الدرس الأول منصة إنترنت الأشياء

يقوم الدرس على تنظيم تدفق البيانات في شبكات إنترنت الأشياء عبر ثلاث طبقات رئيسية هي الحوسبة السحابية، والضبابية، والطرفية، بهدف تقليل التأخير الزمني وتخفيف العبء عن الشبكة الأساسية. انظر إلى النظام حين يولد المستشعر قياسات متكررة؛ فبدل إرسال كل بايت مباشرة إلى السحابة البعيدة، تتولى العقدة الضبابية القريبة تصفية البيانات ومعالجتها فورياً، بينما يختص الجهاز الطرفي بالاستشعار المباشر، وتضمن بروتوكولات الاتصال مثل MQTT وCoAP وTCP أو تقنيات المدى القصير والطويل نقل البيانات بأمان وسرعة، مع توفير حلول تلقائية لاستعادة الاتصال عند انقطاعه مؤقتاً.

الفكرة الأساسية

تقوم منصة إنترنت الأشياء على بناء هيكلية متعددة الطبقات لتنظيم نقل البيانات ومعالجتها بين الكائنات الذكية والمراكز السحابية، لتجنب الاختناقات وتقليل التأخير الزمني.

الشرح

تنقسم بنية الحوسبة في إنترنت الأشياء إلى ثلاث مستويات رئيسية: الحوسبة السحابية، والضبابية، والطرفية. الحوسبة السحابية هي الطبقة التحية لمركز البيانات والتي تعالج الحجم الأكبر من التطبيقات والتحليلات الضخمة والتخزين طويل الأجل. الحوسبة الضبابية هي الوسيط بين السحابة والطرفية، وتقع بالقرب من الكائن المادي الذي ينشئ البيانات، وتوفر تحليلاً ضمنياً وتخزيناً مؤقتاً لتقليل حجم البيانات المرسلة للسحابة، مما يقلل التأخير الزمني (Latency) وهو التأخر في معالجة البيانات عبر الشبكة. الحوسبة الطرفية تضم أجهزة قادرة على معالجة البيانات محلياً بفضل قدرات حوسبية على مستوى منخفض، وتتواصل عبر نقاط النهاية (Endpoint) التي توجيه البيانات وتستقبلها. لتنظيم الاتصال، تستخدم البروتوكولات الأساسية مثل بروتوكول التحكم في الإرسال (TCP) الذي يحتاج إلى إنشاء اتصال ومحاكاة لمحادثة هاتفية تضمن وصول البيانات، وبروتوكول حزم بيانات المستخدم (UDP) الذي يرسل البيانات بسرعة دون ضمان وصولها. كما تصنف تقنيات الاتصال حسب المسافة إلى نطاق قصير مثل البلوتوث وNFC، ونطاق متوسط مثل Wi-Fi، ونطاق بعيد مثل التقنيات الخلوية وLPWA.

مثال محلول خطوة بخطوة

إذا كان لديك نظام إنترنت أشياء لمدينة ذكية يضم آلاف المصابيح المتصلة بمستشعرات تقيس الإضاءة:

1. تنشئ المستشعرات في الطبقة الطرفية بيانات متكررة كل ثانية.
2. لو أرسلت كل مصباح بياناته مباشرة إلى الخادم السحابي المركزي عبر مسافات بعيدة، فسيحدث تأخير زمني كبير وازدحام في الشبكة.
3. هنا يأتي دور العقدة الضبابية؛ فهي تتلقى البيانات من المستشعرات القريبة منها جغرافياً، وتصفي البيانات غير المهمة، وتحلل البيانات الحساسة للوقت فورياً محلياً.
4. لا يُرسل إلى الخادم السحابي في الطبقة العليا إلا الملخصات والتحليلات الضخمة التي تتطلب تخزيناً طويل الأجل، مما يقلل النفقات التشغيلية ويحسن كفاءة النظام.

أخطاء شائعة

• الاعتقاد بأن الحوسبة السحابية تلغي الحاجة للحوسبة الضبابية والطرفية، والصواب أنها طبقات تكمل بعضها لتقسيم المهام.
• الظن أن بروتوكول (TCP) يرسل البيانات دون التأكد من استلامها، والصواب أنه يتطلب قناة اتصال ويبني ربطاً مؤكداً بين المصدر والوجهة.
• الخلط بين تقنيات المدى القصير مثل البلوتوث وتقنيات المدى البعيد مثل التقنيات الخلوية.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

سؤال 1: ما الفرق الأساسي بين وظيفة الحوسبة الضبابية والحوسبة السحابية في بنية إنترنت الأشياء؟ الإجابة: الحوسبة الضبابية تقع كمركزشبكي بالقرب من الكائنات المادية لمعالجة البيانات الحساسة للوقت فورياً وتقليل حجم البيانات المرسلة، بينما الحوسبة السحابية تمثل المركز الرئيسي الذي يتولى التخزين طويل الأجل ومعالجة الحزم الضخمة من البيانات للمجموعات والتحليلات المتقدمة. سؤال 2: لماذا يُفضل استخدام بروتوكول (UDP) بدلاً من (TCP) في بعض تطبيقات إنترنت الأشياء ذات الاستجابة الفورية؟ الإجابة: لأن بروتوكول (UDP) يتيح إرسال البيانات بسرعة من المصدر إلى وجهتها دون الحاجة لإنشاء اتصال مسبق أو انتظار تأكيد الاستلام، وهو مناسب للبيانات المتكررة التي لا يضر فقدان جزء بسيط منها مقارنة بأهمية السرعة.