جودة الخدمة - Quality of Service (QoS) - كتاب إنترنت الأشياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

📚 جودة الخدمة في بروتوكول MQTT

المفاهيم الأساسية

جودة الخدمة (QoS) في MQTT: ثلاث درجات من ضمان التسليم تطبق أثناء تبادل رسائل التطبيق بين الناشرين والمشتركين.

خريطة المفاهيم

```markmap

7. الرسائل في إنترنت الأشياء

ما سيتعلمه الطالب

تطبيقات المدن الذكية

• التعرف على طبقات هيكلية المدن الذكية

- طبقة الشارع (Street)

- أجهزة ومستشعرات طبقة الشارع

- مستشعر مغناطيسي (Magnetic Sensor)

- مستشعرات الإضاءة (Lighting Controller)

- كاميرات المراقبة (Video Cameras)

- مستشعر جودة الهواء (Air Quality Sensor)

- العدادات (Counters)

- طبقة المدينة (City)

- وظيفتها: النقل المباشر بين الأجهزة الطرفية ومراكز البيانات/الإنترنت

- متطلباتها:

- نشر موجهات ومحولات شبكية بمستوى أعلى من طبقة الشارع

- تقليل البيانات عبر بروتوكولات متعددة

- المرونة لضمان وصول الحزم (خاصة للتطبيقات الحساسة للتأخر أو فقدان الحزم)

- طبقة مركز البيانات (Data Center)

- وظيفتها: معالجة وتخزين البيانات واستخراج الأنماط لدعم القرارات

- أمثلة تطبيقية:

- إعطاء تصور لحركة المرور على مستوى المدينة

- إدارة مدة ومزامنة إشارات المرور تلقائياً

- موقع التخزين: الخدمات السحابية أو مراكز بيانات البلدية/شركات خاصة

- طبقة الخدمات (Services)

- وظيفتها: تقديم الخدمات الفعلية للسلطات والمواطنين بناءً على البيانات المعالجة

- أمثلة تطبيقية:

- إعادة توجيه الحافلات لتجنب الازدحام

- تسيير المزيد من قطارات الأنفاق تلقائياً

- توقع قرارات الركاب

• تحديد أمثلة على المدن الذكية

- مثال: مشاريع المدن الذكية في المملكة العربية السعودية بحلول 2030

- تشمل: الإدارة الذكية للمرور ومواقف السيارات، أنظمة الحفاظ على البيئة، إدارة النفايات، الإسكان الذكي، أنظمة إدارة الأراضي

- الهدف: تحسين نوعية حياة المواطنين والاستدامة المالية وجودة الخدمة

#### أمثلة تطبيقية للمدن الذكية

##### الإنارة الذكية للشوارع

• الهدف: خفض تكاليف الطاقة (تمثل حتى 40% من التكلفة) وتحسين الكفاءة.
• التقنية الأساسية: الدايودات المشعة للضوء (LEDs).
• الميزات: استهلاك منخفض للطاقة، إمكانية تعديل اللون والشدة حسب الحاجة.

##### التحكم الذكي في الحركة المرورية

• المشكلة المستهدفة: الازدحام المروري (يسبب تلوثاً وفقدان إنتاجية).
• آلية العمل: جمع بيانات (عدد السكان، حركة التنقل، أعداد المركبات) عبر مستشعرات إنترنت الأشياء وإرسالها للمسؤولين.
• أحد الحلول: التحكم في مدة إشارات المرور بناءً على الكثافة المرورية الفورية.

##### البيئة المتصلة

• المشكلة المستهدفة: محدودية بيانات جودة الهواء من المحطات التقليدية (مكلفة، محدودة المدى).
• الحل: نشر محطات مراقبة ذكية (أصغر حجماً وأقل تكلفة) لتوفير بيانات موثوقة على المستوى المحلي وتتبع انتقال التلوث.

##### تنبيهات الأمان الذكية

• المكونات:

- وحدة اتصالات مخصصة للاتصالات قصيرة المدى (DSRC) على جانب الطريق.

- وحدة الاتصال على جانب الطريق (RSU): تعمل كبوابة بين المركبة والبنية التحتية، وتوفر تحذيرات أمان ومعلومات مرورية.

- وحدة التواصل داخل المركبة (OBU).

أساسيات بروتوكول MQTT

• وصف وظيفة بروتوكول MQTT

- مقدمة عن MQTT

- الهدف: بروتوكول غير معقد وموثوق وفعال لمراقبة وإدارة أعداد كبيرة من المستشعرات من خادم مركزي.

- المطورون: مهندسو IBM و Arcom (نهاية التسعينيات).

- الاستخدام الأصلي: قطاع النفط والغاز.

- الجهة الموحدة: مؤسسة OASIS.

- مقارنة مع HTTP: يستخدم على نطاق أوسع في إنترنت الأشياء لسهولة إنشاء هياكل معقدة.

- أساسيات MQTT

- المكونات الرئيسية:

- الناشر (Publisher): يرسل البيانات.

- وسيط الرسائل (Message Broker): الخادم المركزي الذي يدير الاتصالات والاشتراكات.

- المشترك (Subscriber): يستقبل البيانات.

- مبدأ العمل: الفصل بين الناشر والمشترك عبر الوسيط، مما يسمح بتأخير وتخزين المعلومات عند فشل الشبكة.

- مراحل جلسة MQTT: إنشاء الجلسة، المصادقة، تبادل البيانات، إنهاء الجلسة.

- معرف العميل: فريد لتحديد الجلسة بين العميل والخادم.

- عيوب MQTT:

- أبطأ في الإرسال من HTTP.

- يجب على المستخدم تنفيذ اكتشاف الموارد وخدمات النسخ الاحتياطي.

- قصور أمني في التشفير.

- صعوبة التوسع مع زيادة عدد الأجهزة والوسطاء.

• تصنيف جودة الخدمة (QoS) لبروتوكول MQTT

- مستوى QoS 0 (مرة واحدة على الأكثر):

- الوصف: خدمة بيانات غير مؤكدة (أفضل جهد).

- آلية العمل: يرسل الناشر مرة واحدة، لا إجابة، لا إعادة إرسال.

- الخصائص:

- لا يمكنه التعامل مع الفشل.

- لا يتكرر أبداً.

- مستوى QoS 1 (مرة واحدة على الأقل):

- الوصف: يضمن إرسال الرسائل مرة واحدة على الأقل.

- الخصائص:

- يستطيع التغلب على فقدان الاتصال.

- يمكن أن يتكرر.

- مستوى QoS 2 (مرة واحدة بالضبط):

- الوصف: أعلى مستوى، يمنع فقدان أو تكرار الرسالة (خدمة مضمونة).

- آلية العمل: يستخدم متغيراً اختيارياً لتعريف الحزمة.

- الخصائص:

- يستطيع التغلب على فقدان الاتصال.

- لا يمكن أن يتكرر.

إنشاء تطبيق عملي

• استخدام البرمجة النصية في بايثون لنشر الرسائل إلى عميل MQTT X
• إنشاء ملف بيانات JSON لتخزين التقارير
• استخدام مفكرة Jupyter لتحليل البيانات في ملف JSON

الأدوات المستخدمة

• بيئة التطوير المتكاملة للأردوينو (Arduino IDE)
• أداة JetBrains PyCharm
• بيئة محاكاة دوائر Autodesk Tinkercad Circuits
• عميل MQTT X

```

نقاط مهمة

• تقدم QoS في MQTT ثلاثة مستويات من الموثوقية: 0، 1، و2.
• المستوى 0 هو الأسرع والأقل موثوقية (أفضل جهد)، بينما المستوى 2 هو الأكثر موثوقية والأعلى تكلفة.
• يضمن المستوى 1 التسليم مرة واحدة على الأقل، مما يجعله مناسباً للاتصالات غير المستقرة.
• يمنع المستوى 2 فقدان أو تكرار الرسالة، مما يجعله مثالياً للتطبيقات الحساسة للغاية.

يوفر بروتوكول (MQTT) ثلاث درجات من جودة الخدمة لبروتوكول (QoS)، وتطبق جودة الخدمة لبروتوكول (MQTT) أثناء تبادل رسائل التطبيق مع الناشرين أو المشتركين، كما يتعلق بروتوكول التسليم بشكل أساسي بتسليم رسائل التطبيق من مرسل واحد إلى مستلم آخر. يعرض الجدول الآتي مستويات جودة الخدمة الثلاثة لبروتوكول (MQTT):

الوصف المستوى هذه خدمة بيانات غير مؤكدة، وتعرف باسم أفضل جهد أو (مرة واحدة على الأكثر). يُسلم الناشر رسالة واحدة إلى الخادم الذي ينقلها إلى كل مشترك، ولا يستقبل المستلم أي إجابة، ولا يحاول المرسل إرسال البيانات مرة أخرى، يبقى المستلم الرسالة إما مرة واحدة أو لا يتلقاها على الإطلاق. مستوى جودة الخدمة 0 (مرة واحدة على الأكثر): • لا يمكنه التعامل مع الفشل. • لا يتكرر أبداً. يضمن مستوى جودة الخدمة هذا إرسال الرسائل مرة واحدة على الأقل بين الناشر والخادم، ثم بين الخادم والمشتركين. يضمن هذا المستوى التسليم مرة واحدة على الأقل. مستوى جودة الخدمة 1 (مرة واحدة على الأقل): • يستطيع التغلب على فقدان الاتصال. • يمكن أن يتكرر. يُعد هذا أعلى مستوى لجودة الخدمة، ويستخدم في الحالات التي لا تسمح بفقدان الرسالة أو تكرارها. يستخدم مستوى جودة الخدمة هذا على تكلفة إضافية نظراً لأن كل حزمة تتضمن متغيراً اختيارياً يحتوي على تعريف الحزمة، ويوفر هذا المستوى "خدمة مضمونة" تسمى التسليم "مرة واحدة بالضبط"، ولا يُهم عدد مرات إعادة المحاولة طالما تم إرسال الرسالة مرة واحدة بدقة. مستوى جودة الخدمة 2 (مرة واحدة بالضبط): • يستطيع التغلب على فقدان الاتصال. • لا يمكن أن يتكرر.

يمكن أن تتعرض كائنات إنترنت الأشياء للمخاطر بسبب هيكليتها المركزية، حيث لا تتناسب أساليب الحماية التقليدية مع بيئة إنترنت الأشياء المتطورة. ستظهر في المملكة العربية السعودية تقنيات سلسلة الكتل (Blockchain) لإنترنت الأشياء، في المدن التقليدي لتقليل المخاطر، لتمكن سلسلة الكتل من تشغيل الأجهزة الذكية، حيث تعتمد على الهيكلية الموزعة. ستعتمد شبكة مشروع لإنترنت الأشياء لانتشار الأشياء لتنتشر بنية تحتية آمنة للشبكة ولمواطنيها.

Ministry of Education 2025 - 1447

--- SECTION: جودة الخدمة - Quality of Service (QoS) --- يوفر بروتوكول (MQTT) ثلاث درجات من جودة الخدمة لبروتوكول (QoS)، وتطبق جودة الخدمة لبروتوكول (MQTT) أثناء تبادل رسائل التطبيق مع الناشرين أو المشتركين، كما يتعلق بروتوكول التسليم بشكل أساسي بتسليم رسائل التطبيق من مرسل واحد إلى مستلم آخر. يعرض الجدول الآتي مستويات جودة الخدمة الثلاثة لبروتوكول (MQTT): --- SECTION: جدول 7.2: جودة مستويات الخدمة --- الوصف المستوى هذه خدمة بيانات غير مؤكدة، وتعرف باسم أفضل جهد أو (مرة واحدة على الأكثر). يُسلم الناشر رسالة واحدة إلى الخادم الذي ينقلها إلى كل مشترك، ولا يستقبل المستلم أي إجابة، ولا يحاول المرسل إرسال البيانات مرة أخرى، يبقى المستلم الرسالة إما مرة واحدة أو لا يتلقاها على الإطلاق. مستوى جودة الخدمة 0 (مرة واحدة على الأكثر): • لا يمكنه التعامل مع الفشل. • لا يتكرر أبداً. يضمن مستوى جودة الخدمة هذا إرسال الرسائل مرة واحدة على الأقل بين الناشر والخادم، ثم بين الخادم والمشتركين. يضمن هذا المستوى التسليم مرة واحدة على الأقل. مستوى جودة الخدمة 1 (مرة واحدة على الأقل): • يستطيع التغلب على فقدان الاتصال. • يمكن أن يتكرر. يُعد هذا أعلى مستوى لجودة الخدمة، ويستخدم في الحالات التي لا تسمح بفقدان الرسالة أو تكرارها. يستخدم مستوى جودة الخدمة هذا على تكلفة إضافية نظراً لأن كل حزمة تتضمن متغيراً اختيارياً يحتوي على تعريف الحزمة، ويوفر هذا المستوى "خدمة مضمونة" تسمى التسليم "مرة واحدة بالضبط"، ولا يُهم عدد مرات إعادة المحاولة طالما تم إرسال الرسالة مرة واحدة بدقة. مستوى جودة الخدمة 2 (مرة واحدة بالضبط): • يستطيع التغلب على فقدان الاتصال. • لا يمكن أن يتكرر. --- SECTION: مثال --- يمكن أن تتعرض كائنات إنترنت الأشياء للمخاطر بسبب هيكليتها المركزية، حيث لا تتناسب أساليب الحماية التقليدية مع بيئة إنترنت الأشياء المتطورة. ستظهر في المملكة العربية السعودية تقنيات سلسلة الكتل (Blockchain) لإنترنت الأشياء، في المدن التقليدي لتقليل المخاطر، لتمكن سلسلة الكتل من تشغيل الأجهزة الذكية، حيث تعتمد على الهيكلية الموزعة. ستعتمد شبكة مشروع لإنترنت الأشياء لانتشار الأشياء لتنتشر بنية تحتية آمنة للشبكة ولمواطنيها. --- SECTION: وزارة التعليم --- Ministry of Education 2025 - 1447 --- VISUAL CONTEXT --- **DIAGRAM**: Untitled Description: Diagram illustrating the three QoS levels of MQTT protocol. Context: Visual representation of MQTT QoS levels 0, 1, and 2, showing message delivery and error handling.