ایران پیپر :: پاسخگویی 24 ساعته

چکیده: در اینترنت اشیا، میتوان خدمات را با معماری متمرکز ارائه کرد ، که در آن موجودیت های مرکزی، اطلاعات را کسب و پردازش می کنند و ارائه می دهند. متناوبا، میتوان از معماری های توزیع شده، که در آنها موجودیت ها، در مرزهای شبکه مشغول تبادل اطلاعات و تعامل فعال با سایرین هستند نیز استفاده کرد. برای شناخت کاربرد و پایداری این روشهای توزیع شده، شناخت مزایا و معایب آن نه تنه از نظر ویژگی ها بلکه از نظر امنیت و حریم خصوصی نیز لازم است. هدف این مقاله نشان دادن این است که روشهای توزیع شده نه تنها چالشهای مختلفی دارند که باید حل شود بلکه ویژگی ها و نقاط قوت جالب و متنوعی نیز دارند.

کلمات کلیدی: اینترنت اشیا، معماری های توزیع شده، امنیت

1.      مقدمه 

مفهوم اینترنت اشیا (IoT) به مرور به وجود آمده است. با این حال ایده اصلی آن را میتوان در یک جمله خلاصه کرد: یک شبکه جهانی از موجودیت های به هم مرتبط. در اکثر موارد این موجودیت های ناهمگن، اشیا (مثلا انسانها و کامپیوترها، کتابها و ماشین ها، ابزارها و غذا) دارای موقعیت فیزیکی قابل شناسایی، قابل بررسی هستند و روی اینترنت قابل خواندنند. آنها میتوانند یک کانال ارتباطی با سایر موجودیت ها باز کنند و در هر جا، هر زمان یا به هر روشی خدماتی را به آنها ارائه کنند یا از آنها بگیرند. تکنولوژی های زیادی بعنوان بلوک های سازنده این حوزه جدید مطرح هستند نظیر شبکه های حسگر بیسیم (WSN)، RFID، خدمات ابری، واسط های ماشین به ماشین (M2M) و نظیر آن. همچنین این طرح چندین حوزه کاربردی نظیر اتوماسیون، سلامتی، لجستیک، نظارت محیطی و موارد مشابه دارد.

هیچ استراتژی منحصر به فردی برای واقعیت بخشیدن به دیدگاه IoT وجود ندارد و میتوان خدمات را به روش های مختلفی ارائه کرد. در روش متمرکز، پلتفرمهای کاربردی موجود در اینترنت (مثلا خدمات ابری) اطلاعات را از موجودیت هایی که در شبکه جمع آوری داده قرار دارند می گیرند و اطلاعات خام و داده ها را به موجودیت های دیگر عرضه می کنند. این پلتفرمهای کاربردی ، کل جریان اطلاعاتی را کنترل می کنند و هیچ پشتیبانی از دسترسی مستقیم به تامین کنندگان اطلاعات وجود ندارد یا اگر باشد کم است. در واقع، چندین راه حل صنعتی برای استفاده از این روشها وجود دارد. از دیگر سو، در یک روش توزیع شده نه تنها هوشمندی و تامین منابع در مرزهای شبکه قرار دارد بلکه پلتفرمهای کاربردی مختلف نیز میتوانند باهم به صورت پویا همکاری کنند.  در حوزه IoT، اهمیت روشهای توزیع شده بعنوان مولفه ای از اینترنت آینده اشیا، قبلا در مقالات مطرح شده است. با این حال تحلیل واضحی از ویژگی ها وچالشهای آن وجود ندارد. برای شناخت اهمیت و کاربرد این روشهای توزیع شده، شناخت ویژگی های اصلی و اصول مهم، شامل مزایا و معایب آن ضروریست. همچنین از آنجایی که حریم خصوصی و امنیت فاکتورهای مهمی هستند که بر حوزه انطباق IoT تاثیر میگذارند، شناخت چالشهای امنیت و حریم خصوصی و مزایای روشهای توزیع شده و امیدبخش ترین روشها در این حوزه اهمیت دارد. اگر چالشها خیلی پیچیده باشند، مزایای آنها کمتر است ، احتمالا از روشهای متمرکز برای توسعه IoT استفاده می شود. هدف این مقاله بررسی و پاسخ به این سوالات است.  

ساختار این مقاله به صورت زیر است. بخش 2 به تحلیل روشهای متمرکز و غیرمتمرکز می پردازد. ما در بخش سه جدیدترین روشهای موجود و طبقه بندی آنها ، و نیز تحلیلی از ویژگی های این روشها را ارائه می کنیم. بخش 3 روی تحلیل چالشهای امنیتی مختلف متمرکز است. ما در این بخش چالشهای امنیتی موجود در IoT را بررسی کرده ، مدل مهاجمان در معماریهای متمرکز و غیر متمرکز و چالشهای اساسی و روشهای امیدبخش در طراحی مکانیزم های امنیتی را بررسی می کنیم. در نهایت نتیجه گیری در بخش 4 ارائه می شود.

2.      یک اینترنت اشیای توزیع شده

2.1.            کارهای مرتبط: دولت ، محیط اکادمیک و صنعت

مفهوم اینترنت اشیای توزیع شده مفهومی جدید نیست. در حقیقت اسناد رسمی مختلف، آن را بعنوان یکی از استراتژی های ممکن برای وارد کردن رویای IoT به دنیای واقعیت می دانند و به وضوح اشاره شده که توسعه معماریهای اتوماتیک غیر متمرکز و موقعیت و هوش در مرزهای شبکه ، مسائلی هستند که باید بررسی شوند. هنوز هم برخی سوالات کلیدی وجود دارند که باید برای پیاده سازی این استراتژی ها در دنیای واقعی پاسخ داده شوند نظیر شرایط خاصی که در آن هوش شبکه باید توزیع شود. برای پاسخ به این سوالات، مطالعه نیازهای خاص هر مورد کاربرد اهمیت دارد. مثلا اینکه آیا مورد کاربردی نیاز به پشتیبانی از مالکیت توزیع شده داده ها دارد یا نه. این و سایر مسائلی پدید آمده ، به دقت توسط جامعه محققین بررسی شده اند.

مقاله های تحقیقاتی مختلفی وجود دارد که نمونه های مختلف معماری های توزیع شده IoT را مطالعه می کنند. مثلا گومز-گوییری و لوپز-دی-ایپینا مفهوم وب اشیا (استفاده از پروتکل های وب برای پیاده سازی IoT) را با مفهوم فضای سه گانه (استفاده از تکنیک های وب معنایی برای تبادل دانش در فضای اشتراکی محلی توزیع شده) ترکیب می کنند تا محیط توزیع شده ای بسازند که دستگاه ها در دو یا چند فضا قراربگیرند و بتوانند از طریق خدمات اینترنت با هم در تعامل باشند. در مثال دیگری که دیدگاه جامع تری دارد، نینگ و لیو ، سیستم ناهمگنی را تشریح می کنند که با عنوان U2IoT شناخته می شود و از دو سیستم فرعی واحد IoT  که سلول بنیادی است و راه حل هایی برای کاربردهای خاص ارائه می کند و نیز IoT همه جا حاضر که واحدهای مختلف IoT را با سایر بخش های مدیریتی و کنترلی و تعاملی موجودیت ها ترکیب می کند، تشکیل شده است.

پروژه های تحقیقاتی زیادی هستند که بعد از سال 2012 به صورت مستقیم یا غیر مستقیم توسط دولت ها هدایت می شوند و در حال مطالعه معماریهای IoT توزیع شده هستند. به صورت دقیقتر، یکی از این پروژه ها، IoT-A است که هدف آن ایجاد یک مدل معماری مرجع برای قابلیت همکاری سیستم های اینترنت اشیاست. متذکر می شویم که چنین معماری مرجعی مجوزی درباره چگونگی همکاری این موجودیت ها یا کسی که باید داده ها را تحلیل کنند و خدمات مختلف را ارائه کند نمی دهند. هنوز، مدل ارتباطی ، مفاهیمی برای ایجاد برنامه های توزیعی ارائه می کند و به موجودیت های دیجیتال، امکان ارتباط مستقیم و تعامل با موجودیت های دیجیتال را می دهد. بعلاوه، موقعیت هوش در مرزهای شبکه ، نیز به صورت ضمنی در نظر گرفته می شود زیرا گستره موجودیت های دیجیتال از دستگاه های ساده تا دستگاه های انتزاعی که از دستگاه های توزیع شده مختلفی ایجاد شده اند را شامل می شود. بنابراین باید از بلوک های سازنده آن در آینده برای ایجاد کاربردهای توزیع شده IoT استفاده کرد.

برخی از بلوک های سازنده ای که به ایجاد IoT توزیع شده کمک می کنند، به صورت غیر مستقیم در پروژه های تحقیقاتی مطالعه شده اند. مثلا پروژه HYDRA یک میان افزار متن باز را توسعه داد که به دستگاه های قانونی امکان ارائه خدمات وب را به صورت مستقیم و غیرمستقیم از طریق اینترنت می داد. HYDRA همچنین ابزارهایی ارائه می کرد که میتوان از آنها برای ایجاد همکاری استفاده کرد مثل واسط اکتشاف خدمات و دستگاه. این واسط می تواند از یک آنتولوژی برای توضیح خدمات موجود و رسیدن به جامعیت معنایی استفاده کرد. پروژه دیگری به اسم SENSEI تمرکز بیشتری روی ایجاد یک واسط جامع برای دسترسی به جزیه های خدمات شبکه بیسیم (WSN) داشت. اما نتایج دیگری تولید کرد نظیر دایرکتوری منابعی که به صورت معنایی فعال هستند، و سیستم های مدریت محلی که از وجود چنین دایرکتوریهایی استفاده می کنند. در نهایت سایر پروژه ها نظیر CUBIQ و SMARTPRODUCTS مکانیزم های مختلف مبتنی بر P2P نظیر سیستم های انتشار/ اشتراک توزیع شده و سیستم ذخیره سازی توزیع شده را مطالعه کردند.

ورای تحقیقات تئوریک ، شرکت های زیاد و استارت آپ های بیشماری هستند که شروع به استفاده از تکنولوژی های ابری برای ارائه خدمات IoT کرده اند. ایده کلیدی این است که همه دستگاه های مرزی اینترنت اشیا ، اطلاعات خود را به صورت دوره ای به یک پلتفرم کاربردی در ابر می فرستند. این پلتفرم همه داده ها را ذخیره کرده و واسط API حرفه ای ایجاد میکند که شخص ثالث می تواند از آن برای ایجاد برنامه های کاربردی IoT استفاده کند. این ها روشهای مختلفی برای پیاده سازی این نوع پلتفرم ها هستند: از محیط بسته ای که حتی حسگرها نیز توسط شرکت کنترل می شوند تا پلتفرم های بازتری که امکان یکپارچه سازی پایگاه داده ها و دستگاه های خارجی را می دهد.: سیستم های مرزی عمدتا مثل شبکه ها و پلتفرم های کاربردی جمع آوری اطلاعات از سایر تامین کنندگان عمل میکنند که البته با هم در ارتباط نیستند. هنوز پلتفرمهایی هایی وجود دارند که ایده ایجاد ابرهای ترکیبی و خصوصی را دنبال می کنند و میتوان آن ها را در یک محیط ابری توسعه داد. این پلتفرم ها نه تنها امکان وجود هوش محلی را فراهم می کنند بلکه میتوانند اطلاعات و خدماتی را با سیستم های بیرونی مبادله کنند و بنابراین به سادگی تبدیل به نمونه ای از IoT توزیع شده می شوند.

2.2.             طبقه بندی دیدگاه ها

ما در بخش قبلی مشاهده کردیم که در اکثر معماریهای توزیع شده IoT دو اصل در نظر گرفته شده است: (1) موقعیت هوش و تامین خدمات در مرزهای شبکه (هوش مرزی) و (2) تعامل بین موجودیت های مختلف برای رسیدن به هدف (همکاری). در واقع این دو اصل، به ترتیب مبنای ساخت سیستم های غیر متمرکز و توزیع شده هستند. در تئوری سازمانی، سیستم های نامتمرکز، تصمیم گیری را به موجودیت های سطح پایین تر محول می کنند. این کار امکان پیاده سازی هر تصمیمی را بدون تکیه بر موجودیت های سطح بالا می دهد. از دیگر سو، سیستم توزیع شده از چندین موجودیت تشکیل شده است که با هم در ارتباط اند و بعنوان سیستمی منسجم به کاربر نشان داده میشوند.  این دو اصل، هوش مرزی و همکاری ، را میتوان برای تعریف طبقه بندی روشهای توزیع شده اینترنت اشیا که در ادامه ارائه شده اند استفاده کرد. دوتا از این روش ها (IoT مشارکتی و اینترنت اشیای متصل) فقط با یکی از این اصول تطابق دارد درحالیکه IoT کاملا توزیع شده با هر دو اصل مطابق است. ما تعریف IoT توزیع شده را نیز بخاطر کامل بودنش در نظر خواهیم گرفت:

1) IoT متمرکز: اینترنت اشیای متمرکز (شکل 1A) هیچ اصل از پیش تعیین شده ای را ارائه نمی کند. در این سناریو، شبکه های جمع آوری داده (یعنی شبکه های اشیا نظیر تلفن های موبایل، حسگرهای رادیویی و خودروها) غیرفعالند: تنها وظیفه، تامین داده است. همه این داده ها توسط یک موجودیت متمرکز مکانیابی می شوند که آن را به اطلاعات تبدیل و ترکیب کرده و آن را به مشتریان تحویل می دهد. در نتیجه، اگر کاربران بخواهد از خدمات IoT استفاده کند، بایداز طریق اینترنت به واسطهایی که موجودیت متمرکز ارائه می کند، متصل شوند. مثلا ، موجودیت متمرکز می تواند به وسیله یک سرور مجزا یا خوشه ای از دستگاه هایی که ابررا تشکیل می دهند (یا حتی در خود ابر قرار دارند مثل راه حل هایی نظیر آنچه در [4] آمده است) به بقیه معرفی شود. همچنین واسطهای آنها میتوانند داده های خام و از پیش پردازش شده را تامین کنند که امکان ایجاد خدمات پیچیده شخص ثالث را فراهم کند.

2) IoT مشارکتی: در عین حال که در این روش هوش شبکه هنوز در موجودیت های مرکزی متمرکز است (شبکه های جمع آوری داده هنوز مثل یک موجودیت غیرفعال عمل کرده و کاربران از طریق واسطهای موجودیت مرکزی به اطلاعات دسترسی دارند) تفاوت اصلی با IoT متمرکز ، انطباق با اصول همکاری است. در نتیجه، موجودیت های متمرکز مختلفی وجود دارند که داده یا اطلاعات را باهم تبادل می کنند و خدمات جدیدی تولید می کنند یا اینکه موارد موجود را غنی تر می کنند (مثل شک 1B). مثلا تامین کنندگان خدمات IoT که نورافشانی در جو شهرهای مختلف را تحلیل می کنند میتوانند برای ایجاد تصویری از سطح نور در کل کشور باهم همکاری کنند.

3) اینترنت اشیای متصل: در این روش ، شبکه های جمع آوری داده (اینترنت اشیا) میتواند واقعا اطلاعات محلی را جمع آوری کند و نه تنها آن را به موجودیت های مرکزی بلکه به کاربران دور و محلی نیز ارائه کند (شکل 1C). با این حال مکانیزم زیربنایی (مثل خدمات اکتشافی، آنتولوژی) وجود ندارد که تعامل بین این موجودیت ها را تسهیل کند. در نتیجه معمولا اطلاعات از اینترانت ها به موجودیت مرکزی جریان می یابند که این موجودیت قادر به ایجاد یک دید جامع از کل سیستم خواهد بود. مثلا بیمارستانهایی با قابلیت IoT نیاز به دسترسی به خدمات موجودیت متمرکز IoT برای کسب اطلاعات سراسری (مثل میزان اشغال بودن بستر) دارند. با این حال متذکر می شویم که اگر موجودیت های مرکزی شکست بخورند، سرورهای محلی (مثل ثبت علائم حیاتی بیماران محلی) هنوز هم قابل دسترس اند.