راهنمای جامع روش‌های اتصال در اینترنت اشیا (Internet of Things) — بخش دوم: وای‌فای (WiFi) و ترد (Thread)

در بخش اول مطلب راهنمای جامع روش‌های اتصال در اینترنت اشیا به معرفی مقدماتی شبکه‌ها و انواع آنها پرداختیم. (+) اینک به معرفی یکی از رایج‌ترین انواع اتصال بی ‌سیم یعنی وای فای (WiFi) و فناوری ترد (Thread) می‌پردازیم.

وای فای (WiFi)

وای فای یکی از رایج‌ترین پروتکل‌های ارتباطی است. احتمالاً دیگر زندگی بدون وای فای را نمی‌توان حتی تصور کرد. از راحتی منازل تا کلاس‌های درس، کافه‌ها، و فرودگاه‌ها، وای فای را همه‌جا می‌بینیم. وای فای اساساً از یک شبکه زیرساختی استفاده می‌کند که از شبکه‌بندی موردی نیز در حالت زیرساختی پشتیبانی می‌کند.

وضعیت زیرساختی ارتباط‌های بی‌سیم امکانات پل زدن به شبکه‌های دیگر، کنترل دسترسی به واسط و فوروارد کردن را ایجاد می‌کند. کارکردهای مدیریت شبکه در نقطه دسترسی (روتر) قرار می‌گیرند و کلاینت‌ها می‌توانند ساده (در مفهوم شبکه‌بندی) باقی بمانند. همچنین وای فای یک شبکه ستاره‌ای است. ارتباط‌ها از گره‌های بی‌سیم (دستگاه‌ها) به یک نقطه دسترسی مرکزی (روتر یا کنترلر شبکه) می‌روند.

استاندارد کنونی مورد استفاده 802.11ac است که در سال 2013 منتشر شده است، اما استاندارد 802.11n که در سال 2009 منتشر شده بود نیز هنوز رایج است. استاندارد 802.11ac سرعت تا 800 مگابیت بر ثانیه ارائه می‌دهد در حالی که استاندارد 802.11n، حداکثر سرعت 150 مگابیت بر ثانیه دارد.

ممکن است دستگاه‌هایی را دیده باشید که از استانداردهای حتی قدیمی‌تری مانند 802.11a/b/g استفاده می‌کنند که اکنون دستگاه‌های منسوخ محسوب می‌شوند. با این حال وای فای با استانداردهای قدیمی‌تر هم کار می‌کند و دستگاه‌های قدیمی نیز همراه با دستگاه‌هایی که بر اساس استانداردهای جدید طراحی شده‌اند، کار می‌کنند.

برد وای فای دستگاه‌ها به چند عامل بستگی دارد:

• دستگاه از کدام استاندارد وای فای استفاده می‌کند. جدیدترین استانداردها به طور بدیهی برد بیشتری نسبت به نسخه‌های قدیمی‌تر دارند.
• موانع فیزیکی مانند دیوارها نیز نقشی اساسی در تعیین برد دارند. ازاین‌رو برد شبکه وای فای در فضاهای باز می‌تواند بیشتر از فضاهای محصور با دیوار و دیگر اشیای تداخل کننده باشد.

برای حل نقطه‌ضعف وای فای نسبت به دیگر فناوری‌های با توان پایین، فعالیتی در جهت استانداردسازی وای فای توان پایین (IEEE 802.11ah) آغاز شده است. توسعه این پروتکل در جریان است اما در مورد استفاده گسترده از آن در سطح جهانی شک و تردیدهایی وجود دارد. یک از اصلی‌ترین دلایل این مسئله عدم تطبیق آن با استانداردهای قبلی و شبکه‌های 802.11bgn کنونی است.

مزایای وای فای:

• وای فای پوشش برد نسبتاً خوبی دارد و می‌تواند در دیوارها و دیگر موانع سر راه خود نفوذ کند.
• اضافه و حذف دستگاه‌ها به شبکه وای فای بسیار راحت است.

معایب وای فای:

• بدیهی است که حذف سیم منجر به کاهش پهنای باند شده است. امواج رادیویی شبکه ممکن است با دیگر تجهیزات تداخل کنند.
• مهم‌ترین نقص وای فای امنیت آن است که در برابر همتایان سیمی خود بسیار ضعیف‌تر است.

وای فای زمانی که بخواهیم اتصال سریعی بین دستگاه (که باید با وای فای سازگار باشد) و اینترنت برقرار کنیم، بسیار مناسب است. وای فای با هدف محدود بودن مصرف توان طراحی شده است بنابراین می‌توان پروژه را بر اساس طراحی تأمین توان از باتری اختصاصی نیز طراحی کرد. وای فای باید زمانی استفاده شود که زیاد مهم نیست دستگاه چگونه و چه زمان به شبکه وصل می‌شود و با سرور ارتباط می‌گیرد و تنها یک اتصال بی‌دردسر به اینترنت مورد نیاز است.

ترد (Thread)

ترد یک استاندارد باز برای ارتباط دستگاه به دستگاه (D2D) به صورت پایدار، مقرون‌به‌صرفه، توان پایین و بی‌سیم است. ترد به طور خاص برای اتصال وسایل خانگی طراحی شده است. این پروتکل در سال 2014 با تأسیس گروه Thread به منصه ظهور رسید. هم‌اکنون سازمان‌های بزرگی مانند گوگل، سامسونگ، کوالکام و ای آرام ARM از پروتکل ترد برای طراحی و توسعه استفاده می‌کنند.

NEST از شبکه ترد برای محصولات ترموستات و دوربین‌های خود استفاده می‌کند. ترد با هدف استفاده در فضای اتوماسیون خانگی طراحی شده است تا دستگاه‌ها به سهولت متصل شوند و مصرف توان پایینی با عمر باتری طولانی‌مدت و همچنین ارتباط ایمن داشته باشند.

این پروتکل بر اساس معماری 802.15.4 (6loWPAN) طراحی شده است. بهترین بخش در مورد NEST این است که یک پروتکل باز است که بر مبنای نسخه 6 از پروتکل اینترنتی IPv6 طراحی شده است.

دستگاه‌ها در ترد

پروتکل ترد سه نوع اصلی دستگاه در شبکه تعریف می‌کند:

• روترهای مرزی
• روترها و دستگاه‌های انتهایی قابل اتصال به روتر
• دستگاه‌های انتهایی در حالت خواب

روتر مرزی

سیستم ترد نوع خاصی از روتر دارد که روتر مرزی نامیده می‌شود و امکان اتصال از شبکه 802.15.4 به شبکه‌های مجاور بر روی لایه‌های فیزیکی مختلف (مانند وای فای، اترنت) را میسر می‌سازد. اگر یک روتر مرزی دچار مشکل شود، روتر دیگر در شبکه می‌تواند نقش روتر مرزی را بر عهده بگیرد و پایداری پروتکل ترد تضمین می‌شود.

روترها

روترها آن‌چنان‌که از نامشان پیداست، خدمات مسیریابی به دستگاه‌های شبکه را بر عهده دارند. این دستگاه‌ها در برقراری ارتباط دستگاه‌های جدید به شبکه نقش دارند. به‌طورکلی روترها همواره فعال هستند اما می‌توان آنها را به دستگاه‌های انتهایی قابل اتصال به روتر REED تبدیل کرد. این دستگاه‌ها در شبکه ترد، در مسیریابی یا انتقال داده‌ها مشارکت ندارند اما به عنوان یک نقطه انتهایی مضاعف می‌توانند در زمان لزوم به عنوان یک روتر عمل کنند.

دستگاه‌های انتهایی در حالت خواب

این دستگاه‌ها نقاط انتهایی شبکه ترد هستند که دستگاه‌های میزبان نیز نامیده می‌شوند. دستگاه‌های میزبان تجهیزات کارکردی دارای آدرس آی پی مانند ترموستات، دوربین‌های امنیتی، هیتر و … هستند این دستگاه‌ها ممکن است به نام فرزند خوابیده یا گره خوابیده نامیده شوند. روتری که مستقیماً به دستگاه خوابیده متصل می‌شود والد نام دارد. دستگاه‌های خوابیده (نقاط انتهایی) غالب زمان خود را در حالت خواب سپری می‌کند و تنها زمانی که نیاز به ارسال داده باشد بیدار می‌شود. این دستگاه‌ها تنها از طریق دستگاه‌های والد ارتباط برقرار می‌کنند (مثلاً ترموستات NEST یک دستگاه خوابیده است).

یک چرخه معمول برای یک دستگاه چنین است:

• بیدار شدن از حالت خواب.
• اجرای هر نوع رویه آغازین و راه‌اندازی رادیویی مورد نیاز.
• وارد شدن به حالت دریافت و بررسی این‌که امکان ارسال وجود دارد یا نه.
• وارد شدن به حالت ارسال
• ارسال داده
• دریافت تأییدیه کارآمدی
• خواب

برخلاف وای فای که از حالت زیرساختی شبکه استفاده می‌کند، پروتکل ترد یک شبکه‌بندی در حالت موردی است.

مزایا:

• ترد بر اساس آی پی است و ازاین‌رو اتصال آن به شبکه‌های دیگر آسان‌تر است. از آنجا که این پروتکل بر اساس استاندارد 15.4 طراحی شده است، دستگاه‌های موجود مانند ZigBee و 6loWPAN به راحتی می‌توانند به ترد مهاجرت کنند.
• در معماری ترد هیچ نقطه شکست منفردی وجود ندارد و می‌تواند بسته به شرایط شبکه اصلاح شود. این پروتکل از توپولوژی شبکه تمام-توری پشتیبانی می‌کند.
• عملیات با توان پایین انجام می‌گیرد، چون دستگاه‌ها غالباً در حالت خواب هستند.
• ایمن است.

نکته: با این‌که در معماری شبکه ترد هیچ نقطه شکست منفرد وجود ندارد اما به دلیل طراحی نامناسب شبکه ممکن است یک نقطه شکست منفرد پدید آید.

معایب:

• ترد به دلیل پیچیدگی ذاتی خود یک پروتکل نیست که کاربر عمومی به راحتی اجرا کند. این پروتکل با هدف بازار بزرگ اتوماسیون خانگی طراحی شده است.
• ترد یک پروتکل جدید شبکه است که برای تثبیت خود به زمان نیاز دارد.

Silicon Labs و NXP بخشی از ائتلاف ترد هستند که گروه‌های توسعه‌ای تشکیل داده‌اند که از پروتکل ترد پشتیبانی می‌کنند.

بخش دوم معرفی روش‌های اتصال درشبکه‌های اینترنت اشیا در اینجا خاتمه می‌یابد، در بخش بعدی به معرفی پروتکل‌های دیگر این شبکه‌ها شامل Zigbee پرداخته‌ایم.