[ez-toc]

مقدمه

با گسترش فناوری اینترنت اشیا (IoT)، مدل‌های مرجع مختلفی برای استانداردسازی و معماری سیستم‌های IoT از سوی نهادهای معتبر بین‌المللی مانند ITU، Cisco و Gartner ارائه شده است. این مدل‌ها نقش کلیدی در طراحی، توسعه، پیاده‌سازی و مدیریت سامانه‌های هوشمند از جمله شبکه‌های هوشمند توزیع گاز دارند. در این مقاله به بررسی جامع مدل مرجع ITU و مقایسه آن با دیگر معماری‌های مهم اینترنت اشیا می‌پردازیم.

اینترنت اشیا مدل ITU اتحادیه جهانی مخابرات

 ساختار لایه‌ای مدل ITU

مدل ITU دارای ۴ لایه افقی و ۲ لایه عمودی (مدیریت و امنیت) است:

• لایه کاربرد: شامل کاربردهایی مثل هوشمندسازی شبکه گاز.

• لایه پشتیبانی از سرویس: پشتیبانی عمومی و اختصاصی از سرویس‌های کاربردی.

• لایه شبکه: کنترل دسترسی، انتقال داده‌ها، نظارت و احراز هویت.

• لایه دستگاه: ارتباط مستقیم/غیرمستقیم تجهیزات با شبکه.

 لایه‌های عمودی:

• مدیریت: پیکربندی، توپولوژی، مدیریت ترافیک، صورتحساب و نگهداری.

• امنیت: احراز هویت، مجوزدهی، حفظ حریم خصوصی، کنترل دسترسی و محرمانگی.

 مدل مرجع Cisco – اینترنت اشیاء داده‌محور

مدل سیسکو دارای ۷ لایه و رویکردی داده‌محور است:

1. دستگاه‌ها و کنترلرها: تجهیزات فیزیکی و حسگرها.

2. اتصالات: ارتباط بین تجهیزات و شبکه‌ها.

3. محاسبات لبه (Edge Computing): تحلیل اولیه داده‌ها.

4. انباشت داده: تبدیل داده‌های در جریان به داده‌های ذخیره‌شده.

5. انتزاع داده: تسهیل در دسترسی و بازیابی داده.

6. کاربردها: تحلیل، گزارش‌گیری و کنترل فرآیندها.

7. فرآیندها و تعاملات انسانی: تصمیم‌گیری و بهره‌برداری توسط انسان‌ها.

 مدل گارتنر – لبه، پلتفرم، کسب‌وکار

مدل مرجع Gartner از سه حوزه اصلی تشکیل شده است:

• لبه (Edge): حسگرها، کنترلرها و گره‌های ورودی داده.

• پلتفرم (Platform): پردازش، میان‌افزار، پایگاه داده و تحلیل.

• کسب‌وکار (Business): تجزیه تحلیل نهایی، تصمیم‌سازی و مدیریت مدل کسب‌وکار.

این مدل شامل ۵ لایه اصلی است:

1. دستگاه‌ها

2. ارتباطات

3. اطلاعات

4. کارکرد (Functionality)

5. فرآیند (Process)

معماری سه‌لایه اینترنت اشیا

مدل ساده و پایه‌ای که شامل سه لایه اصلی است:

• لایه تجهیزات اندازه‌گیری: حسگرها، فعالگرها، جمع‌آوری پارامترهای فیزیکی (فشار، دما، رطوبت و…).

• لایه شبکه: انتقال داده‌ها و ارتباط بین گره‌ها.

• لایه کاربرد: نرم‌افزارهای مدیریت، پایش، داشبورد و تحلیل مصرف گاز.

 معماری پنج‌لایه اینترنت اشیا

توسعه‌یافته‌تر از معماری سه‌لایه:

1. لایه تجهیزات (Field Layer)

2. لایه انتقال (Transmission Layer)

3. لایه پردازش (Processing Layer): تحلیل، ذخیره، رایانش ابری، AI

4. لایه کاربرد (Application Layer): ارائه خدمات به کاربر

5. لایه کسب‌وکار (Business Layer): مدیریت سیاست‌ها، مدل درآمدی، تجسم داده‌ها

 مقایسه مدل‌های مرجع IoT

معماری اینترنت اشیاء -مدل مرجع ITU

معماری IoT مدل ITU متعلق به اتحادیه جهانی مخابرات (ITU ) است که در سال 2012 ارائه و در سال 2016  بروز رسانی شده است. این مدل از ۴ لایه افقی و دو لایه عمودی شامل مدیریت و امنیت تشکیل‌شده است. لازم به توضیح است دو لایه عمودی با توجه به اهمیت آنها می‌توانند برای هر یک از لایه‌های افقی استفاده شوند

لایه کاربرد: کاربردهای اینترنت اشیاء در لایه کاربرد  قرار دارند. مواردی هوشمندسازي شبكه گاز و ساير برنامه كاربردي در اين خصوص جزو اين لايه محسوب می‌شوند.

لایه پشتیبانی از سرویس و کاربرد: لایه پشتیبانی از سرویس و کاربرد در برگیرنده دو گروه قابلیت‌های پشتیبانی عمومی و قابلیت‌های پشتیبانی اختصاصی دسته‌بندی می‌شود.

لایه شبکه: این لایه شامل دو دسته قابلیت‌های کنترل و انتقال داده‌ها است. برای مثال توابع کنترل سطح دسترسی، نظارت و احراز هویت، از این نوع است. دسته دوم شامل قابلیت‌های انتقال داده‌های مرتبط با کاربردها، داده‌های مدیریتی و غیره می‌باشد.

لایه دستگاه: قابلیت‌های تعریف شده در لایه دستگاه به دو دسته تعامل مستقیم با شبکه ارتباطی و تعامل غیرمستقیم با شبکه ارتباطی تقسیم بندی‎مي‎شود.  قابلیت‌هایي شامل پشتیبانی از چندین واسط و پروتکل و تبدیل و تفسیر پروتکل‌ها  از وظايف اين لايه می‌باشد.

لایه مدیریت: قابلیت‌های مدیریت در اینترنت اشیاء نیز مواردی مانند مدیریت خطا ، مدیریت پیکربندی، مدیریت صورتحساب و مدیریت کارایی تجهیزات را شامل می‌شود. مدیریت دستگاه، مدیریت توپولوژی شبکه محلی، مدیریت ترافیک و ازدحام از نمونه امکانات این بخش می‌باشند. البته قابلیت‌های اختصاصی مدیریت اینترنت اشیاء نیز وجود دارد که وابسته به نوع کاربردهای مورد استفاده می‌باشد. برای مثال در کاربرد شبکه هوشمند گاز ، مانیتور نمودن وضعیت ایستگاه‎ها یکی از قابلیت‌های اختصاصی در لایه مدیریت می‌باشد.

لایه امنیت: قابلیت‌های موجود در لایه امنیت را نیز می‌توان به دو دسته قابلیت‌های عمومی و اختصاصی تقسیم نمود. قابلیت‌های عمومی مستقل از نوع کاربردهای اینترنت اشیاء می‌باشند. این دسته از قابلیت‌ها شامل موارد مختلف در لایه‌ها مانند قابلیت‌هایی نظیر احراز اصالت، مجوزدهی، حفظ حریم خصوصی و ممیزی امنیت (در لایه کاربرد) است. قابلیت‎های اختصاصی شامل حفظ محرمانگی داده‌های استفاده‌شده در لایه شبکه و تائید یکپارچگی دستگاه، کنترل دسترسی (در لایه دستگاه) می‌باشند.

معماری مرجع سیسکو یا انجمن جهانی اینترنت اشیا (IoTWF)

با توجه به مشاركت اغلب شركت‌هاي مؤثر در ايجاد و گسترش فناوري IoT در جهان، شركت CISCO  نيز در اين عرصه مشغول فعاليت است و معماري مرتبط با اين مفهوم را ارائه داده است. تمرکز این معماری بر رویکرد داده‌ محور بوده و در هفت لایه ارائه شده است. شکل زیر شمایی از این معماری ارائه شده است.

• لایه اول

دستگاه‌های فیزیکی و کنترلرها:  مشابه مدل‌هاITU ،  لایه اول شامل حسگرها، تجهیزات و کنترلرها است که در واقع گره‌های لایه لبه را تشکیل می‌دهند. در واقع این لایه متشکل از انواع مختلفی از دستگاه‌هایی است که وظیفه دریافت و ارسال اطلاعات را بر عهده دارند. دستگاه‌هایی موجود در این لایه بسیار متنوع هستند و محدودیتی از منظر اندازه، محل و تعداد وجود ندارد. برخی از دستگاه‌ها به کوچکی یک تراشه سیلیکونی هستند و برخی نیز به بزرگی یک خودرو ( مانند خودرو متصل یا M2M) و فناوری اینترنت اشیاء باید از تمامی انواع مختلف دستگاه‌ها پشتیبانی نماید.

• لایه دوم

اتصالات: تمرکز لایه دوم این مدل بر ارتباطات و اتصالات  است. مهم‌ترین وظیفه این لایه انتقال به‌موقع و قابل‌اعتماد اطلاعات می‌باشد. اتصالات و انتقال‌های قابل تعریف در این لایه شامل ارتباطات مابین دستگاه‌ها (در لایه اول)، ارتباطات مابین شبکه‌ها و ارتباطات، و مابین شبکه و پردازش‌های سطح پایین اطلاعات است که در لایه سوم رخ می‌دهد. یکی از اهداف مدل مرجع اینترنت اشیاء این است که ارتباطات و پردازش‌ها توسط شبکه‌های موجود انجام شود.

در حقیقت این مدل مرجع نیازی به ایجاد یک شبکه جدید ندارد بلکه بر مبنای شبکه‌های موجود تعریف شده است. با این‌حال برخی از دستگاه‌های قدیمی توانایی اخذ IP‌ را ندارند، که در این صورت برای اتصال به شبکه نیازمند گیت‌وی هستند. برخی از دستگاه‌ها نیز برای برقراری ارتباط نیازمند کنترلرهای خاصی می‌باشند. هرچند به‌مرورزمان استانداردهای بهتری ایجاد شده و این امر سبب شده است تا دستگاه‌ها بر پایه استانداردهای ارتباطی مناسبی تولید شوند و این مشکل تا حد زیادی رفع شده است.

• لایه سوم

محاسبات لبه: در این لایه تحلیل‌ها و تبدیلات لبه انجام می‌شود. در حقیقت این لایه به دلیل نیاز به تبدیل جریان داده به اطلاعات مناسب‌تر برای ذخیره‌سازی و پردازش در لایه‌های بالاتر ایجاد شده است. این بدان معنی است که تمرکز اصلی کارکردهای لایه سوم بر روی تحلیل و تبدیل داده‌ها با حجم بالا می‌باشد.

برای مثال یک دستگاه حسگر در لایه اول ممکن است داده‌ای را چندین بار در ثانیه تولید نماید. داده‌های ارسالی در طول یک روز و یا یک سال حجم بالایی را ایجاد خواهد نمود. یک اصل اساسی در مدل مرجع اینترنت اشیاء سیسکو این است که پردازش داده تا حد امکان نزدیک به لبه‌ صورت گیرد.

• لایه چهارم

انباشت داده : همان‌طور که ذکر شد دستگاه‌ها که در لایه اول قرار دارند به‌خودی‌خود قابلیت‌های محاسباتی را دارا نیستند. در نتیجه در لایه دوم برخی از فعالیت‌های محاسباتی مانند تفسیر پروتکل‌ها  یا سیاست‌های امنیتی صورت می‌پذیرد. در لایه سوم فرایندها و فعالیت‌های محاسباتی بیشتری مانند بررسی محتوای بسته‌های داده انجام می‌شود و در نهایت در این انباشت داده‎ها که لایه چهارم است،  داده‌های در جریان به حالت سکون و یا در اصطلاح به داده‌های در حال استراحت  تبدیل می‌شوند.

• لایه پنجم

انتزاع داده: این لایه تجمیع و دسترسی به داده را فراهم می‌کند. در واقع این لایه بر روی ذخیره‌سازی داده به‌منظور توسعه و استقرار هر چه کاراتر و سهل‌تر کاربردهای اینترنت اشیاء تمرکز دارد. با توجه به تولید متناوب داده‌ها توسط دستگاه‌ها دلایل مختلفی وجود دارد که داده‌ها در یک مکان ذخیره نشوند. برای مثال حجم داده‌ها آن‌قدر زیاد است که قابلیت ذخیره‌سازی در یک محل را ندارد یا ممکن است انتقال داده‌ها به یک پایگاه داده توان پردازشی زیادی را نیاز داشته باشد، لذا فرایند بازیابی باید از فرایند تولید مجزا گردد.

امروزه این امر با استفاده از پایگاه داده‌های  با قابليت پردازش تراكنش آنلاين و انباره داده انجام می‌شود یا دستگاه‌ها ممکن است از منظر جغرافیایی در مکان‌های مختلفی قرار داشته باشند و پردازش صرفاً به‌صورت محلی صورت پذیرد.

• لایه ششم

کاربرد: سطح ششم لایه کاربرد است که تفسیر اطلاعات در آن صورت می‌پذیرد. نرم‌افزارهای این لایه با نرم‌افزارهای سطح پنج و داده‌هایی که در اصطلاح در حالت استراحت هستند در تعامل می‌باشند لذا نیازی نیست که با سرعت تبادل اطلاعات در لایه شبکه کار نمایند. در حقیقت وظیفه اصلی این لایه گزارش‌گیری، تحلیل و کنترل است.

• لایه هفتم

تعاملات و فرایندها: سطح هفتم نیز لایه تعاملات و فرآیندها است که با افراد و فرآیندهای کسب‌وکاری مرتبط می‌شود. در واقع سیستم‌های اینترنت اشیاء و اطلاعاتی که ایجاد می‌شود تا زمانی که انسان‌ها و فرایندهای کسب‌وکاری به نحوی با آن در ارتباط نباشند، ارزش چندانی نخواهد داشت. افراد برای رفع نیازهای خود از برنامه‌های کاربردی و داده‌های مرتبط با آن استفاده می‌نمایند. اغلب افراد مختلف با اهداف متفاوتی از یک برنامه کاربردی استفاده می‌نمایند. لذا هدف صرفاً برنامه‌های کاربردی و کاربردها نیستند بلکه کاربردها کمک می‌کنند تا افراد بهتر بتوانند کارها و فعالیت‌های مورد نظر خود را انجام دهند.

لایه کاربردها (لایه ششم) به افراد مختلف، داده‌های صحیح را در زمان و مکان صحیح ارائه می‌نمایند لذا افراد می‌توانند فعالیت صحیح مرتبط را به انجام رسانند.

مدل مرجع اینترنت اشیاء

در مدل ارائه‌شده توسط گارتنر با عنوان مدل مرجع اینترنت اشیاء گارتنر،  سه بخش اصلی لبه، پلتفرم و کسب‌وکار وجود دارد. همچنین پنج لایه اصلی دستگاه‌ها، ارتباطات، اطلاعات، کارکرد و فرآیند در نظر گرفته‌شده است. شکل زیر اجزای مدل مرجع اینترنت اشیاء گارتنر را نشان داده است.

معماری سه لایه اینترنت اشیا

معماری ارائه‌دهنده مؤلفه‌ها و اجزای اصلی یک نرم‌افزار یا فناوری و کارکردها و الزامات مرتبط با مؤلفه‌ها و اجزا می‌باشد. در سال‌های اخیر انواع مختلفی از معماری اینترنت اشیاء با رویکردها و دیدگاه‌های مختلف ارائه شده است و تا کنون  معماری مرجع و واحدی که در همه دنیا مورد توافق محققان و پژوهشگران باشد وجود ندارد.

هر یک محققان و یا صاحبان صنعت برحسب نیاز و با توجه به کاربرد مورد نظر معماری خاصی را ارائه نموده‌اند. اولین و پایه‌ای‌ترین معماری ارائه‌شده برای اینترنت اشیاء، معماری سه لایه است. معماری سه لایه، ایده اصلی اینترنت اشیاء را به تصویر می‌کشد اما دربرگیرنده اطلاعات جزئی و دقیقی در خصوص مؤلفه‌ها و ارتباطات آنها نیست. از همین رو در ادبیات موضوع انواع مختلفی از معماری‌های چند لایه‌ای ارائه شده است که در ادامه به مرور اجمالی این معماری‌ها بيان شده است.

معماری سه لایه: معماری سه لایه یکی از پایه‌ای‌ترین و ابتدایی‌ترین معماری‌های ارائه‌شده برای اینترنت اشیاء می‌باشد. لایه‌های این معماری شامل تجهیزات سطح فیلد، شبکه و کاربرد می‌باشند که در شكل
زیر نشان داده شده است.

 

لایه کاربرد	این لایه وظیفه ارائه خدمات به کاربران را بر عهده دارد. نمونه كاربردهاي رايج شامل داشبوردهاي مديريتي، اپليكيشن‎هاي مانيتورينگ و پايش مصرف در شبكه گاز، داشبوردهاي مديريت هشدارها و پيام‌ها براي كارشناسان و اپراتورهاي شبكه گاز
لایه شبکه	این لایه وظیفه اتصال حسگرها، سرورها و تجهیزات مختلف به یکدیگر  را دارد. انتقال و پردازش داده‌ها از دیگر وظایف این لایه محسوب می‌شود.
لایه تجهیزات اندازه گیری (سنسور)	لایه فیزیکی است که دربرگیرنده حسگرها، فعالگرها و تجهیزاتی است که با محیط فیزیکی در ارتباط می‌باشند. در این لایه انواع پارامترهای مختلف سطح فيلد در ايستگاه‎ها ( مانند فشار ورودي يا خروجي ايستگاه، پارامترهاي هيتر، پارامترهاي ادورايزر و غيره)  يا پارامترهاي محيطي فیزیکی مانند دما یا فشار ایستگاه و تابلو،  رطوبت، و غيره جمع آوري مي‎شوند.

 

معماری پنج لایه: در ادبیات موضوع انواع مختلفی از معماری‌های چند لایه‌ای ارائه شده است که یکی از آنها معماری پنج لایه می‌باشد که دربرگیرنده لایه‌های تجهیزات سطح فیلد، انتقال ، پردازش، کاربرد و کسب‌وکار است نقش دو لایه تجهیزات سطح فیلد و کاربرد مشابه معماری سه ‌لایه می‌باشد.

لایه انتقال وظیفه انتقال داده‌های جمع‌آوری شده توسط حسگرها را از لایه حسگر به لایه پردازش و بالعکس بر عهده دارد. فرایند انتقال از طریق شبکه‌های بی‌سیم، سلول ، LAN، بلوتوث یا RFID و NFC  ( در صورت موجود بودن فناوری‎ها) صورت می‌گیرد. این لایه در برخی از مراجع تحت عنوان لایه شبکه نیز شناخته می‌شود. لایه پردازش که به لایه میان‌افزار و مدیریت سرویس نیز مشهور است وظیفه ذخیره‌سازی، تحلیل و پردازش حجم عظیمی از داده‌ها را بر عهده دارد.

این داده‌ها از طریق لایه انتقال به لایه پردازش می‌رسند. این لایه می‌تواند خدمات مختلفی را برای لایه‌های پایین‌ دست و بالادست فراهم آورد. برای مثال توسعه‌دهندگان کاربردهای مستقل از انواع پلتفرم‌های سخت‌افزاری می‌توانند به‌راحتی کاربرد مورد نظر خود را توسعه دهند. انواع مختلفی از فناوری‌ها مانند پایگاه داده، رایانش ابری، کلان داده وهوش مصنوعی در این لایه کاربرد دارند. لایه کسب‌وکار که با عنوان لایه مدیریت نیز شناخته می‌شود، کل اکوسیستم اینترنت اشیاء را مدیریت می‌نماید.

این لایه وظیفه مدیریت مدل طرح کسب‌وکار، گراف‌ها، نمودارها  را مبتنی بر داده‌های دریافتی از لایه کاربرد بر عهده دارد. در حقیقت فرایندهای تصمیم‌گیری مبتنی بر داده‌های جمع‌آوری شده در این لایه انجام خواهد شد. همچنین مدیریت و کنترل چهار لایه دیگر از وظایف این لایه می‌باشد.

نتیجه‌گیری

درک معماری‌های مرجع اینترنت اشیا مانند مدل ITU برای طراحی و پیاده‌سازی راهکارهای هوشمند، به‌ویژه در حوزه‌هایی مانند شبکه هوشمند توزیع گاز، امری حیاتی است. مدل‌های سیسکو و گارتنر با تمرکز بیشتر بر داده‌محوری و ارزش کسب‌وکار، انتخاب‌های مناسبی برای زیرساخت‌های مقیاس‌پذیر و انعطاف‌پذیر هستند. بسته به سطح نیاز، مقیاس پروژه، منابع موجود و اهداف تجاری، هرکدام از این مدل‌ها می‌توانند به‌عنوان مبنای طراحی انتخاب شوند.

 سوالات متداول

مدل مرجع ITU چه مزیتی دارد؟

مدل ITU ساختار ساده، قابل فهم و رسمی با تمرکز بر امنیت و مدیریت در سطوح مختلف فراهم می‌کند.

تفاوت اصلی مدل سیسکو و ITU چیست؟

مدل سیسکو ۷ لایه دارد و تمرکز آن بر تحلیل داده نزدیک به لبه شبکه است؛ در حالی که ITU بیشتر بر مدیریت و امنیت عمودی تمرکز دارد.

 معماری سه‌لایه هنوز کاربرد دارد؟

بله، معماری سه‌لایه به‌عنوان مدلی پایه برای بسیاری از پروژه‌های کوچک‌تر یا مفاهیم آموزشی استفاده می‌شود.

 در معماری پنج‌لایه، نقش لایه کسب‌وکار چیست؟

تجزیه‌وتحلیل داده‌ها، تولید شاخص‌های کلیدی عملکرد (KPI) و تعریف سیاست‌های کلان در این لایه انجام می‌شود.

 آیا می‌توان از ترکیب چند مدل استفاده کرد؟

بله، ترکیب لایه‌های داده‌محور سیسکو با ساختار امنیتی ITU می‌تواند راهکاری قدرتمند برای پیاده‌سازی‌های صنعتی ایجاد کند.