لایه های اینترنت اشیا

لایه‌ های اینترنت اشیا

زیر ساخت اینترنت اشیا دارای معماری چهار لایه‌ای معروف است که گاها آن را بصورت 3، 5 و 7 لایه‌ای هم بیان می‌کنند. در این مقاله قصد داریم به چهار بخش اصلی در ساختار اینترنت اشیا اشاره کرده و بطور کلی عملکرد هر لایه و جزئیات آن را شرح دهیم. قبل از هر تعریف و معرفی، بهتر است بدانیم یک زیر ساخت در اینترنت اشیا چه ویژگی‌ها و چه راه حل‌هایی را برای یک سازمان، یک کسب و کار و یا یک کاربر ارائه دهد. در ادامه به سه مورد مهم از این ویژگی ها اشاره می‌کنیم

• باید یک درگاه قابل اعتماد بین دستگاه‌های کاربران و اینترنت باشد.
• انعطاف پذیر باشد؛ یعنی بتواند دریافت،ذخیره و ارسال داده با حجم زیاد را بین دستگاه های ناهمگن انجام دهد.
• توانایی مدیریت، کنترل بروزرسانی و هماهنگی در لحظه بین سخت افزار و نرم افزارهای مختلف را داشته باشد.

چهار بخش اصلی در ساختار لایه های اینترنت اشیا

بطور کلی یک زیر ساخت لایه ای شبکه در IoT، دارای معماری چهار لایه‌ای معروف است که گاها آن را بصورت 3، 5 و 7 لایه‌ای هم بیان می‌کنند. این چهار بخش اصلی در ساختار اینترنت اشیا عبارتند از لایه ادراک(Perception Layer)، لایه شبکه(Network Layer)، لایه پیش پردازش و یا میان افزار(Middleware Layer) و لایه پردازش/کاربرد(Cloud Layer/Application) که با عنوان اجزای اینترنت اشیا نیز شناخته می‌شوند.

لایه ادراک(Perception Layer) : دستگاه‌های جمع آوری داده

بخش اول دستگاه‌های جمع آوری داده‌ها هستند که در اصطلاح به آنها Frontend و یا دستگاه‌های مرزی نیز گویند. دستگاه‌هایی مانند حسگرها و محرک‌ها هستند.

• حسگرها(Sensors) برای دریافت داده و اطلاعات از محیط کاربر بکار می روند. مانند رطوبت، دما، گاز، نور و حرکت، میزان سطح مایعات، مغناطیس، مسافت، تشخیص شعله و غیره.
• محرک ها (Actuators) معمولا جهت انجام فعالیت‌هایی همچون باز و بسته کردن اهرم ها و جابه جا کردن اشیاء مانند رله‌ها، موتورها، بازوهای رباتیک، شیرهای کنترلی و آژیرها و زنگ هشدار کاربرد دارند.

از وظائف این لایه می‌توان به جمع آوری داده‌ها محیطی از طریق حسگرها، ارسال داده‌ها به لایه شبکه برای انتقال و دریافت فرمان از لایه‌های بالاتر و فعالسازی محرک‌ها را می‌توان نام برد.

لایه شبکه(Network Layer):

این بخش از زیر ساخت شبکه اینترنت اشیا به بخش فناوری و تجهیزات ارتباطاتی تعلق دارد که با تکنولوژی‌های انتقال داده‌ای نظیر Wi-Fi، Lan، Bluetooth و فیبرنوری کار نقل و انتقال داده را انجام می‌دهند.

همچنین در این بخش، دروازه‌های اینترنتی(Gateways) و یا تجهیزات سیستم‌های کشف داده که توانایی کنترل، مدیریت و جمع آوری انبوهی از داده‌ها را داشته باشند مانند تجهیزاتی نظیر Satellites ،Routers ،Switches و BTS (دکل‌های مخابراتی-تلفن های همراه) فعال هستند. از انواع ارتباطات Wi-Fi در این بخش می توان به LPWAN ،WPAN ،LoRa ،RFID ،NFC و 4G/5G/6G اشاره کرد.

لایه پیش پردازش و یا میان افزار(Middleware Layer):

لایه سوم در معماری لایه ای زیر ساخت شبکه در IoT به لایه میان افزار و کنترلی و به تعریف دیگر لایه پیش پردازش تعلق می‌گیرد؛ زیرا که عملکردی آنالیز محور، تحلیلی و پیش پردازشی را بر روی داده‌ها اعمال می‌کند. در واقع این بخش، میان لایه شبکه و لایه ارائه با کاربرد در فضای ابری قرار می‌گیرد. در اصطلاخ این بخش را Edge(لبه) هم می‌نامند و نقش مهم و حیاتی در چرخه پایداری IoT بازی می‌کند.

بدین جهت به عملکرد پردازشی و تحلیلی آن محاسبات لبه(Edge Computing) نیز گفته می‌شود. برخی کارهایی که دستگاه‌های محاسبات لبه بر روی داده‌ها انجام می‌دهند را مانند پالایش، ترجمه پروتکل، پردازش و ذخیره سازی  را می‌توان به عنوان خدمات این لایه نام برد. اجرا و پیاده سازی در سرورهای ابری صورت می‌پذیرد.

برخی ویزگی‌های تجهیزات و دستگاه‌های مربوط به لایه پردازشی

1. میزبانی داده‌های بلادرنگ و یا زمان واقعی (Real-time)
2. ارتباطات دستگاه به دستگاه (M2M)
3. نگه داری موقت(Cache) داده‌ها و جریان‌های داده ای
4. پیش پردازش، پاکسازی، فیلترینگ و جمع آوری برخی داده‌ها
5. تسهیل ارتباط با دستگاه های قدیمی یا غیر متصل به اینترنت
6. امنیت دسترسی کاربر و ویژگی‌های امنیتی شبکه را کنترل می‌کند.
7. مدیریت پیکربندی دستگاه و عیب یابی سیستم

لایه پردازش ابری و کاربرد(Application Layer/Cloud Layer)

لایه پردازش ابری و کاربرد آخرین و مهمترین لایه‌ به دلیل ارائه خدمات نهایی به کاربران است. در این لایه مراکز و یا پایگاه های داده(Datacenters) مستقر هستند. این مراکز داده به علت تجمیع داده‌ های بزرگ به ابر (Cloud) تشبیح می‌شوند. کارهایی که در این لایه صورت می پذیرد عبارتند از: تجزیه و تحلیل داده‌ها، مدیریت و ذخیره سازی و نمایش اطلاعات که از نرم افزارهای کنترلی همانند Dashboard در اتوماسیون های صنعتی، خانه‌های هوشمند، امنیت و نظارت مورد استفاده‌های کاربران قرار می‌گیرند.

به علت اینکه اینترنت اشیا حجم زیادی از اطلاعات را در هر ثانیه تولید می‌کند، سرورهای محلی با منابع محاسباتی و پردازشی محدود، پاسخگو نیستند. از این رو استفاده از خدمات پردازشی ابری بر روی بستر اینترنت شکل می‌گیرد که به نام خدمات ابری (Cloud Services)معروف است.

بخش فضای ابری، هسته و مغز سیستم اینترنت اشیا محسوب می‌شود. از جمله خدمات و کاربرد‌های فضای ابری، ارائه شبکه، سرورها، حافظه ها، پردازنده ها، پایگاه داده ها و نرم افزارهای ابری است. برخی غول های فناوری به  از جمله Google، Amazon، Microsoft و IBM در حال حاضر از رایانش ابری بهره می برند.