صفحة 188 - كتاب إنترنت الأشياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

📚 بروتوكولات شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية المستندة إلى عنوان IP

المفاهيم الأساسية

6LoWPAN: بروتوكول مصمم للعمل مع الأجهزة ذات الطاقة والقدرات المحدودة، ويتوافق مع معايير IEEE 802.15.4 والبلوتوث والتقنيات الفرعية 1 جيجاهرتز. ميزته الأساسية أن معظم المستشعرات تعمل بتوافق مع نظام عنونة IP.

بروتوكول التشعب (Thread): بروتوكول لشبكات إنترنت الأشياء يعتمد على IPv6 (6LoWPAN)، هدفه إتاحة أتمتة المنازل والشبكات المنزلية. يعتمد على معايير IEEE 802.15.4 وخصائص 6LoWPان، ويتميز باستهلاك منخفض للطاقة وأمان عالي باستخدام التشفير المتقدم (AES).

خريطة المفاهيم

```markmap

تقنيات شبكات إنترنت الأشياء

بروتوكولات وشبكات الاتصالات قصيرة المدى

تحديد الترددات الراديوية والاتصال قريب المدى (RFID & NFC)

#### RFID

• تخزين واسترداد البيانات عن بعد
• جهاز إرسال وجهاز استقبال لاسلكي
• تتبع الأدوات والمعدات والمواد والأشخاص
• قراءة رقاقات متعددة في وقت واحد (حتى لو كانت مخفية)

#### NFC

• تبادل بيانات آمن
• نطاق اتصال قصير (~10 سم)
• استخدامات: الدفع غير التلامسي، مفاتيح إلكترونية، ربط الأجهزة

#### مقارنة (جدول 5.2)

• التردد: RFID (125 كيلو هرتز - 2.45 جيجا هرتز) | NFC (13.56 ميجا هرتز)
• نطاق الاتصال: RFID (حتى 100 متر) | NFC (~10 سم)
• الاتصال: RFID (أحادي الاتجاه) | NFC (ثنائي الاتجاه)
• الميزة: RFID (التعرف عن بعد) | NFC (أمان عالي)

شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية (WPANs)

#### تعريف

• وسيلة لنقل واستقبال بيانات المستشعرات والمشغلات
• يمكن أن تكون سلكية أو لاسلكية

#### مكونات (شكل 5.22)

• نقطة وصول (Access Point)
• الإنترنت
• مستشعر (Sensor)
• هاتف نقال (Mobile Phone)

#### بروتوكولات WPANs غير المستندة إلى عنوان IP

##### زيجبي (Zigbee)

###### المكونات الرئيسة للشبكة

• متحكم زيجبي (ZC): جهاز عالي القدرة لبناء وبدء الشبكة، يعين العناوين ويسمح بانضمام العقد.
• موجه زيجبي (ZR): مكون اختياري يعالج جزءاً من الشبكة المتداخلة ويعين العناوين.
• جهاز زيجبي طرفي (ZED): نقطة نهاية بسيطة للتواصل مع الوسط (مثل: مفتاح الإضاءة، منظم الحرارة).

###### أنواع حركة البيانات التي يعالجها

• البيانات الدورية: إرسال دوري للبيانات (مثل: المرسلات).
• البيانات المتقطعة: تحدث عند محفزات عشوائية (مثل: مفتاح الإضاءة).
• بيانات زمن الانتقال المنخفض المتكررة: فترات زمنية للإرسال بزمن انتقال منخفض (مثل: أجهزة الإشارة، لوحات المفاتيل).

###### الهيكليات الأساسية

####### هيكلية النجمة (Star Topology)

• متحكم زيجبي (ZC) هو المحور المركزي.
• يمتد إلى نقطتين فقط، مما يحدد المسافة بين العقد.
• نقطة عطل مفردة في المتحكم.

####### هيكلية الشجرة العنقودية (Cluster Tree Topology)

• شبكة متعددة النقاط (Multi-Hop).
• تستخدم أجهزة الإرشاد (Beacons) لتوسيع التغطية والمدى.
• العقد الفرعية يمكنها التواصل مع العقد الرئيسية فقط.
• تشكل نقطة الفشل المركزية مشكلة.

####### هيكلية الشبكة المتداخلة (Mesh Topology)

• يمكن توجيه أي جهاز مصدر إلى أي جهاز وجهة.
• تستخدم طرائق التوجيه المستند إلى الأشجار والجداول.
• الموجهات (ZR) يجب أن تعمل طوال الوقت، مما يستنزف البطارية.
• تسمح للموجهات في نطاق محدد بالتنقل مباشرة.
• الفائدة الأساسية: إمكانية توسع الشبكة ووجود مسارات متعددة للبيانات.

##### البلوتوث (Bluetooth)

###### تعريف

• تقنية اتصال لاسلكية منخفضة الطاقة.
• تستخدم في الهواتف، وحدات التحكم، لوحات المفاتيح، وأجهزة إنترنت الأشياء.

###### الأحداث الرئيسية في شبكات البلوتوث الشخصية

• الإعلان (Advertising): جهاز يطلب الاقتران مع أجهزة أخرى تقوم بالمسح.
• التوصيل (Connecting): عملية اقتران الجهاز بجهاز مضيف.

###### آلية الاتصال (Piconet)

• جهاز في وضع الطاقة المنخفضة يمكنه الاتصال باستخدام قناة الإعلان فقط.
• الجهاز المستمع هو بادئ (Initiator).
• إذا أرسل المُعلن حدثاً إعلانياً قابلاً للاتصال، يجوز للبادئ إرسال طلب اتصال.
• إذا أنشئ الارتباط، يصبح البادئ رئيسياً (Master) والمُعلن فرعياً (Slave).
• يسمى هذا الاتصال بيكونيت (Piconet).
• تحدث أحداث الاتصال بين الرئيسي والفرعي على نفس قناة البداية.
• بعد نقل البيانات، يمكن تغيير التردد لتحديد قناة جديدة.

#### بروتوكولات WPANs المستندة إلى عنوان IP

##### 6LoWPAN

###### الميزة الأساسية

• توافق معظم المستشعرات الأساسية مع نظام عنونة IP.

###### التوافق

• معايير IEEE 802.15.4
• تقنيات البلوتوث
• تقنيات الترددات اللاسلكية الفرعية 1 جيجاهرتز
• الاتصالات عبر خطوط الكهرباء (PLC)

###### خصائص الشبكة

• شبكات متداخلة تبنى على جوانب شبكات أكبر.
• هيكليات مرنة تسمح بشبكات مخصصة (Ad hoc) ومفككة دون اشتراط الارتباط بالإنترنت.
• الارتباط بالإنترنت يتم عبر الموجهات الطرفية (Edge Routers).
• تستخدم التوجيه المتعدد (Multi-Homing) لتوصيل شبكات متعددة.
• التحكم في تدفق البيانات داخل الشبكة يكون في بادئة IPv6 التي أنشأها الموجه الطرفي.

##### بروتوكول التشعب (Thread)

###### الهدف الأساسي

• إتاحة أتمتة المنازل والشبكات المنزلية.

###### الأساس

• يعتمد على IPv6 (6LoWPAN) ومعايير IEEE 802.15.4.

###### الاختلاف عن زيجبي

• قابلية العنونة بـ IP.

###### الخصائص

• هيكلية الشبكة المتداخلة (Mesh Network).
• سعة تصل إلى 250 جهازًا لكل شبكة.
• استهلاك منخفض للطاقة (لا يتطلب استمرار التنفيذ في طبقة الشبكة).
• أمان عالي: جميع الاتصالات مشفرة باستخدام معيار التشفير المتقدم (AES).

```

نقاط مهمة

• بروتوكول 6LoWPAN يتيح للأجهزة محدودة الطاقة العمل كعناصر في الشبكة عبر موجهات الشبكات المحلية أو الواي فاي أو شبكات الجيل الثالث والرابع.
• تسمح IPv6 في 6LoWPAN بتغطية ما يصل إلى 50 مليار جهاز متصل، مما يتيح التوسع المطلوب في نشر إنترنت الأشياء.
• شبكات 6LoWPAN يمكن أن تكون مخصصة (Ad hoc) ولا تشترط الارتباط بالإنترنت، وترتبط بها عبر الموجهات الطرفية.
• خاصية التوجيه المتعدد (Multi-Homing) في 6LoWPAN تمكن عدة موجهات من تشغيل الشبكة، مما يساعد في تجاوز الأعطال أو ربط مناطق مختلفة (مثل الجيل الرابع والواي فاي).
• بروتوكول Thread عملي لأنظمة الإضاءة الذكية بسبب هيكليته الشبكية المتداخلة.
• في بروتوكول Thread، لا يحتاج الموجه الطرفي للتعامل مع بروتوكولات طبقة التطبيقات، مما يحد من متطلبات الطاقة والمعالجة.

بروتوكولات شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية المستندة إلى عنوان IP

IP Based WPANS Protocols

الإصدار السادس لبروتوكول الإنترنت عبر شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية منخفضة الطاقة 6LoWPAN تُصمم شبكات (IP) عبر أنظمة اتصالات ترددات لاسلكية منخفضة الطاقة للعمل مع الأجهزة ذات الطاقة والقدرات المحدودة التي لا تتطلب خدمات شبكات ذات نطاق ترددي عالٍ. يتوافق هذا البروتوكول مع العديد من اتصالات شبكات (WPAN) بما فيها معايير (IEEE.802.15.4)، وتقنيات البلوتوث (Bluetooth)، وتقنيات الترددات اللاسلكية الفرعية واحد جيجاهرتز (1 GHz RF sub-1). بالإضافة إلى الاتصالات عبر خطوط الكهرباء (Power Line Controller – PLC)، تتمثل الميزة الأساسية لبروتوكول (6LoWPAN) في أن معظم المستشعرات الأساسية تعمل بتوافق مع نظام عنونة (IP). وبذلك يمكنها أن تعمل كعناصر في الشبكة عبر موجهات الشبكة المحلية أو الواي فاي أو شبكات الجيل الثالث وشبكات (LTE)، وشبكات الجيل الرابع. ويمكن في (IPv6) تغطية ما يصل إلى 50 مليار جهاز متصل بالإنترنت، مما يسمح لها بالاستمرار كنظام للعنونة في المستقبل، وبالتالي إتاحة التوسع المطلوب في نشر إنترنت الأشياء.

تُعد شبكات (6LoWPAN) شبكات متداخلة تبنى على جوانب شبكات أكبر. تتميز هذه الشبكات بهيكلياتها المرنة مما يسمح بوجود شبكات مخصصة (Ad hoc) ومفككة (Disjoined) دون اشتراط الارتباط بالإنترنت أو بأنظمة أخرى. يمكن لهذه الشبكات الارتباط بالشبكة الرئيسة أو بالإنترنت من خلال ما يسمى بموجهات طرفية (Edge Routers). يمكن للموجهات الطرفية المختلفة توصيل شبكات (6LoWPAN) متعددة من خلال ما يعرف باسم التوجيه المتعدد (Multi-Homing)، ويمكن إنشاء الشبكات المخصصة دون الحاجة إلى الوصول إلى الإنترنت دون اشتراط الارتباط، ويمكن للموجهات الطرفية لشبكات (6LoWPAN) متداخلة مع حزم البيانات بشكل مشابه لشبكة عناوين (IP)، والتي تقدم بعض المزايا مقارنة بالبروتوكولات المعروفة الأخرى. عند الضرورة يتم التعامل مع جزء البيانات بشكل مشابه لشبكة عناوين (IP)، والتحكم في تدفق البيانات داخل شبكة (6LoWPAN) في بادئة (IPv6) التي أنشأها الموجه الطرفي. يسهل العقد من الموجهات الطرفية بشكل مستمر خلال مرحلة اكتشاف الشبكة. تحكم مرحلة اكتشاف الشبكة التفاعل بين المضيفين والموجهات في شبكة (6LoWPAN) المحلية. وتُمكن خاصية التوجيه المتعدد (Multi-Homing) عدة موجهات (6LoWPAN) من تشغيل الشبكة؛ على سبيل المثال، عندما يتطلب تجاوز العطل أو التجاوز عن الخطأ ومناطق مختلفة (الجيل الرابع وواي فاي).

بروتوكول التشعب Thread

التشعب هو بروتوكول لشبكات إنترنت الأشياء يعتمد على (IPv6 (6LoWPAN. الهدف الأساسي لهذا البروتوكول هو إتاحة أتمتة المنازل والشبكات المنزلية. ويمكن وصف التشعب بأنه عنوان (IP) يستند إلى معايير وهيكلية (IEEE 802.15.4) و (6LoWPAN)، ويتشابه التشعب مع زيجبي ونسخ 802.15.4 الأخرى، ولكنه يختلف من حيث قابليته للعنونة (IP). يعتمد هذا البروتوكول على البيانات والطبقات المادية للمعايير التقنية 802.15.4 وخصائص الأمان والتوجيه لشبكات (6LoWPAN). يُعد التشعب أيضًا على هيكلية الشبكة المتداخلة (Mesh Network) مما يجعله خيارًا عمليًا لأنظمة الإضاءة الذكية الذكية، وذلك بسعة تصل إلى 250 جهازًا لكل شبكة. يتميز بروتوكول التشعب بقابلية عنونة (IP) في الأجهزة المختلفة بما فيها المستشعرات الصغيرة للغاية وأنظمة تشغيل الأتمتة المنزلية، كما يتميز بتوفيره في استهلاك الطاقة؛ لأن البروتوكول لا يتطلب استمرار تنفيذه في طبقة الشبكة. يعني هذا أيضًا أن الموجه الطرفي الذي يستضيف الشبكة المتداخلة لا يحتاج إلى التعامل مع بروتوكولات طبقة التطبيقات، مما يحد من متطلبات الطاقة والمعالجة. ويُعد هذا البروتوكول آمنًا جدًا نظرًا لكونه متوافقًا مع (IPv6) ولكون جميع الاتصالات مشفرة باستخدام معيار التشفير المتقدم (Advanced Encryption Standard – AES).

شكل 5.26: شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية

وزارة التعليم Ministry of Education 2025 - 1447

188

بروتوكولات شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية المستندة إلى عنوان IP IP Based WPANS Protocols الإصدار السادس لبروتوكول الإنترنت عبر شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية منخفضة الطاقة 6LoWPAN تُصمم شبكات (IP) عبر أنظمة اتصالات ترددات لاسلكية منخفضة الطاقة للعمل مع الأجهزة ذات الطاقة والقدرات المحدودة التي لا تتطلب خدمات شبكات ذات نطاق ترددي عالٍ. يتوافق هذا البروتوكول مع العديد من اتصالات شبكات (WPAN) بما فيها معايير (IEEE.802.15.4)، وتقنيات البلوتوث (Bluetooth)، وتقنيات الترددات اللاسلكية الفرعية واحد جيجاهرتز (1 GHz RF sub-1). بالإضافة إلى الاتصالات عبر خطوط الكهرباء (Power Line Controller – PLC)، تتمثل الميزة الأساسية لبروتوكول (6LoWPAN) في أن معظم المستشعرات الأساسية تعمل بتوافق مع نظام عنونة (IP). وبذلك يمكنها أن تعمل كعناصر في الشبكة عبر موجهات الشبكة المحلية أو الواي فاي أو شبكات الجيل الثالث وشبكات (LTE)، وشبكات الجيل الرابع. ويمكن في (IPv6) تغطية ما يصل إلى 50 مليار جهاز متصل بالإنترنت، مما يسمح لها بالاستمرار كنظام للعنونة في المستقبل، وبالتالي إتاحة التوسع المطلوب في نشر إنترنت الأشياء. تُعد شبكات (6LoWPAN) شبكات متداخلة تبنى على جوانب شبكات أكبر. تتميز هذه الشبكات بهيكلياتها المرنة مما يسمح بوجود شبكات مخصصة (Ad hoc) ومفككة (Disjoined) دون اشتراط الارتباط بالإنترنت أو بأنظمة أخرى. يمكن لهذه الشبكات الارتباط بالشبكة الرئيسة أو بالإنترنت من خلال ما يسمى بموجهات طرفية (Edge Routers). يمكن للموجهات الطرفية المختلفة توصيل شبكات (6LoWPAN) متعددة من خلال ما يعرف باسم التوجيه المتعدد (Multi-Homing)، ويمكن إنشاء الشبكات المخصصة دون الحاجة إلى الوصول إلى الإنترنت دون اشتراط الارتباط، ويمكن للموجهات الطرفية لشبكات (6LoWPAN) متداخلة مع حزم البيانات بشكل مشابه لشبكة عناوين (IP)، والتي تقدم بعض المزايا مقارنة بالبروتوكولات المعروفة الأخرى. عند الضرورة يتم التعامل مع جزء البيانات بشكل مشابه لشبكة عناوين (IP)، والتحكم في تدفق البيانات داخل شبكة (6LoWPAN) في بادئة (IPv6) التي أنشأها الموجه الطرفي. يسهل العقد من الموجهات الطرفية بشكل مستمر خلال مرحلة اكتشاف الشبكة. تحكم مرحلة اكتشاف الشبكة التفاعل بين المضيفين والموجهات في شبكة (6LoWPAN) المحلية. وتُمكن خاصية التوجيه المتعدد (Multi-Homing) عدة موجهات (6LoWPAN) من تشغيل الشبكة؛ على سبيل المثال، عندما يتطلب تجاوز العطل أو التجاوز عن الخطأ ومناطق مختلفة (الجيل الرابع وواي فاي). بروتوكول التشعب Thread التشعب هو بروتوكول لشبكات إنترنت الأشياء يعتمد على (IPv6 (6LoWPAN. الهدف الأساسي لهذا البروتوكول هو إتاحة أتمتة المنازل والشبكات المنزلية. ويمكن وصف التشعب بأنه عنوان (IP) يستند إلى معايير وهيكلية (IEEE 802.15.4) و (6LoWPAN)، ويتشابه التشعب مع زيجبي ونسخ 802.15.4 الأخرى، ولكنه يختلف من حيث قابليته للعنونة (IP). يعتمد هذا البروتوكول على البيانات والطبقات المادية للمعايير التقنية 802.15.4 وخصائص الأمان والتوجيه لشبكات (6LoWPAN). يُعد التشعب أيضًا على هيكلية الشبكة المتداخلة (Mesh Network) مما يجعله خيارًا عمليًا لأنظمة الإضاءة الذكية الذكية، وذلك بسعة تصل إلى 250 جهازًا لكل شبكة. يتميز بروتوكول التشعب بقابلية عنونة (IP) في الأجهزة المختلفة بما فيها المستشعرات الصغيرة للغاية وأنظمة تشغيل الأتمتة المنزلية، كما يتميز بتوفيره في استهلاك الطاقة؛ لأن البروتوكول لا يتطلب استمرار تنفيذه في طبقة الشبكة. يعني هذا أيضًا أن الموجه الطرفي الذي يستضيف الشبكة المتداخلة لا يحتاج إلى التعامل مع بروتوكولات طبقة التطبيقات، مما يحد من متطلبات الطاقة والمعالجة. ويُعد هذا البروتوكول آمنًا جدًا نظرًا لكونه متوافقًا مع (IPv6) ولكون جميع الاتصالات مشفرة باستخدام معيار التشفير المتقدم (Advanced Encryption Standard – AES). شكل 5.26: شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية وزارة التعليم Ministry of Education 2025 - 1447 188 --- VISUAL CONTEXT --- **FIGURE**: شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية Description: An image showing a hand holding a smartphone. The smartphone screen displays 'Smart HOME'. Around the phone, various smart home icons are depicted, including a light bulb, camera, lock, speaker, battery, and cloud, connected by lines, symbolizing a smart home network. The background is dark with faint circuit-like patterns. Table Structure: Headers: N/A X-axis: N/A Y-axis: N/A Data: N/A Context: Illustrates the concept of Wireless Personal Area Networks (WPANs) and smart home connectivity, relevant to the 6LoWPAN and Thread protocols discussed in the text.