پروتکل‌های اینترنت اشیا: MQTT در مقابل CoAP – راهنمای جامع جهانی برای انتخاب مناسب‌ترین گزینه

اینترنت اشیا (IoT) به سرعت در حال دگرگون کردن صنایع و زندگی روزمره در سراسر قاره‌ها است، از شهرهای هوشمند در آسیا گرفته تا کشاورزی دقیق در اروپا و راهکارهای سلامت متصل در آمریکای شمالی. در قلب این تحول جهانی، توانایی دستگاه‌های بی‌شمار برای ارتباط یکپارچه و کارآمد نهفته است. این ارتباط توسط پروتکل‌های اینترنت اشیا اداره می‌شود که اساساً زبان‌هایی هستند که دستگاه‌ها برای صحبت با یکدیگر و با ابر از آن‌ها استفاده می‌کنند. در میان انبوه پروتکل‌های موجود، دو پروتکل به دلیل پذیرش گسترده و مناسب بودن برای چالش‌های منحصر به فرد اینترنت اشیا برجسته هستند: پروتکل انتقال پیام تله‌متری صف (MQTT) و پروتکل برنامه کاربردی محدود (CoAP).

انتخاب پروتکل مناسب یک تصمیم حیاتی است که بر معماری سیستم، مقیاس‌پذیری، قابلیت اطمینان و در نهایت، موفقیت یک پیاده‌سازی اینترنت اشیا تأثیر می‌گذارد. این راهنمای جامع به طور عمیق به بررسی MQTT و CoAP می‌پردازد، ویژگی‌های اصلی آن‌ها را تشریح می‌کند، موارد استفاده ایده‌آل آن‌ها را با مثال‌های جهانی بررسی می‌کند و یک چارچوب قوی برای کمک به شما در تصمیم‌گیری آگاهانه برای نیازهای خاص اینترنت اشیای شما، صرف نظر از اینکه عملیات شما در کجا قرار دارد، ارائه می‌دهد.

درک ماهیت پروتکل‌های اینترنت اشیا

قبل از اینکه وارد مقایسه دقیق شویم، درک اینکه چرا پروتکل‌های تخصصی برای اینترنت اشیا ضروری هستند، بسیار مهم است. برخلاف ارتباطات اینترنتی سنتی، محیط‌های اینترنت اشیا اغلب با محدودیت‌های منحصر به فردی روبرو هستند:

• دستگاه‌های با منابع محدود: بسیاری از دستگاه‌های اینترنت اشیا، مانند حسگرها یا عملگرهای کوچک، دارای حافظه، قدرت پردازش و عمر باتری محدودی هستند. آنها نمی‌توانند سربار پروتکل‌های سنگین مانند HTTP را تحمل کنند.
• شبکه‌های غیرقابل اعتماد: دستگاه‌های اینترنت اشیا اغلب در محیط‌هایی با اتصال متناوب، پهنای باند کم یا تأخیر بالا کار می‌کنند (مانند مناطق روستایی، مناطق صنعتی، سایت‌های نظارت از راه دور).
• مقیاس‌پذیری: یک راهکار اینترنت اشیا ممکن است شامل هزاران یا حتی میلیون‌ها دستگاه باشد که حجم عظیمی از داده را تولید می‌کنند و نیازمند پروتکل‌هایی هستند که بتوانند چنین مقیاسی را به طور کارآمد مدیریت کنند.
• امنیت: انتقال داده‌های حساس از مکان‌های دور نیازمند مکانیزم‌های امنیتی قوی برای جلوگیری از دسترسی غیرمجاز و دستکاری داده‌ها است.
• قابلیت همکاری: دستگاه‌های تولیدکنندگان مختلف باید به طور مؤثر با یکدیگر ارتباط برقرار کنند، که نیازمند روش‌های ارتباطی استاندارد شده است.

MQTT و CoAP به طور خاص برای مقابله با این چالش‌ها طراحی شده‌اند و مکانیزم‌های ارتباطی سبک، کارآمد و قوی را متناسب با چشم‌انداز متنوع اینترنت اشیا ارائه می‌دهند.

MQTT: قدرت انتشار-اشتراک

MQTT چیست؟

MQTT، یک استاندارد OASIS، یک پروتکل پیام‌رسانی سبک مبتنی بر مدل انتشار-اشتراک است که برای دستگاه‌های محدود و شبکه‌های با پهنای باند کم، تأخیر بالا یا غیرقابل اعتماد طراحی شده است. این پروتکل که توسط IBM و Arcom در سال ۱۹۹۹ توسعه یافت، به دلیل سادگی و کارایی خود به یکی از ارکان اصلی بسیاری از پیاده‌سازی‌های بزرگ اینترنت اشیا تبدیل شده است.

ویژگی‌های کلیدی MQTT

مدل عملیاتی MQTT اساساً با پارادایم‌های سنتی کلاینت-سرور متفاوت است. در اینجا به تفکیک ویژگی‌های کلیدی آن می‌پردازیم:

• مدل پیام‌رسانی انتشار-اشتراک (Publish-Subscribe):
  • به جای آدرس‌دهی مستقیم به یکدیگر، کلاینت‌ها (دستگاه‌ها) به یک بروکر (Broker) MQTT متصل می‌شوند.
  • کلاینت‌ها می‌توانند به عنوان ناشر (publisher) عمل کنند و پیام‌ها را در موضوعات (topics) خاصی ارسال کنند (مثلاً "building/floor1/room2/temperature").
  • کلاینت‌ها همچنین می‌توانند به عنوان مشترک (subscriber) عمل کنند و علاقه خود را به دریافت پیام‌ها از موضوعات خاص نشان دهند.
  • بروکر هاب مرکزی است که تمام پیام‌ها را از ناشران دریافت کرده و آنها را به تمام کلاینت‌های مشترک ارسال می‌کند. این جداسازی ناشران و مشترکین یک مزیت بزرگ برای مقیاس‌پذیری و انعطاف‌پذیری است.
• سبک و کارآمد:
  • هدر MQTT حداقل است، که آن را برای شبکه‌های با پهنای باند کم بسیار کارآمد می‌کند. یک بسته کنترلی معمولی MQTT می‌تواند به کوچکی ۲ بایت باشد.
  • این پروتکل بر روی TCP/IP کار می‌کند و تحویل قابل اعتماد، مرتب و با بررسی خطا را در لایه انتقال تضمین می‌کند.
• سطوح کیفیت خدمات (QoS): MQTT سه سطح QoS را ارائه می‌دهد که به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا قابلیت اطمینان را با سربار شبکه متعادل کنند:
  • QoS 0 (حداکثر یک بار): پیام‌ها بدون تأییدیه ارسال می‌شوند. این سریع‌ترین اما کم‌اعتمادترین گزینه است که برای داده‌های غیرحیاتی مانند خوانش نور محیط که از دست دادن یک به‌روزرسانی گاه‌به‌گاه قابل قبول است، مناسب است.
  • QoS 1 (حداقل یک بار): رسیدن پیام‌ها تضمین می‌شود، اما ممکن است تکراری رخ دهد. فرستنده پیام را تا زمانی که تأییدیه دریافت کند، مجدداً ارسال می‌کند. این یک تعادل خوب برای بسیاری از برنامه‌های اینترنت اشیا مانند به‌روزرسانی‌های وضعیت است.
  • QoS 2 (دقیقاً یک بار): رسیدن پیام‌ها دقیقاً یک بار تضمین می‌شود. این کندترین اما قابل اعتمادترین گزینه است که شامل یک دست‌دهی دو مرحله‌ای بین فرستنده و گیرنده است. این برای دستورات حیاتی یا تراکنش‌های مالی ضروری است.
• پایداری جلسه و وصیت‌نامه (Last Will and Testament):
  • کلاینت‌ها می‌توانند جلسات پایداری با بروکر برقرار کنند که به اشتراک‌ها اجازه می‌دهد حتی در صورت قطع شدن کلاینت، حفظ شوند. هنگامی که کلاینت دوباره وصل می‌شود، هر پیامی را که در زمان آفلاین بودن آن منتشر شده است، دریافت می‌کند.
  • ویژگی وصیت‌نامه (LWT) به کلاینت اجازه می‌دهد تا به بروکر اطلاع دهد که در صورت قطع شدن غیرمنتظره کلاینت (مثلاً به دلیل قطع برق)، پیامی را در یک موضوع خاص منتشر کند. این برای نظارت از راه دور، نشان دادن خرابی دستگاه یا قطعی‌ها بسیار ارزشمند است.
• امنیت: MQTT از رمزگذاری TLS/SSL برای ارتباط امن بین کلاینت‌ها و بروکر و مکانیزم‌های مختلف احراز هویت/مجوزدهی (مانند نام کاربری/رمز عبور، گواهی‌های کلاینت) پشتیبانی می‌کند.

موارد استفاده و مثال‌های جهانی از MQTT

مدل انتشار-اشتراک و کارایی MQTT آن را برای طیف گسترده‌ای از برنامه‌های کاربردی جهانی اینترنت اشیا ایده‌آل می‌سازد:

• خانه هوشمند و اتوماسیون ساختمان: در مجتمع‌های مسکونی در سنگاپور تا برج‌های تجاری در نیویورک، MQTT ارتباط بین دستگاه‌های هوشمند مانند سیستم‌های روشنایی، واحدهای HVAC، قفل‌های در و دوربین‌های امنیتی را تسهیل می‌کند. یک بروکر مرکزی می‌تواند صدها دستگاه را مدیریت کند و امکان کنترل و اتوماسیون یکپارچه، ارسال اعلان به تلفن ساکنان یا سیستم‌های مدیریت ساختمان را فراهم می‌کند.
• اینترنت اشیای صنعتی (IIoT) و نظارت از راه دور: در کارخانه‌هایی در سراسر آلمان، کارخانه‌های تولیدی در ژاپن یا میادین نفت و گاز در خاورمیانه، MQTT حسگرهای روی ماشین‌آلات را به پلتفرم‌های ابری متصل می‌کند. این امکان نظارت بر عملکرد تجهیزات به صورت بلادرنگ، نگهداری پیش‌بینانه و بهبود بهره‌وری عملیاتی را فراهم می‌کند. داده‌های حسگرهای بی‌شمار (دما، فشار، لرزش) می‌توانند جمع‌آوری شده و به موتورهای تحلیلی هدایت شوند و عملیات بدون وقفه و ایمنی کارگران را تضمین کنند.
• صنعت خودروسازی: خودروهای متصل در سطح جهان از MQTT برای داده‌های تله‌متری، به‌روزرسانی‌های سیستم‌عامل و ارتباط با خدمات ابری استفاده می‌کنند. تشخیص عیب خودرو، ردیابی موقعیت مکانی و به‌روزرسانی‌های سرگرمی می‌توانند به طور کارآمد از طریق MQTT مدیریت شوند و یک پلتفرم امن و مقیاس‌پذیر برای ناوگان رو به رشد وسایل نقلیه در سراسر جهان تضمین کنند.
• مراقبت‌های بهداشتی و نظارت از راه دور بر بیمار: از کلینیک‌های روستایی در هند تا بیمارستان‌های تخصصی در سوئد، MQTT در مانیتورهای سلامت پوشیدنی و دستگاه‌های پزشکی برای انتقال علائم حیاتی (ضربان قلب، فشار خون، سطح گلوکز) به ارائه‌دهندگان خدمات بهداشتی یا پلتفرم‌های سلامت مبتنی بر ابر استفاده می‌شود. این امر نظارت مستمر بر بیماران، به ویژه سالمندان یا افراد مبتلا به بیماری‌های مزمن را امکان‌پذیر می‌سازد و امکان مداخلات به موقع و بهبود نتایج بیماران را فراهم می‌کند.
• لجستیک و ردیابی زنجیره تأمین: شرکت‌هایی که زنجیره‌های تأمین جهانی را مدیریت می‌کنند، از کشتی‌های کانتینری که از اقیانوس‌ها عبور می‌کنند تا کامیون‌های تحویل در برزیل، از MQTT برای ردیابی کالاها به صورت بلادرنگ استفاده می‌کنند. حسگرهای روی پالت‌ها یا کانتینرها می‌توانند موقعیت، دما و رطوبت را گزارش دهند و یکپارچگی کالاهای فاسدشدنی و بهینه‌سازی مسیرهای تحویل را تضمین کنند.
• فناوری کشاورزی (AgriTech): در مزارع بزرگ در استرالیا یا تاکستان‌ها در فرانسه، حسگرهای مجهز به MQTT رطوبت خاک، سطح مواد مغذی و شرایط آب و هوایی را نظارت می‌کنند. این داده‌ها به یک بروکر مرکزی منتشر می‌شود و به کشاورزان اجازه می‌دهد تا تصمیمات مبتنی بر داده در مورد آبیاری، کوددهی و کنترل آفات بگیرند و بازدهی و استفاده از منابع را بهینه کنند.

مزایای MQTT

• مقیاس‌پذیری استثنایی: معماری مبتنی بر بروکر به میلیون‌ها دستگاه اجازه می‌دهد تا بدون اطلاع مستقیم از یکدیگر متصل شوند، که آن را برای اکوسیستم‌های بزرگ اینترنت اشیا بسیار مقیاس‌پذیر می‌کند.
• ارتباط جدا شده (Decoupled): ناشران و مشترکین نیازی به دانستن در مورد یکدیگر ندارند، که طراحی و نگهداری سیستم را ساده می‌کند.
• بهره‌وری شبکه: سربار حداقل و استفاده کارآمد از اتصالات TCP آن را برای شبکه‌های با پهنای باند کم و تأخیر بالا ایده‌آل می‌کند.
• پیام‌رسانی قابل اعتماد: سطوح QoS کنترل دقیقی بر تضمین تحویل پیام، از بهترین تلاش تا دقیقاً یک بار، فراهم می‌کنند.
• رویداد-محور و بلادرنگ: برای سناریوهایی که به‌روزرسانی‌ها یا دستورات فوری مورد نیاز است، مانند هشدارها یا سیگنال‌های کنترلی، عالی است.
• پذیرش گسترده و اکوسیستم: یک استاندارد بالغ با کتابخانه‌های کلاینت گسترده برای زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف و پیاده‌سازی‌های قوی بروکر، که توسعه را آسان‌تر می‌کند.

معایب MQTT

• نیاز به بروکر: یک بروکر مرکزی برای تمام ارتباطات ضروری است، که یک نقطه شکست واحد را معرفی می‌کند (اگرچه بروکرهای با دسترسی بالا می‌توانند این را کاهش دهند) و یک جزء زیرساختی اضافی برای مدیریت.
• سازگاری بومی با HTTP ندارد: در حالی که دروازه‌ها می‌توانند MQTT را به HTTP متصل کنند، اما بدون تبدیل، به طور بومی با مرورگرهای وب یا APIهای RESTful سازگار نیست.
• سربار برای پیام‌های بسیار کوچک: در حالی که به طور کلی سبک است، برای بسته‌های داده بسیار کوچک (مثلاً یک بایت)، سربار هدر TCP/IP و MQTT همچنان می‌تواند به طور نامتناسبی بزرگ باشد.
• مدیریت وضعیت: مدیریت اشتراک‌ها و جلسات برای تعداد زیادی از کلاینت‌ها می‌تواند برای بروکر پیچیده شود.

CoAP: پروتکل سبک وب-گرا

CoAP چیست؟

CoAP یک پروتکل استاندارد IETF است که برای دستگاه‌های بسیار محدود طراحی شده است، اغلب آنهایی که دارای حداقل منابع هستند و در محیط‌هایی کار می‌کنند که UDP ترجیح داده می‌شود یا مورد نیاز است. این پروتکل معماری آشنای RESTful (Representational State Transfer) وب را به اینترنت اشیا می‌آورد و به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد با منابع با استفاده از متدهایی مشابه HTTP (GET, PUT, POST, DELETE) تعامل داشته باشند.

ویژگی‌های کلیدی CoAP

CoAP قصد دارد تجربه‌ای شبیه به وب را برای کوچکترین دستگاه‌ها فراهم کند:

• مدل درخواست-پاسخ (Request-Response):
  • مشابه HTTP، CoAP بر اساس مدل سنتی کلاینت-سرور کار می‌کند. یک کلاینت درخواستی را به یک سرور (یک دستگاه اینترنت اشیا با منابع) ارسال می‌کند و سرور پاسخی را برمی‌گرداند.
  • منابع با URIها مشخص می‌شوند، درست مانند وب (مثلاً coap://device.example.com/sensors/temperature).
• حمل و نقل مبتنی بر UDP:
  • CoAP عمدتاً از UDP (پروتکل دیتاگرام کاربر) به جای TCP استفاده می‌کند. UDP بدون اتصال است و سربار بسیار کمتری نسبت به TCP دارد، که آن را برای دستگاه‌هایی با حافظه و توان بسیار محدود ایده‌آل می‌کند.
  • برای جبران عدم قابلیت اطمینان UDP، CoAP مکانیزم‌های قابلیت اطمینان سبک خود را (ارسال مجدد، تأییدیه‌ها) مستقیماً در داخل پروتکل پیاده‌سازی می‌کند. این بدان معناست که پیام‌های CoAP می‌توانند 'قابل تأیید' (نیازمند تأییدیه) یا 'غیرقابل تأیید' (ارسال و فراموشی) باشند.
• رابط RESTful:
  • CoAP از متدهای استانداردی مانند GET (بازیابی نمایش یک منبع)، POST (ایجاد یا به‌روزرسانی یک منبع)، PUT (به‌روزرسانی/جایگزینی یک منبع) و DELETE (حذف یک منبع) پشتیبانی می‌کند. این امر آن را برای توسعه‌دهندگان وب آشنا با HTTP بصری می‌کند.
  • از مفاهیمی مانند شناسه‌های منبع یکنواخت (URI) برای آدرس‌دهی منابع و انواع محتوا برای فرمت‌های داده استفاده می‌کند.
• سربار حداقل: هدرهای CoAP بسیار فشرده هستند (معمولاً ۴ بایت)، که امکان اندازه‌های پیام بسیار کوچک را فراهم می‌کند. این برای دستگاه‌های بسیار محدود و شبکه‌های بی‌سیم کم‌مصرف حیاتی است.
• کشف منابع: CoAP شامل مکانیزم‌هایی برای کشف منابع موجود در یک سرور CoAP (دستگاه) است، مشابه اینکه یک وب سرور ممکن است صفحات موجود را لیست کند. این برای محیط‌های دستگاه پویا مفید است.
• گزینه مشاهده (Observe): در حالی که عمدتاً درخواست-پاسخ است، CoAP یک گزینه 'Observe' را ارائه می‌دهد که شکل محدودی از انتشار-اشتراک را فعال می‌کند. یک کلاینت می‌تواند یک منبع را 'مشاهده' کند و سرور به‌روزرسانی‌های آن منبع را در طول زمان بدون نظرسنجی مکرر ارسال خواهد کرد. این کارآمدتر از نظرسنجی مداوم برای تغییرات است.
• انتقال بلوکی (Block Transfer): برای انتقال محموله‌های بزرگتر، CoAP یک مکانیزم انتقال بلوکی را فراهم می‌کند که داده‌ها را به بلوک‌های کوچکتر تقسیم می‌کند تا در MTUهای (حداکثر واحد انتقال) معمول شبکه‌های محدود جای گیرند.
• پشتیبانی از پروکسی و کش: CoAP به طور طبیعی از پروکسی‌ها پشتیبانی می‌کند که می‌توانند درخواست‌های CoAP را به HTTP و بالعکس ترجمه کنند و شکاف بین دستگاه‌های محدود و وب گسترده‌تر را پر کنند. کش کردن پاسخ‌ها نیز به طور بومی پشتیبانی می‌شود و درخواست‌های اضافی را کاهش می‌دهد.
• امنیت: CoAP معمولاً از امنیت لایه انتقال دیتاگرام (DTLS) برای ارتباط امن بر روی UDP استفاده می‌کند و رمزگذاری، احراز هویت و یکپارچگی مشابه TLS برای TCP را فراهم می‌کند.

موارد استفاده و مثال‌های جهانی از CoAP

کارایی و سادگی CoAP آن را برای سناریوهای بسیار محدود از نظر منابع و تعاملات مستقیم دستگاه به دستگاه مناسب می‌سازد:

• شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSNs): در ایستگاه‌های نظارت محیطی از راه دور در جنگل‌های آمازون، روشنایی هوشمند خیابان‌ها در کپنهاگ، یا مزارع کشاورزی در مناطق روستایی چین، CoAP برتری دارد. دستگاه‌هایی با حداقل توان و قابلیت‌های پردازشی می‌توانند به طور کارآمد بسته‌های داده کوچک (مانند دما، رطوبت، شدت نور) را ارسال کرده یا دستورات ساده (مانند روشن/خاموش کردن) را دریافت کنند. پایه UDP آن برای پروتکل‌های بی‌سیم کم‌مصرف مانند 6LoWPAN بسیار مناسب است.
• زیرساخت شهرهای هوشمند: برای حسگرهای پارکینگ با باتری در مراکز شهری مختلف از توکیو تا لندن، یا سطل‌های زباله هوشمند در محله‌های هوشمند، سربار حداقل CoAP و کارایی UDP امکان عمر باتری طولانی و استقرار سریع را فراهم می‌کند. این دستگاه‌ها می‌توانند به طور مکرر وضعیت یا حضور خود را بدون تخلیه سریع باتری گزارش دهند.
• اتوماسیون ساختمان در لبه (Edge): در ساختمان‌های تجاری در دبی یا مجتمع‌های مسکونی در کانادا، CoAP برای کنترل مستقیم عملگرها و حسگرهای کوچک مانند قفل‌های در هوشمند، حسگرهای پنجره یا کلیدهای روشنایی ساده استفاده می‌شود. مدل درخواست-پاسخ آن برای عملیات فرمان و کنترل فردی بصری است.
• سیستم‌های مدیریت انرژی: در شبکه‌های هوشمند یا میکروگریدها، به ویژه در مناطق در حال توسعه با زیرساخت‌های کمتر پایدار، CoAP می‌تواند برای ارتباط با کنتورهای هوشمند یا حسگرهای مصرف انرژی به کار رود. ردپای منابع کم آن، آن را برای دستگاه‌های مستقر در محیط‌های چالش‌برانگیز قابل استفاده می‌کند.
• دستگاه‌های پوشیدنی و گجت‌های سلامت شخصی: برای دستگاه‌های پوشیدنی فشرده و با باتری که نیاز به ارسال بسته‌های داده کوچک گاه‌به‌گاه (مانند به‌روزرسانی‌های ردیاب فعالیت، هشدارهای ساده) به یک دروازه یا تلفن هوشمند نزدیک دارند، CoAP یک راه حل کارآمد ارائه می‌دهد.
• خرده‌فروشی و ردیابی دارایی: در انبارهای بزرگ یا فضاهای خرده‌فروشی در مکزیک یا آفریقای جنوبی، CoAP می‌تواند برای ردیابی موجودی با برچسب‌های کم‌مصرف، ارسال به‌روزرسانی‌های موقعیت مکانی یا تغییرات وضعیت برای اقلام فردی استفاده شود.

مزایای CoAP

• سربار بسیار کم: اندازه پیام حداقل و حمل و نقل UDP آن را برای دستگاه‌ها و شبکه‌های به شدت محدود فوق‌العاده کارآمد می‌کند.
• مناسب برای دستگاه‌های محدود: از ابتدا برای میکروکنترلرهایی با حافظه، قدرت پردازش و عمر باتری محدود طراحی شده است.
• ادغام با وب: ماهیت RESTful و متدهای شبه-HTTP آن، ادغام با خدمات وب سنتی را از طریق پروکسی‌ها ساده می‌کند.
• ارتباط مستقیم دستگاه به دستگاه: CoAP می‌تواند برای ارتباط مستقیم بین دستگاه‌ها بدون نیاز به یک بروکر واسطه استفاده شود، که برخی از توپولوژی‌های شبکه را ساده می‌کند.
• پشتیبانی از چندپخشی (Multicast): با بهره‌گیری از قابلیت‌های چندپخشی UDP، CoAP می‌تواند پیام‌ها را به طور کارآمد به گروه‌هایی از دستگاه‌ها ارسال کند.
• کشف منابع: پشتیبانی بومی برای کشف منابع موجود در یک دستگاه.

معایب CoAP

• مقیاس‌پذیری کمتر برای ارتباطات چند به چند: در حالی که 'Observe' یک ویژگی شبیه به انتشار-اشتراک را فراهم می‌کند، مدل اصلی درخواست-پاسخ CoAP برای توزیع گسترده (یک ناشر به بسیاری از مشترکین) کمتر از مدل اختصاصی انتشار-اشتراک MQTT کارآمد است.
• مدیریت قابلیت اطمینان UDP: اگرچه CoAP قابلیت اطمینان خود را اضافه می‌کند، اما به اندازه مکانیزم‌های داخلی TCP قوی یا مدیریت‌شده به صورت جهانی نیست و نیازمند پیاده‌سازی دقیق است.
• عدم پشتیبانی از Push بومی: مکانیزم 'Observe' بیشتر یک اعلان مبتنی بر کشش است تا یک مدل Push واقعی مبتنی بر بروکر، و اتصالات پایدار 'Observe' می‌توانند در طول زمان منابع بیشتری مصرف کنند.
• اکوسیستم کمتر بالغ (در مقایسه با MQTT): در حالی که در حال رشد است، CoAP پیاده‌سازی‌های بروکر گسترده و پشتیبانی جامعه کمتری در مقایسه با اکوسیستم بالغ MQTT دارد.
• عبور از NAT (ترجمه آدرس شبکه): پروتکل‌های مبتنی بر UDP می‌توانند با عبور از NAT در پیکربندی‌های شبکه پیچیده با چالش‌هایی روبرو شوند و به طور بالقوه برای دسترسی جهانی به تنظیمات اضافی نیاز دارند.

MQTT در مقابل CoAP: مقایسه رو در رو

برای روشن کردن تفاوت‌ها و کمک به تصمیم‌گیری، بیایید MQTT و CoAP را در ابعاد کلیدی بررسی کنیم:

مدل ارتباطی:

• MQTT: انتشار-اشتراک (ناهمزمان). ناشران و مشترکین توسط یک بروکر از هم جدا شده‌اند. ایده‌آل برای ارتباطات یک به چند و چند به چند.
• CoAP: درخواست-پاسخ (همزمان/ناهمزمان با 'Observe'). کلاینت یک منبع را درخواست می‌کند، سرور پاسخ می‌دهد. مشابه HTTP. ایده‌آل برای ارتباطات یک به یک.

لایه انتقال:

• MQTT: TCP (پروتکل کنترل انتقال). قابلیت اطمینان داخلی، کنترل جریان و بررسی خطا را فراهم می‌کند و تحویل مرتب را تضمین می‌کند.
• CoAP: UDP (پروتکل دیتاگرام کاربر). بدون اتصال و بدون حالت، با حداقل سربار. CoAP لایه قابلیت اطمینان خود را (پیام‌های قابل تأیید، ارسال مجدد) بر روی UDP اضافه می‌کند.

سربار و اندازه پیام:

• MQTT: نسبتاً سبک (هدر حداقل، معمولاً هدر ثابت ۲ بایتی + هدر متغیر). همچنان از برقراری اتصال TCP سود می‌برد.
• CoAP: بسیار سبک (معمولاً هدر ثابت ۴ بایتی). برای کوچکترین پیام‌ها بسیار کارآمد است، به ویژه بر روی شبکه‌های بی‌سیم کم‌مصرف.

نیاز به بروکر/سرور:

• MQTT: برای تسهیل تمام ارتباطات به یک بروکر MQTT مرکزی نیاز دارد.
• CoAP: برای ارتباط مستقیم دستگاه به دستگاه به بروکر نیاز ندارد. دستگاه‌ها به عنوان کلاینت‌ها و سرورهای CoAP عمل می‌کنند. می‌توانند از پروکسی‌ها برای اتصال به وب استفاده کنند.

قابلیت اطمینان:

• MQTT: قابلیت اطمینان TCP را به ارث می‌برد. سه سطح QoS (۰، ۱، ۲) را برای تضمین‌های صریح تحویل پیام ارائه می‌دهد.
• CoAP: قابلیت اطمینان خود را (پیام‌های قابل تأیید با تأییدیه‌ها و ارسال مجدد) بر روی UDP پیاده‌سازی می‌کند. برای شبکه‌های غیرقابل اعتماد کمتر از قابلیت اطمینان ذاتی TCP قوی است.

امنیت:

• MQTT: با استفاده از TLS/SSL بر روی TCP برای رمزگذاری و احراز هویت امن می‌شود.
• CoAP: با استفاده از DTLS (امنیت لایه انتقال دیتاگرام) بر روی UDP برای رمزگذاری و احراز هویت امن می‌شود.

ادغام با وب:

• MQTT: به طور بومی با وب سازگار نیست؛ برای تعامل با خدمات وب مبتنی بر HTTP به یک پل یا دروازه نیاز دارد.
• CoAP: طراحی شده تا به راحتی به HTTP نگاشت شود و اغلب از پروکسی‌های CoAP-to-HTTP برای ادغام با برنامه‌های وب استفاده می‌کند.

موارد استفاده ایده‌آل:

• MQTT: پیاده‌سازی‌های بزرگ اینترنت اشیا، معماری‌های ابر-محور، پخش داده بلادرنگ، سیستم‌های رویداد-محور، برنامه‌های تلفن همراه، اتوماسیون صنعتی، جایی که بسیاری از دستگاه‌ها به بسیاری از مشترکین منتشر می‌کنند.
• CoAP: دستگاه‌های بسیار محدود از نظر منابع، ارتباط محلی دستگاه به دستگاه، شبکه‌های بی‌سیم کم‌مصرف (مانند 6LoWPAN)، شبکه‌های حسگر/عملگر، APIهای RESTful اینترنت اشیا، جایی که تعامل مستقیم با منابع خاص مورد نیاز است.

انتخاب پروتکل مناسب: چارچوب تصمیم‌گیری برای پیاده‌سازی‌های جهانی اینترنت اشیا

انتخاب بین MQTT و CoAP به این معنی نیست که کدام پروتکل ذاتاً "بهتر" است، بلکه کدام یک برای نیازها و محدودیت‌های خاص راهکار اینترنت اشیای شما مناسب‌تر است. یک دیدگاه جهانی نیازمند در نظر گرفتن شرایط متنوع شبکه، قابلیت‌های دستگاه و محیط‌های نظارتی است. در اینجا یک چارچوب تصمیم‌گیری ارائه می‌شود:

عواملی که باید در نظر گرفت

این جنبه‌های پروژه اینترنت اشیای خود را ارزیابی کنید:

• محدودیت‌های دستگاه:
  • حافظه و قدرت پردازش: دستگاه‌های شما چقدر محدود هستند؟ اگر آنها کیلوبایت RAM و میکروکنترلرهای کندی دارند، CoAP ممکن است گزینه بهتری باشد. اگر منابع قابل توجه‌تری دارند (مثلاً Raspberry Pi، ESP32)، MQTT کاملاً قابل استفاده است.
  • عمر باتری: UDP (CoAP) به طور کلی برای انفجارهای کوتاه ارتباطی به دلیل عدم سربار اتصال، انرژی کمتری مصرف می‌کند که می‌تواند برای عمر باتری چند ساله حیاتی باشد. TCP (MQTT) به یک اتصال پایدار نیاز دارد که اگر به دقت مدیریت نشود، می‌تواند مصرف انرژی بیشتری داشته باشد.
• محدودیت‌های شبکه:
  • پهنای باند: هر دو سبک هستند، اما CoAP هدر کمی کوچکتری دارد که می‌تواند در شبکه‌های با پهنای باند بسیار کم (مانند LPWAN مانند Sigfox، LoRaWAN – اگرچه اینها اغلب پروتکل‌های لایه کاربردی خود را دارند که CoAP می‌تواند به آنها نگاشت شود) قابل توجه باشد.
  • تأخیر و قابلیت اطمینان: اگر شبکه بسیار غیرقابل اعتماد یا مستعد تأخیر بالا باشد، سطوح QoS MQTT و قابلیت اطمینان ذاتی TCP ممکن است ترجیح داده شوند. ارسال‌های مجدد CoAP کار می‌کنند، اما ماهیت بدون اتصال UDP می‌تواند بر روی لینک‌های بسیار با اتلاف، کمتر قابل پیش‌بینی باشد.
  • توپولوژی شبکه: آیا دستگاه‌ها پشت NATهای چالش‌برانگیز یا فایروال‌ها هستند؟ مدل بروکر MQTT اغلب عبور از فایروال را برای اتصالات خروجی ساده می‌کند. CoAP (UDP) می‌تواند برای ارتباط مستقیم همتا به همتا از طریق اینترنت چالش‌برانگیزتر باشد.
• الگوی ارتباطی:
  • انتشار-اشتراک (چند به چند): آیا نیاز دارید یک دستگاه داده را به چندین طرف علاقه‌مند ارسال کند، یا داده‌ها را از چندین دستگاه به یک سیستم مرکزی تجمیع کنید؟ MQTT برنده آشکار در اینجاست.
  • درخواست-پاسخ (یک به یک): آیا نیاز دارید از یک دستگاه خاص برای وضعیت آن پرس‌وجو کنید، یا یک دستور مستقیم به یک عملگر ارسال کنید؟ CoAP در این مدل برتری دارد.
  • رویداد-محور در مقابل نظرسنجی: برای اعلان‌های رویداد بلادرنگ، مدل push MQTT برتر است. گزینه 'Observe' CoAP می‌تواند رفتاری شبیه به push را فراهم کند اما برای مشاهده تغییرات منابع خاص مناسب‌تر است.
• نیازمندی‌های مقیاس‌پذیری:
  • چند دستگاه متصل خواهند شد؟ چه مقدار داده مبادله خواهد شد؟ معماری بروکر MQTT برای مقیاس‌پذیری عظیم طراحی شده است و میلیون‌ها اتصال همزمان را مدیریت می‌کند. CoAP برای بسیاری از منابع مقیاس‌پذیر است، اما ماهیت اصلی درخواست-پاسخ آن برای پخش حجم زیادی از داده به بسیاری از مشترکین کارآمدی کمتری دارد.
• ادغام با سیستم‌های موجود و وب:
  • آیا در حال ساخت یک راهکار اینترنت اشیای وب-محور هستید که در آن دستگاه‌ها منابعی را نمایش می‌دهند که مانند صفحات وب قابل دسترسی هستند؟ ماهیت RESTful CoAP با این موضوع به خوبی هماهنگ است.
  • آیا در حال ادغام با صف‌های پیام سازمانی یا پلتفرم‌های داده بزرگ هستید؟ MQTT اغلب به دلیل محبوبیتش در پیام‌رسانی سازمانی، اتصال‌دهنده‌ها و ادغام‌های مستقیم بیشتری دارد.
• نیازهای امنیتی:
  • هر دو از رمزگذاری قوی (TLS/DTLS) پشتیبانی می‌کنند. سربار برقراری و نگهداری اتصالات امن را در دستگاه‌های بسیار محدود در نظر بگیرید.
• اکوسیستم توسعه‌دهنده و پشتیبانی:
  • جامعه و کتابخانه‌های کلاینت موجود برای محیط توسعه انتخابی شما چقدر بالغ هستند؟ MQTT به طور کلی اکوسیستم بزرگتر و بالغ‌تری در سطح جهان دارد.

چه زمانی MQTT را انتخاب کنیم

زمانی MQTT را انتخاب کنید که راهکار اینترنت اشیای شما شامل موارد زیر باشد:

• شبکه‌های حسگر بزرگ و سیستم‌های تله‌متری (مانند نظارت بر کیفیت هوای شهرهای هوشمند، کنترل آب و هوای کشاورزی در مزارع وسیع برزیل).
• نیاز به جمع‌آوری و توزیع متمرکز داده‌ها به چندین برنامه یا داشبورد (مانند عملیات کارخانه هوشمند در چین که داده‌های تولید با تیم‌های مدیریت، تحلیل و نگهداری به اشتراک گذاشته می‌شود).
• معماری‌های رویداد-محور که در آن هشدارها یا دستورات بلادرنگ حیاتی هستند (مانند اعلان‌های نقض سیستم امنیتی، هشدارهای پزشکی اضطراری از دستگاه‌های پوشیدنی).
• دستگاه‌هایی که می‌توانند یک اتصال پایدار را حفظ کنند یا به راحتی دوباره وصل شوند (مانند دستگاه‌های با منبع تغذیه پایدار یا اتصال سلولی).
• ارتباط دو طرفه که در آن هر دو دستورات ابر به دستگاه و داده‌های دستگاه به ابر مکرر هستند.
• ادغام با برنامه‌های تلفن همراه یا خدمات وب که از اعلان‌های push بهره می‌برند.
• سناریوهایی که تضمین تحویل پیام (QoS) حیاتی است، مانند سیگنال‌های کنترلی حیاتی یا تراکنش‌های مالی.

چه زمانی CoAP را انتخاب کنیم

CoAP را برای راهکار اینترنت اشیای خود در نظر بگیرید اگر:

• با دستگاه‌های بسیار محدود از نظر منابع کار می‌کنید (مانند حسگرهای با باتری با میکروکنترلرهای کوچک در روستاهای دورافتاده آفریقا).
• محیط شبکه عمدتاً بی‌سیم کم‌مصرف است (مانند 6LoWPAN بر روی Thread یا Zigbee، یا Wi-Fi محدود)، جایی که کارایی UDP در اولویت است.
• ارتباط عمدتاً درخواست-پاسخ است، جایی که یک کلاینت یک منبع خاص را در یک دستگاه نظرسنجی می‌کند، یا یک دستور مستقیم ارسال می‌کند (مانند خواندن یک مقدار خاص از یک کنتور هوشمند، تغییر وضعیت یک کلید روشنایی).
• به ارتباط مستقیم دستگاه به دستگاه بدون یک بروکر واسطه نیاز دارید (مانند یک کلید روشنایی هوشمند که مستقیماً با یک لامپ هوشمند در یک شبکه محلی ارتباط برقرار می‌کند).
• معماری سیستم به طور طبیعی به یک مدل وب RESTful متمایل است، جایی که دستگاه‌ها 'منابعی' را برای دسترسی یا دستکاری از طریق URIها نمایش می‌دهند.
• ارتباط چندپخشی به گروه‌هایی از دستگاه‌ها یک الزام است (مانند ارسال یک دستور به تمام چراغ‌های خیابان در یک منطقه خاص).
• مورد استفاده اصلی شامل مشاهدات دوره‌ای یک منبع به جای پخش مداوم است (مانند مشاهده یک حسگر دما برای تغییرات هر چند دقیقه).

رویکردهای ترکیبی و دروازه‌ها

مهم است که بدانیم MQTT و CoAP متقابلاً انحصاری نیستند. بسیاری از پیاده‌سازی‌های پیچیده اینترنت اشیا، به ویژه آنهایی که جغرافیای متنوع و انواع دستگاه‌ها را در بر می‌گیرند، از یک رویکرد ترکیبی استفاده می‌کنند:

• دروازه‌های لبه (Edge Gateways): در یک الگوی رایج، دستگاه‌های بسیار محدود مجهز به CoAP با یک دروازه لبه محلی (مانند یک سرور محلی یا یک دستگاه تعبیه‌شده قدرتمندتر) ارتباط برقرار می‌کنند. این دروازه سپس داده‌ها را تجمیع می‌کند، پردازش محلی را انجام می‌دهد و اطلاعات مربوطه را با استفاده از MQTT به ابر ارسال می‌کند. این کار بار را از روی دستگاه‌های محدود فردی کاهش می‌دهد و اتصال به ابر را بهینه می‌کند. به عنوان مثال، در یک مزرعه بزرگ در استرالیای روستایی، حسگرهای CoAP داده‌های خاک را جمع‌آوری کرده و به یک دروازه محلی ارسال می‌کنند؛ سپس دروازه از MQTT برای ارسال داده‌های تجمیع‌شده به یک پلتفرم تحلیل ابری در سیدنی استفاده می‌کند.
• ترجمه پروتکل: دروازه‌ها همچنین می‌توانند به عنوان مترجم پروتکل عمل کنند و پیام‌های CoAP را به MQTT (و بالعکس) یا HTTP تبدیل کنند، که امکان ادغام یکپارچه بین بخش‌های مختلف یک اکوسیستم اینترنت اشیا را فراهم می‌کند. این امر به ویژه هنگام ادغام دستگاه‌های محدود جدید در یک زیرساخت ابری مبتنی بر MQTT موجود مفید است.

ملاحظات امنیتی برای هر دو پروتکل

امنیت در هر پیاده‌سازی اینترنت اشیا، به ویژه در یک زمینه جهانی که مقررات حریم خصوصی داده‌ها (مانند GDPR در اروپا یا قوانین مختلف حفاظت از داده‌ها در سراسر آسیا و آمریکا) و تهدیدات سایبری همیشه حاضر هستند، از اهمیت بالایی برخوردار است. هم MQTT و هم CoAP مکانیزم‌هایی برای ایمن‌سازی ارتباطات ارائه می‌دهند:

• رمزگذاری:
  • MQTT: معمولاً از TLS/SSL (امنیت لایه انتقال/لایه سوکت‌های امن) بر روی TCP استفاده می‌کند. این کل کانال ارتباطی بین کلاینت و بروکر را رمزگذاری می‌کند و از داده‌ها در برابر شنود محافظت می‌کند.
  • CoAP: از DTLS (امنیت لایه انتقال دیتاگرام) بر روی UDP استفاده می‌کند. DTLS امنیت رمزنگاری مشابه TLS را فراهم می‌کند اما برای پروتکل‌های دیتاگرام بدون اتصال تطبیق داده شده است.
• احراز هویت:
  • هر دو پروتکل از احراز هویت کلاینت و سرور پشتیبانی می‌کنند. برای MQTT، این اغلب شامل نام کاربری/رمز عبور، گواهی‌های کلاینت یا توکن‌های OAuth است. برای CoAP، کلیدهای از پیش به اشتراک گذاشته شده (PSK) یا گواهی‌های X.509 با DTLS رایج هستند. احراز هویت قوی تضمین می‌کند که فقط دستگاه‌ها و کاربران قانونی می‌توانند در شبکه شرکت کنند.
• مجوزدهی:
  • فراتر از احراز هویت، مجوزدهی مشخص می‌کند که کلاینت‌های احراز هویت شده مجاز به انجام چه کاری هستند. بروکرهای MQTT لیست‌های کنترل دسترسی (ACL) را برای تعریف اینکه کدام کلاینت‌ها می‌توانند به موضوعات خاصی منتشر یا مشترک شوند، فراهم می‌کنند. سرورهای CoAP دسترسی به منابع خاص را بر اساس اعتبارنامه‌های کلاینت کنترل می‌کنند.
• یکپارچگی داده‌ها: هم TLS و هم DTLS مکانیزم‌هایی را برای اطمینان از اینکه پیام‌ها در حین انتقال دستکاری نشده‌اند، فراهم می‌کنند.

صرف نظر از پروتکل انتخاب شده، پیاده‌سازی امنیت قوی غیرقابل مذاکره است. این شامل مدیریت کلید امن، ممیزی‌های امنیتی منظم و پایبندی به بهترین شیوه‌ها مانند اصل حداقل امتیاز برای دسترسی دستگاه است.

روندها و تحولات آینده در پروتکل‌های اینترنت اشیا

چشم‌انداز اینترنت اشیا پویا است و پروتکل‌ها به تکامل خود ادامه می‌دهند. در حالی که MQTT و CoAP همچنان غالب هستند، چندین روند در حال شکل دادن به آینده آنها و ظهور راهکارهای جدید هستند:

• رایانش لبه (Edge Computing): ظهور رایانش لبه در حال ترویج معماری‌های ترکیبی است. با انتقال بیشتر پردازش به نزدیکی منابع داده، پروتکل‌هایی که ارتباط کارآمد محلی دستگاه به دستگاه و دستگاه به لبه (مانند CoAP) را امکان‌پذیر می‌سازند، همچنان حیاتی خواهند بود و پروتکل‌های ابر-محور (مانند MQTT) را تکمیل خواهند کرد.
• استانداردسازی و قابلیت همکاری: تلاش‌ها برای استانداردسازی مدل‌های داده و قابلیت همکاری معنایی (مثلاً با استفاده از چارچوب‌هایی مانند OPC UA یا oneM2M که می‌توانند بر روی MQTT/CoAP اجرا شوند) ارتباط یکپارچه را در اکوسیستم‌های متنوع اینترنت اشیا در سطح جهان افزایش خواهد داد.
• ویژگی‌های امنیتی پیشرفته: با تکامل تهدیدات، اقدامات امنیتی نیز تکامل خواهند یافت. انتظار پیشرفت‌های مداوم در تکنیک‌های رمزنگاری سبک مناسب برای دستگاه‌های محدود و راهکارهای مدیریت هویت پیچیده‌تر را داشته باشید.
• ادغام با 5G و LPWAN: راه‌اندازی 5G و گسترش مداوم شبکه‌های گسترده کم‌مصرف (LPWAN مانند NB-IoT، LTE-M) بر انتخاب پروتکل تأثیر خواهد گذاشت. در حالی که LPWANها اغلب لایه‌های خاص خود را دارند، پروتکل‌های کاربردی کارآمد مانند MQTT-SN (MQTT برای شبکه‌های حسگر) یا CoAP برای بهینه‌سازی تبادل داده بر روی این فناوری‌های رادیویی جدید، به ویژه در مناطق جغرافیایی وسیع، ضروری هستند.
• پروتکل‌های جایگزین/تکمیلی: در حالی که مستقیماً رقابت نمی‌کنند، پروتکل‌هایی مانند AMQP (پروتکل صف پیام پیشرفته) برای پیام‌رسانی سازمانی، و DDS (سرویس توزیع داده) برای سیستم‌های بلادرنگ و با کارایی بالا، در حوزه‌های خاص اینترنت اشیا، اغلب در کنار یا در ترکیب با MQTT برای لایه‌های مختلف یک راهکار استفاده می‌شوند.

نتیجه‌گیری

انتخاب یک پروتکل اینترنت اشیا یک تصمیم بنیادی است که کارایی، مقیاس‌پذیری و انعطاف‌پذیری کل اکوسیستم اینترنت اشیای شما را شکل می‌دهد. هم MQTT و هم CoAP پروتکل‌های قدرتمند و سبکی هستند که برای پاسخگویی به نیازهای منحصر به فرد دستگاه‌های متصل طراحی شده‌اند، اما نیازها و موارد استفاده متفاوتی را برآورده می‌کنند.

MQTT در سناریوهای ارتباطی بزرگ و چند به چند می‌درخشد و قابلیت اطمینان قوی و یک مدل انتشار-اشتراک بسیار مقیاس‌پذیر را ارائه می‌دهد که آن را برای تجمیع داده‌های ابر-محور و رویدادهای بلادرنگ ایده‌آل می‌کند. بلوغ و اکوسیستم وسیع آن پشتیبانی توسعه گسترده‌ای را فراهم می‌کند.

CoAP، از سوی دیگر، قهرمان دستگاه‌ها و شبکه‌های بسیار محدود از نظر منابع است و در ارتباطات یک به یک و کنترل مستقیم دستگاه، با رویکرد RESTful ناب و وب-پسند خود برتری دارد. این پروتکل به ویژه برای پیاده‌سازی‌های لبه و دستگاه‌هایی با بودجه انرژی حداقل مناسب است.

برای پیاده‌سازی‌های جهانی اینترنت اشیا، درک تفاوت‌های ظریف قابلیت‌های دستگاه، شرایط شبکه، الگوهای ارتباطی و نیازمندی‌های امنیتی از اهمیت بالایی برخوردار است. با سنجیدن دقیق این عوامل در برابر نقاط قوت و ضعف MQTT و CoAP، و در نظر گرفتن معماری‌های ترکیبی، می‌توانید یک راهکار اینترنت اشیا طراحی کنید که نه تنها قوی و کارآمد است، بلکه با خواسته‌های متنوع و همیشه در حال تحول دنیای متصل جهانی نیز سازگار است. انتخاب پروتکل مناسب تضمین می‌کند که چشم‌انداز اینترنت اشیای شما می‌تواند واقعاً از مرزهای جغرافیایی فراتر رفته و پتانسیل کامل خود را آزاد کند.