مقاله کاربردها و چالش های ادغام دو فناوری اینترنت اشیاء و رایانش ابری

بخشی از مقاله

چکیده :

در سال های اخیر مفاهیم جدیدی به نام اینترنت اشیاء و رایانش ابری در دنیای فناوری و ارتباطات مطرح شده اند. این دو مفهوم، دو دنیای کاملاً مستقل اما با ویژگی هایمکمل را تعریف می کنند که سریعاًو مستقلاً سیر تکامل را می پیمایند .

بکارگیری این دو تکنولوژی سبب تحول عظیمی در برنامه های کاربردی مختلف شده است. پیش بینی می شود که استفاده از آنها روز به روز فراگیرتر شده و در زمانی کوتاه تبدیل به مولفه های مهم اینترنت آینده شوند. در مقالات گوناگون این دو فناوری بصورت مستقل مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند، در این مقاله به توضیح الگوی جدیدی که در آن اینترنت اشیاء و رایانش ابری با یکدیگر ادغام شده اند، می پردازیم. این الگو کاربردها، چالش ها و مسائل تحقیقاتی زیادی را پیش رو دارد.

-1 مقدمه

ظهور اینترنت و تحول شگرف آن در زندگی امروزی سبب بروز ایده بکارگیری آن در بخش های مختلف زندگی انسان ها شده است. در سال های اخیر الگوی جدیدی به نام اینترنت اشیاء در دنیای فناوری و ارتباطات مطرح شده است. این تکنولوژی به کمک بسترهای اینترنتی و تجهیزات هوشمند ساز، شبکه ای از اشیاء هوشمند را ایجاد کرده که در یک زیر ساخت جهانی و پویا به یکدیگر متصل شده اند و به کمک کامپیوترها میتوانند سازمان دهی و مدیریت شوند. هدف این فناوری برقراری ارتباط میان تمام اشیاء و تبادل اطلاعات از این طریق است. پیاده سازی چنین مفهومی در کنار مزایا و کاربردهای فراوانش، چالش هایی را نیز به همراه دارد. عمده ی چالش ها در این زمینه در حوزه ارتباطات، ظرفیت های ذخیره سازی و پردازشی خواهند بود.

از طرفی، در سال های اخیر تمایل کاربران به استفاده از سرویس ها و خدمات، بر حسب نیازهایشان و بدون توجه به مکان قرارگیری و چگونگی تحویل آنها افزایش یافته است. تاکنون، نمونه هایی از سیستم های محاسباتی که سعی بر ارائه ی چنین سرویس هایی به کاربران داشته اند، ارائه شده اند. نمونه ای از آنها، فناوری رایانش ابری است.

این فناوری با فراهم کردن ظرفیت های پردازشی و ذخیره سازی انعطاف پذیر و نامحدود سبب شده است تا بسیاری از مشکلات موجود در این زمینه، در حوزه ی فناوری اینترنت اشیاء حل شوند. این موضوع سبب ظهور ایده بکارگیری این تکنولوژی در محیط اینترنت اشیاء شده است. در این مقاله تمرکز ما برروی ترکیب این دو فناوری است. این مقاله شامل چهار بخش کلی است که در بخش دوم به ارائه مفاهیم اینترنت اشیاء و رایانش ابری پرداخته شده است و در بخش سوم دلایل ترکیب این دو فناوری مشخص گردیده است. در بخش چهارم کاربردهای بکارگیری فناوری رایانش ابری در محیط اینترنت اشیاء تشریح گردیده و چالش های هریک از کاربردها ذکر گردیده است.

-2 مؤلفه های الگوی ادغامی اینترنت اشیاء-رایانش ابری

در این قسمت به بررسی عوامل تشکیل دهنده ی الگوی ادغامی اینترنت اشیاء و رایانش ابری به تفصیل می پردازیم :

-1-2  

واژه ی اینترنت اشیاء نخستین بار توسط کوین اشتون در سال 1999 مطرح شد. او پتانسیل های اینترنت اشیاء را این چنین شرح داد: کامپیوتر ها و همچنین اینترنت امروزی برای کار نیازمند دخالت انسان ها می باشند. مشکل موجود در این زمینه وقت محدود و نیز اشتباهات زیادی است که ممکن است در کار یک انسان رخ دهد و این بدین معناست که انسان ها برای ثبت و ضبط اطلاعات چندان مناسب نیستند. اگر ما کامپیوتر هایی داشته باشیم که تمامی اطلاعات مورد نیاز در حوزه ی اشیاء را، با استفاده از داده هایی که بدون دخالت انسان ها جمع آوری شده اند، بدانند میتوانیم همه چیز را تحت کنترل داشته باشیم و در وقت و هزینه ها نیز صرفه جویی چشمگیری انجام دهیم 

ایده ی اینترنت اشیاء این گونه شکل گرفت و در تعریف آن می توان به شبکه ای جهان گستر از اشیایی که بصورت منحصر به فرد آدرس دهی شده اند و از طریق پرتکل های ارتباطی استاندارد قادر به برقراری ارتباط با یکدیگرند، اشاره کرد

فضای اینترنت اشیاء [3] شامل دستگاه های فیزیکی ساده و پیچیده خواهد بود. دستگاه های ساده میزان هوش پایینی دارند و تنها قادر به ارسال و یا دریافت داده از طریق اینترنت هستند در حالی که دستگاه های پیچیده تر توانایی برقراری ارتباط با دیگر دستگاه ها، تصمیم گیری بر اساس اطلاعات محلی و عملکرد مستقل و یا هماهنگ با دیگر دستگاه ها را دارند. نمونه ای از این دستگاه ها تلفن های هوشمند و ربات ها هستند. شکل - 1 - دسته بندی اشیاء را در فناوری اینترنت اشیاء نشان می دهد

شکل :[3] - 1 - دسته بندی اشیاء در اینترنت اشیا

بصورت کلی اشیاء هوشمند، موجودیت هایی هستند که : [4]

1.    دارای شکل فیزیکی بوده و مجموعه ای از مشخصات فیزیکی نظیر اندازه و شکل را دارا می باشند.

2.    دارای مجموعه ای محدود از کارکردهای ارتباطی نظیر قابلیت شناسایی، دریافت پیام های ارسال شده توسط موجودیت های دیگر و پاسخ به آنها می باشند.

3.    دارای مشخصه های منحصر به فردی هستند.

4.    حداقل به یک نام و یک آدرس مرتبط هستند. نام توصیفی از شئ است که توسط انسان قابل خواندن و برای اهداف مستدل قابل استفاده است. آدرس رشته ای قابل خواندن توسط ماشین است و برای برقراری ارتباط با دیگر اشیاء قابل استفاده است.

5.    دارای برخی قابلیت های محاسباتی هستند. محدوده ی این قابلیت ها می تواند از توانایی های رایانشی ساده نظیر مرتبط کردن یک پیام ورودی به یک اثر انگشت تا قابلیت های پیچیده ای نظیر کشف سرویس و کارهای مدیریتی شبکه تغییر کند.

6.    ممکن است دارای قابلیت های سنجش پدیده های فیزیکی نظیر دما، نور و یا سطح امواج الکترومغناطیس باشند و یا دارای توانایی انجام کارهایی با تاثیر برروی واقعیت های فیزیکی باشند.

- 1-1-2

اینترنت اشیاء دارای مؤلفه های مختلفی است که بصورت کلی میتوان آنها را به سه دسته اصلی تقسیم کرد :

·    سخت افزارها، که شامل حسگرها، عملگرها و سخت افزارهای ارتباطی تعبیه شده در دستگاه های مختلف می باشد.

·    میان افزارها، که در برگیرنده ابزارهای پردازشی و ذخیره سازی مبتنی بر تقاضا برای تحلیل داده ها می باشند.

·    ارائه کننده ها، که شامل ابزارهای مفسر و ویژوال کردن می باشند. این ابزارها از طریق پلت فرم های مختلف قابل دسترس هستند و همچنین برای کاربردهای مختلف طراحی شده اند.

فناوری های گوناگونی از قبیل چیپ شناسایی مبتنی بر فرکانس رادیویی - RFID - ، شبکه حسگر بی سیم، تکنولوژی های بکار رفته در زمینه آدرس دهی، ذخیره سازی و تحلیل داده ها و نیز فناوری های مرتبط با ویژوال کردن در این سه گروه قرار میگیرند که شرح آنها در زیر آمده است :

.1چیپ شناسایی مبتنی بر فرکانس رادیویی : - RFID - تکنولوژی RFID نقش کلیدی را در اینترنت اشیاء بازی میکند. این فناوری ضمن کمک به شناسایی اشیاء متصل شده به آنها، اجازه می دهد این اشیاء مشخصه های دیجیتالی منحصر به فردی داشته باشند تا بتوانند به شبکه ها ملحق شوند و از اطلاعات و سرویس های دیجیتال بهره گیرند 

برچسب های موجود در این فناوری را می توان بر اساس منبع انرژی مورد استفاده شان به سه نوع مختلف تقسیم بندی کرد: برچسب های فعال، غیر فعال و نیمه غیر فعال. برچسب های فعال و غیر فعال تفاوت های بسیاری دارند اما می توان اشاره کرد که برچسب های فعال، انرژی مورد نیاز خود را از باتری همراهشان دریافت می کنند درحالی که برچسب های غیر فعال به خودی خود دارای منبع انرژی نبوده و برای بکار افتادن باید از انرژی امواج الکترومغناطیسی منتشر شده از برچسب خوان استفاده نمایند و البته محدوده و دامنه خواندن کمتری نسبت به برچسب های فعال دارند.

برچسبهای غیرفعال قیمت کم و طول عمر زیادی دارند و ابعادشان نیز کوچک است. نوع دیگری از برچسب نیز برچسب نیمه غیر فعال می باشد که علاوه بر استفاده از باطری داخلی اش، میتواند از انرژی امواج منتشر شده از برچسب خوان نیز استفاده نماید.

.2 شبکه های حسگر بی سیم :

یکی دیگر از مولفه های اساسی اینترنت اشیاء شبکه های حسگر بی سیم هستند. پیشرفتهای اخیر در زمینه الکترونیک و مخابرات بیسیم توانایی طراحی و ساخت حسگرهایی با توان مصرفی پایین، اندازه کوچک و قیمت مناسب را برای استفاده در کاربردهای مختلف و راه دور فراهم کرده است.

یک شبکه حسگر بی سیم از تعداد زیادی گره حسگر تشکیل شده که مکان قرارگیری آنها لزوماً از قبل مشخص نشده است. داده های تولید شده توسط سنسورها میان نودها به اشتراک گذاشته میشوند و در نهایت به یک سیستم توزیع شده و یا متمرکز برای تحلیل ارسال میشوند.

به کمک این شبکه ها میتوان وضعیت اشیاء مختلف را بدرستی پیگیری کرد و نیز اطلاعاتی راجع به محیط، دما، رطوبت و غیره بدست آورد. از این نوع شبکه ها میتوان در کاربردهای مختلفی نظیر درمان، خدمات دولتی، نظامی و غیره بهره برد. با این وجود، شبکه های حسگر بی سیم دارای مشکلاتی در حوزه ی حافظه، انرژی، محاسبات، ارتباطات و مقیاس پذیری می باشند که جامعه ی محققین در حال بررسی و یافتن راه حل های مناسب برای آنها هستند

.3 تکنولوژی های بکار رفته در زمینه آدرس دهی :

یکی دیگر از موارد ضروری در حوزه ی اینترنت اشیاء، توانایی آدرس دهی منحصر به فرد به هر شئ موجود در این محیط می باشد. این قابلیت اجازه ی شناسایی هر شئ و نیز کنترل از راه دور آن را از طریق اینترنت امکان پذیر می کند

آدرس های کنونی - پرتکل اینترنت نسخه چهار - بدلیل محدودیت در تعداد و نیز آدرس دهی گروهی حسگرهای نزدیک به هم نمی توانند در اینترنت اشیاء مورد استفاده قرار گیرند. پرتکل اینترنت نسخه شش و ویژگی های آن تا حدودی می تواند این گونه مشکلات را حل کند، با این حال، طبیعت ناهمگن نودهای بی سیم شرکت کننده، انواع مختلف داده ها، عملکردهای هم زمان و تلاقی داده های منتشر شده از دستگاه های مختلف مشکلاتی را ایجاد خواهند کرد

جنبه دیگر اینترنت اشیاء انتقال بی وقفه و پایدار داده از همه جا به درون کانال های مربوطه است، اگرچه TCP/IP بوسیله مسیریابی کارا و قابل اعتماد سعی در حفاظت از این انتقال ها - از منبع به مقصد - دارد اما این فناوری با یک گلوگاه در واسط میان دروازه و دستگاه های سنسور بی سیم روبرو میشود. بعلاوه، آدرس ها باید مقیاس پذیر باشند، اضافه شدن شبکه ها و دستگاه های جدید نباید کارایی شبکه، عملکرد دستگاه ها، قابلیت اطمینان داده های درون شبکه و استفاده موثر از دستگاه ها از طریق واسط های کاربری را تحت تاثیر قرار دهد. برای غلبه بر این مسائل، سیستم آدرس دهی منحصر به فردی به نام سیستم نام منبع یکپارچه برای استقرار اینترنت اشیاء بصورت اساسی در حال بررسی است.

.4 تکنولوژی های بکار رفته در زمینه ذخیره سازی و تحلیل داده ها :

اشیاء موجود در محیط اینترنت اشیاء سبب تولید حجم عظیمی از اطلاعات می شوند. در این زمینه ذخیره سازی، مالکیت و انقضای داده ها موضوعات بسیار مهمی می باشند. داده ها می بایستی به درستی ذخیره و به گونه ای هوشمندانه در جهت نظارت و عملکرد صحیح بکارگرفته شوند. در این راستا توسعه ی الگوریتم های هوش مصنوعی که می توانند بر اساس نیاز توزیع شده و یا متمرکز باشند و نیز الگوریتم های فیوژن جدید، برای استنتاج منطق از داده های جمع آوری شده، و همچنین الگوریتم های یادگیری ماشین مانند الگوریتم های ژنتیک، تکاملی، شبکه های عصبی و تکنیک های دیگر برای ایجاد سیستم تصمیم گیری خودکار ضروری می باشند.