شبکه کامپیوتری یک سیستم کامپیوتری است که به کمک آن، دستگاه‌های مختلفی از جمله کامپیوترها، لپتاپ‌ها، تبلت‌ها، موبایل‌ها و دستگاه‌های دیگر، با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند و از طریق آن، امکان انتقال داده‌ها، به اشتراک گذاری منابع و ارائه خدمات مختلف از جمله اینترنت، ایمیل، فایل‌ها، پرینترها و غیره وجود دارد.
شبکه کامپیوتری از دو بخش تشکیل شده است، بخش سخت افزاری و بخش نرم افزاری.
بخش سخت افزاری شامل سوئیچ ها، روترها، کابل‌ها و دستگاه‌های شبکه است. بخش نرم افزاری شامل پروتکل‌های شبکه، سیستم عامل‌های شبکه و نرم افزارهای مدیریت شبکه است.
در این مقاله از سری مطالب مقالات مهندسی کامپیوتر به بررسی شبکه های کامپیوتری Machine 2 Machine میپردازیم.
شبکه M2M چیست؟
M2M به تجهیزات موجود در هر شبکه این امکان را میدهد تا با یکدیگر تبادل اطلاعات کنند و بدون کمک دستی از سوی انسان کار خود را انجام دهند. ارتباط M2M اغلب برای نظارت از راه دور استفاده می‌شود. برای مثال یک ماشین فروش خودکار میتواند با مشاهده اتمام یک کالای خاص در خود به توزیع‌کننده پیام دهد که موجودی را مجددا پر کند. ارتباط M2M یک جزء بسیار مهم در دورسنجی، انبارگردانی، کنترل از راه دور، کنترل ترافیک و روباتیک، سرویس‌های پشتیبانی، مدیریت زنجیره عرضه، مدیریت ناوبری و حتی پزشکی از راه دور محسوب می‌شود.
ارتباط ماشین با ماشین ارتباطی است که در آن ماشین‌ها از منابع شبکه برای ارتباط با زیرساختارهای دور جهت نظارت و کنترل بر خود ماشین یا محیط اطراف آن استفاده می‌کنند.
اتصال درونی بالقوه بین اشیای هوشمند و روش تعامل ما با محیط همان چیزی است که اینترنت اشیا نامیده می‌شود؛ حوزه‌ای که در آن جهان واقعی با جهان دیجیتالی در یکدیگر ادغام می‌شوند.
“مت هاتون” در تلاش برای تشریح رابطه بین این دو مفهوم ارتباط ماشین با ماشین را نوعی پیمایش اینترنت اشیا می‌داند. ارتباط ماشین با ماشین امکان اتصال را در اختیار اینترنت اشیا قرار میدهد و بدون وجود این ارتباط عملا اینترنت اشیا شکل نمی‌گیرد.
ارتباط ماشین با ماشین با پروتکل‌های اینترنتی را میتوان خرده مجموعه اینترنت اشیا نامید و آن را حاصل شناخت از منظری عمودی و نزدیک دانست.
در مقابل، اینترنت اشیا شامل یک رویکرد افقی است که در آن کارکردهای عمودی در یکدیگر ادغام می‌شوند تا نیازهای بسیاری از کاربران برآورده شود.
تفاوت اینترنت اشیا و M2M چیست؟
این دو مفهوم یعنی M2M و IOT دارای دو معنای متفاوت هستند.بیشتر افراد معتقدند اینترنت اشیا مفهومی بسیار گسترده تر از ارتباط ماشین با ماشین است.
این دو یکی نیستند در واقع IOT به M2m نیاز دارد اما M2M به آن نیازی ندارد. درست است که هردوی اینها به ارتباط دستگاه ها مرتبط هستند اما در واقع یکی نیستند اکثرا اوقات اتصالات M2M ایزوله هست و یک وسیله مستقل شبکه می باشد.
سیستم M2M از ارتباط point-to-point بین ماشین ها استفاده می کند سنسور ها و سخت افزار به وسیله ارتباط سیم یا سلولی.
در حالی که IOT از شبکه های مبتنی بر IP برای ارسال و دریافت اطلاعات از سنسور و دستگاه های متصل به GateWay استفاده می کند.
اطلاعات جمع آوری شده در M2M توسط اپلیکیشن مدیریت سرویس مورد استفاده قرار میگیرد در حالی که اطلاعات IOT با یک سیستم بزرگ بصورت یکپارچه در ارتباط می باشد تا عملکرد کسب و کارهای گروهای مختلف و بهبود ببخشد.
اتصال درونی بالقوه بین اشیای هوشمند و روش تعامل ما با محیط ،همان چیزی است که اینترنت اشیا نامیده می‌شود؛ حوزه‌ای که در آن جهان واقعی با جهان دیجیتالی در یکدیگر ادغام می‌شوند.
تفاوت M2M (ماشین به ماشین) با IOT (“اینترنت اشیا”) بدین صورت است که در سیستم‌های M2M دستگاه‌ها به صورت یک به یک با یکدیگر ارتباط دارند و عملاً داده‌های بسیار مابین دستگاه‌ها تبادل نمی‌شود و متعاقباً محلی برای ذخیره داده‌ها وجود ندارد.
در سیستم‌های “اینترنت اشیا” تمامی داده‌های سنسورها یا دستگاه‌های ارسال‌کننده از طریق یک واسط اینترنت یا اینترانت به سرورها ارسال می‌شود و گیرنده‌ها (داشبوردها یا نرم‌افزارهای کاربردی) داده‌های مورد نیاز را از سرورها دریافت می‌کنند.
بدین صورت حجم زیادی از داده در سرورها ذخیره می‌شود.
در “اینترنت اشیا” میتوان با انجام پردازش‌های متناسب اطلاعات ارزشمندی از داده‌های خام استخراج کرد.
شبکه M2M برای استفاده در کارخانه ها و صنایع به وجود آمد زمانی که دیگر تکنولوژی ها مثل SCADA و سیستم های مانیتورینگ ریموت کمک میکردند تا از راه دور تجهیزات را مدیریت کرد.
اولین استفاده کننده ارتباط M2M به تئودر جورج نسبت داده شده است کسی که مخترع تکنولوژی های مرتبطی مثل انتقال اطلاعات از بستر خط تلفن و کالرآیدی می باشد.
شرکت نوکیا یکی از اولین کمپانی هایی بود که از تکنولوژی M2M در دهه 90 استفاده کرد همچنین در سال 2002 با کمک شرکت Opto 22 ارتباط بی سیم M2M به مشتریان خود ارائه میکرد.
در سال 2003 مجله M2M منتشر شد که در که M2M را در شش ستون تعریف میکرد که شامل نظارت از راه دور, RFID, سنسورهای شبکه,سرویس های هوشمند, تلمتری و تلماتیک می باشد.
شبکه M2m چگونه کار میکند؟
هدف اصلی استفاده از شبکه های M2M قرار دادن اطلاعات برروی سنسور و ارسال آن به شبکه می باشد. برخلاف SCADA تکنولوژی M2M گاهی اوقات از شبکه های عمومی و متد های دسترسی استفاده می کند برای مثال ارتباط اترنت یا سلولی تا هزینه کمتر و موثر تری داشته باشد.
اصلی ترین اجزای شبکه های M2M شامل سنورها, RFID, یک لینک ارتباطی سولی یا وای فای و یک نرم افزار برنامه نویسی شده محاسبه اتوماتیک برای ترجمه اطلاعات و تصمیم گیری می باشد.
یکی از بهترین نمونه های سیستم M2M تلمتری می باشد که از اوایل قرن قبل برای ارسال اطلاعات مورد استفاده قرار میگیرد.
پیشگامان در تلمتری اوایل از خطوط تلفن و بعد از امواج رادیو استفاده میکردند تا کارایی های اندازه گیری شده توسط ابزار را از راه دور ارسال کنند.
گسترش اینترنت و بهبود استاندارد های تکنولوژی وایرلس باعث شد تا تلمتری از یک علم محض به استفاده روزانه ما در صنایع و مهندسی تبدیل شود.
مزایا استفاده M2M
- کاهش هزینه با کم کردن هزینه نگهداری و خرابی تجهیزات
- افزایش درامد با اشکار کردن فرصت های تجاری جدید در تعمیر تجهیزات
- بهبود خدمات مشتری با کنترل فعالانه و تعمیر تجهیزات قبل از خرابی آن
اپلیکیشن های M2M
ارتباط Machine-to-machine معمولا برای کنترل و دسترسی از راه دور استفاده می شود. شرکت های آب و برق و انرژی زیادی معمولا از دستگاه های M2Mاستفاده می کنند برای اندازه گیری میزان مصرف,دما,فشار و وضعیت تجهیزات. همچنین M2M در زمینه های سلامتی, کنترل راه دور,ترافیک,لجستیک و… مورد استفاده قرار میگیرد.
امنیت
امنیت همیشه یکی از دغدغه های اصلی انسان در دنیای امروزی هست و از زمان پیدایش اینترنت تا کنون امنیت اطلاعات همیشه در معرض خطر بودند.
شبکه های M2M هم مانند هر تکنولوژی دیگه ای دارای چالش های امنیتی مختلفی می باشد از دسترسی غیر مجاز گرفته تا هک کردن سیستم از طریق ارتباط بی سیم.
امنیت فیزیکی, حریم خصوصی و وضعیت های بحرانی نیز باید در نظر گرفته شوند.
معیار های امنیتی در شبکه M2M شامل مقاومت ماشین ها در برابر تهاجم, اطمینان از انتقال اطلاعات بصورت رمزنگاری شده, امنیت کدهای سرور و… می باشد.
جدا سازی دستگاه ها در شبکه های خود و مدیریت احراز هویت دستگاه ها و آپ تایم بودن دستگاه به مبارزه با این مشکلات کمک می کنند.
استاندارد های M2M
- OMA DM پروتکل مدیریت دستگاه ها
- MQTT پروتکل ارسال پیام
- TR-069 پروتکل لایه اپلیکیشن
- HyperCat پروتکل کشف اطلاعات
- OneM2M پروتکل ارتباطی
- Google Thread یک پروتکل بی سیم مش
زمانی که صحبت از ارتباط M2m می شود اغلب افراد به یاد ارتباط سلولی برای دستگاه های embedded میافتند در این مورد میتوان از دستگاه های فروش که میزان موجودی را ارسال می کنند یا دستگاه های خودپرداز که مبلغ مورد نظر را حساب می کنند نام برد.
همونطور که پیش بینی شده شبکه M2M میزبان میلیون ها دستگاه باشد چالش ها و مشکلات مختلفی را هم با خود هم راه خواهد داشت یکی از این مشکلات و نگرانی ها عدم توانایی شبکه سنتی وایرلس در انجام مکانیسم های مدیریتی به دلیل وجود تعداد زیادی دستگاه متصل به شبکه می باشد که کیفیت ارتباطی آنها را کاهش می دهد
آشنایی با مک Mac
طرح کنترل دسترسی متوسط (mac) قوانین را تعریف می کند که به دستگاه اجازه میدهد با یکدیگر به یک شیوه کارآمد و منظم ارتباط برقرار کنند.
پروتکل مک نقش حیاتی در دستیابی دستگاه ها به ارتباط خودکار ایفا می کند.
به طور کلی پروتکل سنتی مک می تواندبه سه دسته گسترده تقسیم شود با
عنوان های : طرح های هیبریدی, مبتنی بر تضاد و بدون قید و شرط.
این سه طرح در رویکرد زمان انتقال و مدیریت متفاوت هستند. در طرح مبتنی بر تضاد گره ها برای دسترسی به رسانه مشترک با هم رقابت می کنند و زمانی که هر گره کانال را به دست میگیرد در مدت زمان مشخصی شروع به ارسال اطلاعات می کند و اگر کانال مشغول باشد از ارسال خودداری می کنند. در طرح بدون قید و شرط از قبل یک مدت زمان مشخص برای هر گره تعیین شده است تا اطلاعات خود را ارسال کند و در طرح هیبریدی هم از ترکیب دو طرح قبلی استفاده می شود.
مدیریت دسترسی در شبکه سلولی M2M
در شبکه های سلولی هم دستگاه ها برای دسترسی به کانال وایرلس با هم رقابت می کنند به دلیل این که شبکه M2M شامل تعداد بسیار زیادی دستگاه می باشد و ضروری هست که روش های بهینه ای برای دسترسی به کانال استفاده شود.
برای مثال یک روش استاندار دسترسی رندوم RA وجود دارد برای جلوگیری از تصادم در شبکه های LTE.[3]
شبکه M2M در واقع تکنولوژی جدیدی نیست
ازدحاد و درخواست زیاد اینترنت موبایل باعث به وجود اومدن پوشش اینترنت در سراسر کشور ها شده است. امروزه شبکه های پیشرفته بی سیم آماده هستند تا سرویس پهنای باند دیتا را به شکل بسیار ارزان قیمت تری نسبت به گذشته ارائه کنند.
این شبکه ها ارائه دهنده بسیاری از ویژگی های لازم برای فعال کردن سرویس های M2M در اینترنت نهفته (embedded) هستند.
مدیریت
چشم انداز آینده شبکه های کامپیوتری معمولا نشان دهنده این هست که تعداد خیلی زیادی دستگاه مختلف با همدیگه از طریق شبکه های ناهمگون در ارتباط هستند.تمام این دستگاه ها به تنهایی نمیتوانند کاری انجام دهند اما تعداد زیادی از دستگاه ها برای رسیدن به یک هدف با همدیگه همکاری مشترکی انجام می دهند و این پردازش های توزیع شده قطعا باعث چالش و مشکلات بسیاری خواهد شد.
برخلاف مدیریت سنتی شبکه های مخابراتی, شبکه های M2M ویژگی های خاصی دارند برای ارتباط های M2M دارند که زمان طراحی یک سیستم مدیریتی کارآمد شبکه های M2M باید در نظر گرفت.
اگر بخواهیم مثالی از این ویژگی های خاص بزنیم میتوانیم بگوییم این شبکه شامل دستگاه های در حال خواب,نواحی کم قدرت شبکه , شبکه های ناهمگون و دستگاه هوشمند می باشد. ویژگی های خاصی مثل پویایی, حساسیت زمانی اطلاعات و حجم اطلاعات نیز مهم می باشد ولی از در هر اپلیکیشن این ویژگی ها متفاوت هست اما باز هم باید از آنها مطلع بود.
ترافیک بیشتر و میانگین در آمد بیشتر از هر کاربر (ARPU)
زمانی که M2M حجم کاربر و در آمد کمی داشت گذشته است امروزه اپلیکیشن هایی با پهنای باند بیشتر درآمد و سود بیشتری نیز تولید می کنند.
معماری شبکه M2M
سیستم های M2M ترکیبی از تکنولوژی های ناهمگون الکترونیکی, ارتباطی و نرم افزاری می باشند. معماری عمومی شبکه های M2M مثل معماری های گفته شده در ETSI TC
در شکل یک پایین نشان داده شده است.
بر اساس این نوع معماری دستگاه های M2M تشکیل یک شبکه منطقه ای M2M
می دهند. از این نوع معماری میتوان در خانه های کوچک تا کارخانه های بسیار بزرگ استفاده کرد. شبکه منطقه M2M خود به یک شبکه ارتباطی نظیر ایستگاه های سلولی متصل می شود .همچنین از طریق شبکه های ارتباطی آنها به سرور مدیریت M2M نیز متصل می شوند.
اطلاعات در سیستم M2M از یک منطقه شبکه به هسته ارتباطی شبکه منتقل می شود. زمانی که اطلاعات منطقه شبکه را ترک کردند و به هسته ارتباطی رسیدند اولین مقصد آنها معمولا gateway می باشد. Gateway یک دستگاه می باشد که پروتکل های ارتباطی را انتخاب می کند و اطلاعات ورودی را نیز به فرمت مورد تایید شبکه تبدیل می کند. لایه میانی middleware که مسیر بسته های اطلاعات و تعیین می کند و فرمت آنها را تبدیل می کند می تواند به عنوان یکی از بخش های هسته ارتباطی شبکه قرار گیرد.
همچنین این middleware می تواند وظایف مدیریتی نظیر ورود(لاگین) , نوتیفیکیشن و پیکربندی خودکار را هم انجام دهد.
شبکه ارتباطی از هر نوع تکنولوژی می تواند باشد بی سیم Lan, ,ماهواره ای,اترنت,خطوط تلفن یا شبکه های سلولی.
سرانجام اطلاعات وارد یک فرآیند کاری یکپارچه در لایه اپلیکیشن M2M می شود مثل اندازه گیری های هوشمند, ناوگان مدیریتی, سرویس های سلامتی و…
توجه داشته جریان و مسیری که در بالا گفته شده است همیشه به این شکل نیست و در هر اپلیکیشنی میتواند متفاوت باشد.
نیازمندی های مدیریت M2M
- مدیریت خطا FM شامل مجموعه اقدامات شناسایی, ایزوله کردن و تصحیح خطا در شبکه می باشد. مدیریت خطا همچنین برای جبران تغییرات محیطی, نگهداری و بررسی لاگ فایل ها, تایید و انجام عمل متقابل در مقابل دریافت نوتیکیفیشن خطا و انجام تست های گوناگون نیز استفاده می شود.
مدیریت خطا بخش ضروری تمام اپلیکیشن ها و شبکه های ماشین -2-ماشین می باشد. مدیریت خطا می تواند دوره ای یا بر اساس رویداد محور تنظیم شود. - پیکربندی مدیریت CF: برای اینکه یک دستگاه عملیاتی شود بخش های مختلفی نیاز دارند تا پیکربندی شوند که شامل دستور عمل های زیر است:
- دوره اطلاع رسانی: اینکه چه دستگاهی در چه بازه زمانی و چگونه توسط مدیریت اطلاع رسانی شود.
- پیکربندی سرور: اینکه کدام سیستم مدیریتی باید استفاده شود و چه نوع متدی برای احراز هویت استفاده شود.
- درخواست ارتباط: تعیین رمز عبور و نام کاربری مورد استفاده در هنگام در خواست اتصال.
- امنیت: هکر ها و بدافزارها به تمام دستگاه های متصل به اینترنت در سراسر دنیا دسترسی دارند از تجهیزات نظامی و پزشکی گرفته تا خانه های هوشمند به همین دلیل یکی از نکات مهم در برپایی شبکه های این چنینی اطمینان از احراز هویت, حریم شخصی و دسترسی منابع مورد اعتماد به اطلاعات می باشد.