راهنمای جامع روش‌های اتصال در اینترنت اشیا (Internet of Things) — بخش اول: مقدمه
زمانی که در حال توسعه پروژه‌های اینترنت اشیا (Intrnet of Things) هستیم، روش‌های اتصال یکی از مهم‌ترین مسائلی است که باید در ذهن داشته باشیم. وقتی با یک پروژه جدید اینترنت اشیا روبرو می‌شویم چند سؤال همواره باید مورد توجه باشد:
- روش‌های اتصال این پروژه چگونه است؟
- آیا محدودیت توان یا بُرد وجود دارد؟
- نرخ انتقال داده چه قدر خواهد بود؟
- کدام زیرساخت‌های شبکه‌ای هم‌اینک در دسترس هستند؟
مطمئناً هر یک از ما در آغاز هر پروژه اینترنت اشیا سؤالات مشابهی در ذهن داریم. برخی اوقات ایده‌ای در مورد پروتکل ارتباطی که می‌توان استفاده کرد در ذهن داریم، ولی بهتر است تحقیق کنیم و مطمئن شویم که مناسب‌ترین گزینه برای کاربرد فعلی کدام است.
خوشبختانه انواع مختلفی زیرساخت شبکه و پروتکل ارتباطی وجود دارند؛ ولی درعین‌حال متأسفانه آن‌قدر زیاد هستند که ممکن است ما را سردرگم کنند. در این سلسله آموزش‌ها همه (شاید هم اغلب) پروتکل‌های ارتباطی متداول را بررسی می‌کنیم و می‌گوییم که چگونه می‌توانیم مناسب‌ترین پروتکل را برای یک پروژه انتخاب کنیم. همچنین مزایا و معایب هر یک از پروتکل‌ها را به‌تفصیل بررسی خواهیم کرد:
- وای فای (WiFi)
- ترد (Thread)
- زیگبی (ZigBee)
- بلوتوث (Bluetooth)
- RFID و NFC
فهرست فوق کامل‌ترین فهرست انواع اتصال‌ها نیست اما برای شروع اغلب پروژه‌های اینترنت اشیا کافی است.
توپولوژی شبکه
درک انواع پروتکل‌های مختلف شبکه که به آنها اشاره می‌کنیم حائز اهمیت است. توپولوژی شبکه به روشی گفته می‌شود که اجزای مختلف در هر شبکه‌ای چیده می‌شوند. این مفهوم، ساختار شبکه را چه به صورت فیزیکی و چه منطقی توصیف می‌کند. توپولوژی شبکه را می‌توان به عنوان نمایش تصویری اجزای شبکه و نحوه انتقال داده‌ها بین آنها دانست.
در این مورد هم تعداد زیادی توپولوژی شبکه وجود دارند ولی ما در این بحث تنها به انواعی که در پروژه‌های اینترنت اشیا بیشتر مشاهده می‌شوند اکتفا می‌کنیم.
- نقطه به نقطه (P2P)
- ستاره‌ای (Star)
- توری (Mesh)
- ترکیبی یا هیبرید (Hybrid)
پروتکل نقطه به نقطه
توپولوژی نقطه به نقطه ساده‌ترین نوع است که یک لینک دائمی بین دو انتهای شبکه ایجاد می‌کند. ساده‌ترین نمونه P2P اتصال از نوع کاردستی‌های تلفن با قوطی و نخ بود که زمانی که بچه بودیم درست می‌کردیم. در این اتصال دو گره (انتها) یک کانال اختصاصی برای ارتباط با هم دارند. P2P با استفاده از فناوری‌های سوئیچینگ می‌تواند به صورت دینامیک تنظیم شود. توپولوژی P2P سوئیچ دار، اساس کار تلفن‌های اولیه بوده است.
پروتکل ستاره‌ای
در پیکربندی شبکه ستاره‌ای، هر گره (انتها) به یک دستگاه مرکزی منفرد متصل می‌شود. گره‌ها نمی‌توانند به طور مستقیم با همدیگر ارتباط داشته باشند؛ آنها از طریق دستگاه مرکزی به هم متصل می‌شوند. دستگاه مرکزی به عنوان یک سرور عمل می‌کند و گره‌ها به عنوان کلاینت ظاهر می‌شوند. این پروتکل یکی از رایج‌ترین پیکربندی‌های شبکه است و تنظیم آن جزو ساده‌ترین انواع است. به راحتی و بدون اختلال در شبکه می‌توان یک گره را حذف یا اضافه کرد. بزرگ‌ترین چالش در این نوع شبکه این است که تنها یک نقطه شکست (یعنی رایانه مرکزی) وجود دارد؛ اگر رایانه مرکزی خراب شود، شبکه نیز از کار می‌افتد.
پروتکل توری
شبکه توری نوعی از شبکه است که در آن هر گره به همه گره‌های دیگر متصل می‌شود. وقتی لینک‌های شبکه را بررسی می‌کنیم، می‌بینیم که شبکه توری مقدار بالایی افزونگی ایجاد می‌کند. دراین پیکربندی اگر یک لینک خراب شود گره‌ها می‌توانند با استفاده از لینک دیگری با هم ارتباط برقرار کنند. بدیهی است که به دلیل افزایش هزینه برای برپایی لینک‌های مضاعف و ماهیت پیچیده‌ی شبکه، این توپولوژی جزو متداول‌ترین انواع پروتکل در شبکه‌ها نیست.
پروتکل ترکیبی
شبکه ترکیبی همان‌طور که از نامش پیداست ترکیبی از توپولوژی‌های ساده‌تر شبکه است. این شبکه ممکن است شامل شبکه ستاره ای-توری یا ستاره ای-حلقه ای باشد. شبکه‌های ترکیبی منعطف‌تر و مطمئن‌تر هستند چون مزیت‌های هر دو شبکه زیرمجموعه خود را دارند. اما درعین‌حال پیچیدگی بالایی دارند که برپایی آنها را پرهزینه می‌کند و مدیریتشان دشوارتر است. با این حال، زمانی که به شبکه‌ای با قابلیت‌های بیشتر از یک توپولوژی شبکه‌ای نیازمندیم، شبکه ترکیبی مزیت‌های زیادی دارد.
شبکه‌های زیرساختی و موردی (Ad-Hoc)
از آنجا که موضوع مطلب حاضر شبکه‌های بی‌سیم است می‌بایست دو وضعیت اساسی (که توپولوژی نیز نامیده می‌شوند) را بررسی کنیم که شبکه‌های بی‌سیم در این در این وضعیت‌ها عمل می‌کنند. وضعیت زیرساختی زمانی است که شبکه نیازمند زیرساخت فیزیکی برای پشتیبانی است. این مسئله اساساً بدین معنی است که باید واسطه‌ای باشد که کارکردهای شبکه را مدیریت کند و زیرساختی ایجاد شود که شبکه پیرامون آن برپا شود.
این شبکه کارکردهای زیر را اجرا می‌کند:
- ارائه دسترسی به شبکه‌های دیگر
- فوروارد کردن
- کنترل دسترسی به واسط
در شبکه‌های بی‌سیم بر پایه زیرساخت، ارتباط تنها بین دو گره بی‌سیم (یعنی نقطه انتهایی در شبکه مصلا رایانه، گوشی همراه و …) و نقاط دسترسی (یعنی روتر یا مسیریاب) است. بر روی یک شبکه ممکن است بیش از یک نقطه دسترسی وجود داشته باشد که گره‌های بی‌سیم مختلف را مدیریت کند. از جمله نمونه‌های ملموس شبکه زیرساختی می‌توان به شبکه‌های تلفن همراه اشاره کرد. این شبکه‌ها مجموعه‌ای از کارکردهای زیرساختی (یعنی برج‌های مخابراتی) دارند.
چه زمانی باید از یک شبکه زیرساختی استفاده کنیم؟
- زمانی که بتوانیم به سهولت نقاط دسترسی بیشتر اضافه کنیم تا برد شبکه را افزایش دهیم.
- اگر بخواهیم یک شبکه دائمی بیشتر برپا کنیم.
- اگر خواسته باشیم به انواع دیگری از شبکه پل بزنیم (برای مثال می‌توان در صورت لزوم به شبکه سیمی متصل شد).
یکی از مهم‌ترین معایب شبکه‌های زیرساختی این است که برپایی آنها پرهزینه و زمان‌بر است. بنابراین وقتی می‌خواهیم یک دستگاه در نواحی دوردست که زیرساخت ضعیف یا ناموجود است کار بکند نمی‌توانیم بر روی شبکه‌های زیرساختی تکیه کنیم.
در سوی دیگر شبکه‌های بی‌سیم موردی نیازمند مجموعه زیرساخت برای عملکرد خود نیستند. در شبکه‌های موردی هر گره می‌تواند با گره‌های دیگر تعامل داشته باشد و ازاین‌رو هیچ نقطه دسترسی که کنترل دسترسی را ارائه دهد مورد نیاز نیستند. با این‌که مسیریابی در شبکه‌های زیرساختی به وسیله‌ی نقاط دسترسی مدیریت می‌شود اما در شبکه‌های موردی گره‌ها در شبکه کار مسیریابی را انجام می‌دهند.
مسیریابی به معنی یافتن مسیر ممکن بین گره‌های مبدأ و مقصد برای انتقال داده است. همه گره‌ها در شبکه موردی یک جدول مسیریابی دارند که شامل اطلاعاتی در مورد گره‌های دیگر است. به دلیل این‌که ماهیت شبکه موردی دینامیک است، جداول مسیریابی نیز دائماً در حال تغییر هستند. یک نکته مهم این است که شبکه موردی ماهیتی نامتقارن دارد بدین معنی که مسیر آپلود داده و دانلود داده بین گره‌ها در شبکه ممکن است متفاوت باشد. نمونه ملموس شبکه موردی اتصال دو یا چند لپ‌تاپ (یا دستگاه‌های دیگر) به همدیگر به طور مستقیم بدون نقطه دسترسی مرکزی به صورت بی‌سیم یا با کابل است.
چه زمانی باید از یک شبکه موردی استفاده کنیم:
- زمانی که بخواهیم سریعاً یک شبکه همتا به همتا (P2P) بین دو دستگاه ایجاد کنیم.
- زمانی که بخواهیم یک شبکه سریع موقتی ایجاد کنیم.
- زمانی که هیچ زیرساخت شبکه‌ای در یک منطقه در دسترس نباشد (شبکه موردی تنها شبکه‌ای است که در چنین مناطقی می‌توان برپا کرد.)
از آنجا که مسیریابی به وسیله هر گره در این شبکه انجام می‌یابد، باعث می‌شود منابع بیشتری استفاده شوند؛ در صورتی که تعداد دستگاه‌های متصل در شبکه موردی افزایش یابد، زیرساخت شبکه افزایشیم یابد که ممکن است منجر به کندی شبکه بشود.
در این سلسله آموزش‌ها قصد داریم انواع روش‌های ارتباطی را که می‌توان در زمینه اینترنت اشیا (Internet of Things) مورد استفاده قرار داد، بررسی کنیم. شما میتوانید ادامه این بحث را در بخش‌های بعدی بخوانید.
