شبکه های کوتاه برد در جهان امروز که به سوی هوشمندسازی اشیاء و استفاده گسترده از IoT می رود، کاربرد بسیار زیادی دارند. در این شبکه ها، برقراری ارتباط میان دستگاه های مختلف، تنها به کمک پروتکل های مخصوصی انجام می شود که جهت ایجاد ارتباطات بی سیم کوتاه برد، طراحی شده اند. برای آشنایی بیشتر با این پروتکل ها، ما را تا انتهای این مقاله از رادار همراهی نمایید.
مهمترین پروتکل‌های مربوط به شبکه‌های کوتاه برد اینترنت اشیاء
شبکه ها می توانند دور برد یا کوتاه برد باشند. در شبکه های دور برد، امکان اتصال دستگاه ها و ارسال سیگنال در محدوده های وسیع وجود دارد. این محدوده می تواند در شعاع های چند کیلومتری هم باشد. اما در یک شبکه کوتاه برد ارتباطات میان دستگاه ها تنها تا چند ده متر امکان پذیر است. حال با در نظر گرفتن ماهیت شبکه های مبتنی بر اینترنت اشیاء، در میابیم در آن ها از شبکه های کوتاه برد و پروتکل های مرتبط استفاده می شود.
اتصالات بی سیم بسیار متنوع هستند. طوری که گاهی انتخاب پروتکل شبکه می تواند به مسئله سخت و پیچیده تبدیل شود. البته هر یک از این شبکه ها ویژگی های به خصوصی دارند که با در نظر گرفتن آن ها می توان پروتکل مناسب را انتخاب نمود. در این میان تعدادی از فناوری های بی سیم، مناسب فاصله های بسیار کوتاه هستند که از آن ها با نام شبکه های کوتاه برد یاد می شود. مهمترین کاربرد این گونه شبکه ها در هوشمندسازی ساختمان و ایجاد شبکه اینترنت اشیاء می باشد.
در ادامه این مقاله برخی از مهمترین پروتکل های مرتبط با شبکه های کوتاه برد را مورد بررسی قرار خواهیم داد.
1- شبکه زیگ‌بی (ZigBee)
زیگ‌بی نوعی فناوری بی سیم است که برای شبکه های کم هزینه و کم مصرف، کاربرد دارد. این پروتکل به عنوان یک استاندارد جهانی، پاسخگوی نیازهای منحصر به فرد در شبکه های کوتاه برد اینترنت اشیاء می باشد. Zigbee به دستگاه های موجود در شبکه، اجازه می دهد در مدل های مختلف توپولوژی، با یکدیگر ارتباط بگیرند. این پروتکل به گونه ای طراحی شده که عمر باتری های آن طولانی بوده و تا چندین سال نیاز به تعویض باتری نداشته باشید. از این رو آن را در برنامه هایی با سرعت پایین داده و شبکه امن به کار می برند. البته باید بدانید که شبکه های مبتنی بر Zigbee ، تنها به کمک یک رابط سریال ساده مانند Bus Pirate که متصل به یک دستگاه در شبکه باشد، امکان هک شدن دارند.
یکی از مهمترین کاربردهای شبکه بی سیم زیگ بی ، ایجاد ارتباط میان دستگاه های موجود در اتوماسیون های ساختمانی، سیستم خانه هوشمند و کاهش مصرف انرژی است. این فناوری، یک پروتکل باز است و به همین سبب شرکت های مختلف می توانند چیپ های مبتنی بر Zigbee طراحی و تولید نمایند. به طور کلی در یک شبکه کوتاه برد مبتنی بر زیگ‌بی ، از پروتکل شبکه مش (mesh) برای ایجاد ارتباطات محلی استفاده می شود. استاندارد مورد استفاده در این شبکه ها IEEE 802,15,4 بوده و برای شبکه شخصی بی‌سیم (WPAN) ساخته شده است.
در شبکه کوتاه برد زیگ بی، کانال های ارتباطی در باند 2.4 گیگاهرتز هستند که با WiFi، هم فرکانس و هم کانال می باشد. از این رو امکان تداخل میان این دو پروتکل وجود دارد. به چنین شبکه هایی می توان تا 64 هزار دستگاه را به صورت بی سیم با هم مرتبط ساخت. برد این شبکه ها نیز در فاصله 10 تا 100 متر می باشد.
معماری شبکه زیگ‌بی (ZigBee)
در یک شبکه مبتنی بر پروتکل زیگ‌بی ، سه نوع گره به نام های Coordinator، Router و End Device تعریف می شود. هر یک از این گره ها قابلیت ارسال و دریافت داده را دارند اما نقش آن ها با یکدیگر متفاوت است. گره Coordinator جهت دسته بندی اطلاعات و ایجاد امنیت در شبکه به کار گرفته می شود. Routerها نیز به عنوان گره های داخلی، انتقال داده ها را در میان دستگاه ها بر عهده دارند. End Device هم دستگاه هایی با توان مصرفی کم هستند که می توانند به صورت مستقیم و یا از طریق روترها با Coordinator ارتباط بگیرند.
در هر شبکه کوتاه برد مبتنی بر پروتکل زیگ‌بی ، لایه های مختلفی وجود دارد. این لایه ها عبارتند از:
- لایه فیزیکی، بخش ارتباط رادیوئی (مودولاسیون و دمودولاسیون) را شامل می شود که وظیفه آن انتقال و دریافت سیگنال می باشد. در این لایه، فرکانس ارتباطی 2.4 گیگاهرتز بوده و اطلاعات با سرعت 250 kbps ارسال و دریافت می شوند.
- لایه MAC، کار نظارت بر انتقال امن و مطمئن داده ها را انجام می دهد.
- لایه درونی پشتیبانی نرم افزار، وظیفه ایجاد ارتباط داخلی میان دستگاه ها و نرم افزار را بر عهده دارد. در واقع این لایه، مسئول هماهنگ نمودن دو دستگاه بر اساس نوع سرویس ها و نیازها می باشد.
- چهارچوب نرم افزار، که دو نوع سرویس داده را جهت ارتباط دو طرفه و ارسال عمومی ایجاد می کند.
2- شبکه زی‌ویو (Z-Wave)
پروتکل زی‌ویو، در حقیقت یک پروتکل تجاری است که از آن در شبکه های کوتاه برد خانه هوشمند استفاده می شود. به کمک این پروتکل می توان اتصال میان تجهیزات هوشمند را برقرار نموده و به تبادل دستورات و داده ها پرداخت. پروتکل Z-Wave، از طریق ایجاد اتصال دو طرفه در شبکه مش، موجب کاهش مشکلات شبکه شده و اتصالات کم هزینه ای را در اتوماسیون ساختمان ایجاد می کند.
کاربرد اصلی Z-Wave، مشابه با زیگ‌بی بوده اما تفاوت آن در عرضه تجاری و غیر باز پروتکل می باشد. به طور کلی اگر بخواهیم مقایسه ای میان زی ویو با WiFi و بلوتوث به عنوان دیگر پروتکل های شبکه کوتاه برد انجام دهیم، باید اذعان کنیم که در این پروتکل، مصرف نسبت به وای فای کمتر است و نسبت به بلوتوث می تواند شبکه ای با برد بلندتر را پشتیبانی نماید.
تاریخچه زی‌ویو (Z-Wave)
شرکت Zensys، با هدف ایجاد یک راهکار ساده و ارزان، برای کنترل روشنایی در ساختمان های هوشمند، اقدام به ارائه پروتکل زی‌ویو نمود. اتحادیه Z-Wave، از 300 تولیدکننده مستقل دستگاه تشکیل شده است. این تولیدکنندگان در سال 2014، بیش از 1100 نوع محصول مختلف را طراحی و تولید نمودند. به طوری که این محصولات، تمام نیازهای یک اتوماسیون ساختمان مسکونی و تجاری را پوشش می دهد.
معماری شبکه زی‌ویو (Z-Wave)
در یک شبکه کوتاه برد مبتنی بر زی‌ویو، تنها دستگاه های انتهایی اینترنت اشیاء و کنترل کننده های اولیه حضور دارند. در چنین شبکه ای کنترل کننده اولیه می تواند به عنوان هاب خانه هوشمند نیز شناخته شود. این هاب تنها دستگاهی است که با اینترنت ارتباط داشته و دستورات را از طریق اپلیکیشن نصب شده به روی گوشی هوشمند، تبلت یا کامپیوتر کاربر، دریافت می کند.
شبکه کوتاه برد Z-Wave، از توپولوژی مش پشتیبانی نموده و در آن وظیفه ایجاد ارتباط امن میان دستگاه ها، بر عهده کنترل کننده ها می باشد. در این شبکه، دستگاه ها از طریق گره های میانی با یکدیگر ارتباط گرفته و به این ترتیب نقاط کور از میان می روند. فناوری زی ویو دارای لایه های مختلفی است که با یک دیگر در ارتباط هستند و منجر به ایجاد شبکه ای قدرتمند و امن می شوند.
- لایه رادیویی، مسیر میان شبکه و لایه سخت افزاری را که سیگنال از آن عبور می کند، تعریف می نماید. این لایه کار تعیین فرکانس، رمزگذاری و دسترسی سخت افزار را انجام می دهد.
- لایه نرم افزار، پیام ها و دستورات ارسالی میان دستگاه ها را تعریف می نماید.
- لایه شبکه، نحوه تبادل داده میان دستگاه ها و یا گره ها را تعیین می کند. این لایه موظف است، آدرس دهی، سازماندهی شبکه، مسیریابی و … را تحت نظارت خود داشته باشد. لایه شبکه برای انتقال داده ها میان دستگاه های متفاوت، خود از سه لایه دیگر تشکیل می شود که در ادامه بیان می کنیم.
- لایه کنترل دسترسی به رسانه (MAC)، کنترل سخت افزار ارتباط بی سیم دستگاه را برعهده دارد. این لایه امکان دسترسی برای کاربر نهایی را نخواهد داشت.
- لایه انتقال، کنترل پیام و ارتباط بی سیم بدون نقص با دیگر دستگاه ها را انجام می دهد. در این لایه، کاربر نهایی نمی تواند تغییری در عملکرد ایجاد کند اما می تواند نتایج عملکرد را مشاهده نماید.
- لایه مسیریابی، احقاق قابلیت شبکه مش در زی‌ویو (Z-Wave) را برعهده دارد. این لایه، رسیدن پیام به دستگاه مقصد در شبکه مش را تضمین می نماید.
3- فناوری بلوتوث (Bluetooth) و BLE
فناوری بلوتوث، نوعی پروتکل ارتباطی بی سیم است که از آن برای انتقال اطلاعات در شبکه های کوتاه برد استفاده می شود. از جمله مهمترین کاربردهای Bluetooth، می توان به استفاده از آن در بلندگوها، هدفون های بی سیم،کیبورد و پرینترهای بی سیم، ماشین ها، تجهیزات پوشیدنی، ارتباط میان تلفن های همراه، انتقال فایل و … اشاره نمود.
پروتکل بلوتوث، ابتدا جهت کاربردهایی با جریان داده مداوم طراحی شده بود. به این ترتیب می توان داده های زیادی را در زمان کوتاه و در فاصله کوتاه، میان دو دستگاه منتقل نمود.
بلوتوث کم مصرف (BLE)
BLE در حقیقت بلوتوث کم مصرف است که در سرویس ها و تجهیزات IoT به کار برده می شود. این فناوری نسبت به ZigBee و Z-Wave، پایین تر است اما با توجه به ویژگی های به خصوصش همچون پشتیبانی اغلب تلفن های همراه، از آن در تجهیزات اینترنت اشیاء شخصی استفاده می شود. مهمترین کاربردهای این فناوری در اشیائی است که اغلب با فرد همراه هستند. از جمله آن ها می توان به ساعت های هوشمند، مانیتورینگ فشار خون، ردیابی موقعیت جغرافیایی، حمل و نقل عمومی، سنسورهای مانیتورینگ صنعتی و … اشاره نمود.
فناوری بلوتوث کم مصرف (Bluetooth Low Energy)، به عنوان نسخه 4.0 بلوتوث در سال 2001 وارد بازار شد. این پروتکل طوری طراحی شده است که با استفاده از آن در سرویس های اینترنت اشیاء، باتری دستگاه می تواند 4 یا 5 سال دوام داشته باشد. BLE در باند فرکانسی ISM 2.4GHz، کار می کند. این فناوری می تواند در زمان عدم تبادل داده، به خواب رفته و انرژی باتری را ذخیره نماید. زمان اتصال مجدد آن تنها چند ثانیه بوده و سرعت بالایی دارد.
تفاوت بلوتوث و بلوتوث کم مصرف در IoT
فناوری های Bluetooth و BLE، ویژگی های متفاوتی داشته و از این جهت برای اهداف متفاوت از هم کاربرد دارند. به طور مثال در بلوتوث مصرف باتری و هزینه ها بالا است اما با استفاده از آن، می توان داده های زیادی را در مدت زمان کوتاه، میان دو دستگاه منتقل نمود. در مقابل فناوری BLE قرار دارد که بسیار کم مصرف بوده و باتری دستگاه می تواند تا سال ها کار کند. با این حال بلوتوث کم مصرف مناسب کاربردهایی است که نیاز به تبادل حجم زیادی از داده ندارند.
همان طور که می دانید سرویس های اینترنت اشیاء شامل مجموعه ای از دستگاه ها و سنسورهاست که جهت ایجاد در ارتباط میان آن ها، استفاده از فناوری BLE رواج دارد.
معماری پروتکل بلوتوث کم مصرف
در پروتکل بلوتوث کم مصرف برای ایجاد ارتباط میان گره های شبکه، از لایه های مختلفی استفاده می شود. هر یک از این لایه ها وظیفه به خصوصی دارند که با کنار هم قرار گرفتنشان، عملکرد دستگاه BLE امکان پذیر می شود.
- لایه کاربرد، بالاترین لایه در معماری BLE است که بخش های منطق، رابط کاربری و مدیریت داده را در خود می گنجاند.
- لایه هاست، خود از لایه های دیگری تشکیل شده است. این لایه ها به ترتیب عبارت از پروفایل دسترسی عمومی (GAP)، پروفایل مشخصات عمومی (GATT)، کنترل لینک منطقی و پروتکل سازگاری (L2CAP)، پروتکل مشخصه (ATT)، مدیر امنیت (SM)، رابط کنترل‌کننده و هاست (HCI)، سمت هاست می باشند.
- لایه کنترل کننده نیز همانند مورد قبل از لایه های مختلفی اعم از رابط کنترل‌کننده هاست (HCI)، سمت کنترل کننده، لایه ارتباط (LL) و لایه فیزیکی (PHY) تشکیل شده است.
پهنای باند بلوتوث
شبکه های کوتاه برد مبتنی بر بلوتوث در محدوده 2400 تا 2483.5 مگاهرتز و در باند فرکانسی ISM 2.4GHz فعالیت می کنند. در فناوری Bluetooth، داده ها تقسیم به بسته های کوچکی شده و از طریق یکی از 79 کانال بلوتوثی منتقل می شوند. لازم به ذکر است که هر یک از این کانال ها دارای پهنای باند 1 مگاهرتزی می باشند.
4- فناوری وای‌فای (WiFi)
فناوری وای‌فای، یکی از محبوبترین پروتکل ها در شبکه های کوتاه برد است که از آن برای ارائه اینترنت به صورت بی سیم استفاده می شود. در حقیقت WiFi اتصال بی سیم یک دستگاه را به روتر رابط اینترنت فراهم می آورد و به صورت مستقیم به اینترنت متصل نمی شود. علاوه بر این از فناوری وای فای برای ایجاد ارتباط با شبکه محلی دستگاه های متصل استفاده می شود. به این ترتیب می توان دستور چاپ عکس به پرینتر داد و یا فایل های یک دوربین مدار بسته را به صورت بی سیم منتقل نمود. با این حال وجود محدودیت های فراوان مرتبط با تعداد کانال ها، توان مصرفی بسیار بالا و …، سبب شده اغلب کارشناسان استفاده از WiFi را برای شبکه های اینترنت اشیاء (IoT) مناسب ندانند. با این وجود، گستردگی استفاده از آن، سبب به کار بردنش در تجهیزات اینترنت اشیا، به عنوان یک فناوری تاثیرگذار شده است.
در شبکه های کوتاه برد مبتنی بر WiFi از امواج رادیویی در فرکانس های 2.4 گیگاهرتز و 5 گیگاهرتز، جهت انتقال داده و اطلاعات استفاده می شود. دستگاه های موجود در چنین شبکه ای، به طور استاندارد می توانند تا 100 متر (در هوای آزاد) انتقال اطلاعات انجام دهند. اما ساختمان های بلند و اجسام مختلف بر این فاصله عملکرد تاثیر گذاشته و آن را محدودتر می کنند. شبکه های وای فای با استاندارد پروتکل 802.11 کار کرده و بر اساس آن، ارتباطات میان دستگاه ها را تنظیم می کنند.
سخن پایانی
شبکه های کوتاه برد امکان ایجاد شبکه هایی برای کنترل دستگاه ها در فاصله کم را ایجاد می کنند. بیشترین کاربرد این شبکه ها، در اینترنت اشیاء است. امروزه پروتکل های مختلفی برای ایجاد اتصالات کوتاه برد طراحی شده اند که از جمله آن ها می توان به زیگ بی، زی ویو، بلوتوث و وای فای اشاره نمود.
نظر شما در رابطه با شبکه های کوتاه برد چیست؟ روی کار آمدن این فناوری، برای زندگی بشر امروزی چه فوایدی به دنبال داشته است؟
سوالات متداول💡