشياء قادرة على القيام بوظائف الشبكة المحلية الافتراضية (VLAN) حيث يتم تقسيم الشبكة للأجهزة أو المستخدمين حسب متطلبات التطبيق.
• يعد التجاوز الفاشل والإدارة خارج النطاق بعض الميزات المتقدمة في التطبيقات التي تتضمن أجهزة طرفية متنقلة للغاية.
• توفر بعض بوابات إنترنت الأشياء برامج ثابتة قابلة للتخصيص تتيح تحديثات OTA، وهو أمر مفيد للغاية في عقد إنترنت الأشياء الضخمة.
• إن بوابات إنترنت الأشياء قادرة على أداء الحوسبة الطرفية اعتماداً على مواصفاتها ومتطلبات التطبيق.
• فهي توفر قابلية التوسعة في دمج الأجهزة ذات البروتوكولات والتكوينات المختلفة وكذلك المنصات السحابية المختلفة.

ما هي مزايا استخدام بوابة إنترنت الأشياء؟

• سيؤدي استخدام بوابة إنترنت الأشياء إلى تقليل وقت الوصول إلى السوق من خلال الدمج المسبق لواجهات بروتوكولات متعددة وسيناريوهات حالات الاستخدام.
• ستمكن بنية التوصيل والتشغيل من سهولة دمج الأجهزة الطرفية وتقليل الوقت اللازم لإضافة واجهات بروتوكول جديدة متجهة جنوباً وشمالاً.
• ستعمل قدرة الحوسبة الطرفية على تحسين وقت الاستجابة وتقليل زمن استجابة الشبكة. سيؤدي ذلك من ناحية أخرى إلى تقليل تكاليف الإرسال وتحسين تحليلات البيانات في المنصة السحابية.
• ستعمل بوابات إنترنت الأشياء على تعزيز أمن الشبكة وإدارة حركة مرور الشبكة بسلاسة، وبالتالي ضمان حماية البيانات والخصوصية.
• ويمكنها دعم كل من بروتوكولات الاتصال السلكية واللاسلكية communication مما يتيح مجموعة واسعة من التطبيقات.

كيف تختار بوابة إنترنت الأشياء المناسبة؟

ضع في اعتبارك هذه العوامل عند اختيار المرشح المناسب لتطبيق إنترنت الأشياء أو تطبيق إنترنت الأشياء الصناعي.

• حدد هدفك من استخدام بوابة إنترنت الأشياء بشكل صحيح. هل يجب أن تزودك البوابة بتحليلات البيانات أو مقاييس الأداء؟
• قم بتقييم حجم البيانات ومعدلات نقل البيانات المطلوبة لتتعامل معها بوابتك. هل لديك آلاف أو مئات المستشعرات؟ ما مدى سرعة تسجيل المستشعرات للبيانات ونقلها؟
• حدد ما إذا كنت بحاجة إلى تصفية البيانات أو تجميعها أو تخزينها مؤقتاً أو تخزينها. اختر البوابات ذات وظائف الحوسبة المتطورة المطلوبة.
• أين سيتم تركيب البوابة؟ حدد المعايير المختلفة التي ستستوفيها البوابة الخاصة بك.
• تحقق من الشهادات الصحيحة. يجب أن تكون طرازات البوابات معتمدة من لجنة الاتصالات الفيدرالية FCC/CE/IC المنتجات الإلكترونية.
• ما هي ميزات الأمان المطلوبة؟
• ما هي بروتوكولات الاتصال communication المطلوبة التي تستخدمها أجهزتك الطرفية ومنصة السحابة؟ هل هي مدعومة من قبل بوابتك؟
• أخيراً، تحقق مما إذا كان تطبيقك يحتاج إلى ميزات مخصصة في المستقبل وتحقق من خيارات التخصيص للبوابة.