تحسين الحمل الحسابي في شبكات إنترنت الأشياء القائمة على البلوكشين

من المنازل الذكية إلى الأنظمة الصناعية المترابطة، أصبحت شبكات إنترنت الأشياء أكثر انتشاراً على نحو متزايد. ومع ذلك، يجلب هذا التوسع السريع معه مجموعة من التحديات، لا سيما في إدارة الأحمال الحسابية وضمان أمان قوي. 

تناقش هذه الدليل نموذجاً مقترحاً يسعى إلى معالجة هذه التحديات، ويقدم نهجاً دقيقاً لتحسين كل من الأمان والأداء في شبكات إنترنت الأشياء القائمة على البلوك تشين. يستكشف كيف يعمل هذا النموذج، وحلوله المبتكرة للتهديدات الأمنية، واستراتيجياته للحفاظ على أداء عالٍ دون المساس بسلامة الشبكة.

ما هو إنترنت الأشياء وما هي التحديات التي يواجهها؟

يمثل شبكة إنترنت الأشياء (IoT) نظاماً ديناميكياً تتبادل فيه الأجهزة البيانات التي تم جمعها من خلال أجهزة الاستشعار المتكاملة. لا يؤدي هذا إلى تبسيط أنماط حياة المستهلكين فحسب، بل يساعد أيضاً الشركات المصنعة في صياغة استراتيجيات أعمالها. في عملية نقل البيانات هذه من أجهزة المستخدمين إلى الشركات المصنعة، تظهر عدة تحديات. ونظراً لطبيعتها كنظام حسابي في الوقت الفعلي، يجب على هذه الأجهزة معالجة البيانات بسرعة. 

ومع ذلك، تختلف سرعات الحساب للأجهزة داخل شبكة إنترنت الأشياء، مما يستلزم وتيرة حساب موحدة عبر الشبكة. يُعد جانب إدارة كميات هائلة من بيانات المستهلكين الشخصية عنصراً حاسماً في شبكة إنترنت الأشياء، مما يتطلب تدابير أمان قوية للحماية من أي خروقات للبيانات.

بينما تُعد شبكة إنترنت الأشياء مبتكرة وتحويلية، إلا أنها تواجه عقبات كبيرة في مجال الحمل الحسابي والأمان. تعيق هذه التحديات اعتمادها على نطاق واسع. إن تعامل الشبكة مع التفاصيل المعقدة لا يشكل مخاطر على خصوصية المستخدمين فحسب، بل يثير أيضاً تساؤلات حول كفاءة معالجة الأجهزة ذات القدرات الحسابية المختلفة. قد يكون نهجاً محتملاً لإدارة المهام الحسابية بشكل أكثر فعالية هو تقسيم شبكة إنترنت الأشياء إلى طبقات بناءً على القوة الحسابية. 

ومع ذلك، تواجه هذه الاستراتيجية صعوبة في الحفاظ على التوازن مع تغير الشبكة بإضافة أو إزالة الأجهزة. يشير مفهوم "الحمل الحسابي" إلى نسبة المهام الجارية إلى السعة الحسابية القصوى لكل جهاز في الشبكة. يميل هذا الحمل إلى الزيادة في المستويات الدنيا بسبب ضعف القوة الحسابية لتلك الأجهزة. لتوزيع هذا الحمل بشكل أكثر توازناً، من الضروري إدخال "عقد ثانوية" في كل مستوى. تتولى هذه العقد مهام حسابية إضافية لمنع الأجهزة الأساسية من التحميل الزائد.

أين يناسب تقنية البلوكشين؟ 

تعالج تقنية البلوكشين، المدمجة مع خوارزميات التشفير المناسبة، مخاوف الأمان في هذا النموذج الخاص بإنترنت الأشياء. تعمل على نظام دفتر أستاذ موزع وعملية مصادقة لا مركزية. كلما تم تقديم طلب للوصول إلى المعلومات من أي عقدة في الشبكة، تخضع لعملية تحقق من خلال إجماع موزع. تتطلب هذه العملية جهداً حسابياً كبيراً من الأجهزة لمصادقة كل طلب.

تكمن قوة البلوكشين في نهجها المتمحور حول الشبكة. وعلى عكس أنظمة الأمان المركزية التي تصبح أكثر عرضة للخطر مع زيادة عدد عقد الشبكة، فإن أمان البلوكشين يتعزز بإضافة المزيد من العقد. يعود هذا التحسين إلى زيادة المشاركة في الإجماع الموزع، مما يجعل الشبكة أكثر متانة وأماناً. لا يعزز هذا الطابع الموزع للبلوكشين الأمان فحسب، بل يساهم أيضاً في توزيع أكثر إنصافاً للحمل الحسابي عبر الشبكة.

تم اقتراح نماذج مختلفة لاستخدام البلوكشين لإدارة الحمل الحسابي في إنترنت الأشياء. ومع ذلك، تقترح دراسة حديثة في مجلة Procedia Computer Science آلية جديدة لشبكات إنترنت الأشياء متعددة الطبقات القائمة على البلوكشين.

في هذا النموذج، يتم فرز الأجهزة داخل شبكة إنترنت الأشياء إلى طبقات مختلفة بناءً على قدراتها الحسابية. بشكل أساسي، تنقسم الشبكة إلى فئتين رئيسيتين: طبقة المستوى-0 وطبقة المستوى-N.

طبقة المستوى-0

في القاعدة تماماً لهذا الهيكل توجد طبقة المستوى-0. تمتلك الأجهزة في هذه الطبقة أقل قوة حسابية. ونظراً لهذا القيد، فإن تنفيذ آلية أمان قوية مباشرة على هذا المستوى ليس أمراً ممكناً. للحفاظ على الأمان، يتم تقييد هذه الأجهزة من التواصل المباشر مع بعضها البعض، لأنها تفتقر إلى آلية تحقق مناسبة.

إذا احتاج جهاز في طبقة المستوى-0 إلى التفاعل مع جهاز آخر في نفس المستوى، فيجب أن يتم ذلك بشكل غير مباشر. تتضمن العملية إرسال طلب عبر عقدة تقع في الطبقة التي تعلوها. هذا الترتيب ممكن بفضل طوبولوجيا الشبكة (Mesh Topology) المستخدمة في كل طبقة من طبقات المستوى-N. الوظيفة الأساسية لأجهزة طبقة المستوى-0 هي جمع البيانات عبر مستشعراتها وإرسالها فوراً إلى عقدة متصلة في الطبقة الأعلى التالية. ثم تتولى هذه العقدة معالجة البيانات أو إعادة توجيهها إلى عقدة أخرى تطلبها.

طبقة المستوى-N

تشمل طبقة المستوى-N جميع الطبقات التي تعلو طبقة المستوى-0. في هذه الطبقات، يتم تجميع العقد بناءً على قدراتها الحاسوبية المتشابهة. كل عقدة في طبقة المستوى-N مجهزة بذاكرة تخزين مؤقت (Buffer Memory)، تحتفظ بالمهام للمعالجة لاحقاً. تصنف العقد إلى نوعين: عقد رئيسية وعقد ثانوية. تتحمل العقد الرئيسية بشكل أساسي مسؤولية معالجة المهام، بينما تدعم العقد الثانوية تلك الرئيسية. جميع العقد داخل طبقة معينة متصلة ببعضها البعض، وترتبط كل عقدة في طبقة المستوى-N بعدة عقد رئيسية في الطبقة التي تعلوها، مما يشكل علاقة من واحد إلى العديد. وتحديداً، ترتبط كل عقدة بثلاث عقد رئيسية في الطبقة العلوية المباشرة.

السمات الرئيسية للعقد في طبقة المستوى-N

مجموعة NodeID: لكل عقدة معرف فريد (ID) للتعريف ضمن شبكة إنترنت الأشياء الواسعة. يساعد هذا المعرف في تتبع جميع الأجهزة المتصلة، بما في ذلك تلك الموجودة في نفس الطبقة وتلك الموجودة في الطبقات المجاورة.

مجموعة NodeInfo: توفر هذه المجموعة ملخصاً لقدرات العقدة، بما في ذلك:

• NodeID: معرف فريد للعقدة.
• LayerID: مستوى طبقة العقدة.
• NodeType: يشير إلى ما إذا كانت العقدة أولية أم ثانوية.
• NodeState: يوضح ما إذا كانت العقدة الثانوية متاحة حالياً أم مشغولة في مساعدة العقدة الأولية.
• MaxComputeLoad: عتبة الحمل الحسابي التي تبدأ عندها العقدة في البحث عن مساعدة من العقد الثانوية.
• MinComputeLoad: مستوى الحمل الذي يمكن عنده للعقدة العمل بشكل مستقل دون مساعدة خارجية.

SecondNodeSet: هذه قائمة خاصة بالعقد الثانوية، تفصل معرفات العقد (NodeIDs) التي تساعد فيها حالياً. تكون القيمة "null" عندما لا تساعد أي عقدة ثانوية عقدة أولية، وتكون دائماً "null" للعقد الأولية.

على الرغم من الترابط داخل طبقة المستوى-N، فإن تبادل المعلومات المباشر بين العقد مقيد. يضمن هذا الاحتياط أنه حتى إذا تم اختراق عقدة، فلا يمكنها طلب المعلومات مباشرة من عقدة أخرى في نفس الطبقة. وهذا أمر بالغ الأهمية بشكل خاص في أدنى طبقة من طبقات المستوى-N، التي تتلقى معلومات حساسة وغير مشفرة من طبقة المستوى-0.

عندما تعيد عقدة توجيه طلب إلى طبقة أعلى، يتم تحديد شرعية الطلب من خلال إجماع موزع، تماشياً مع بروتوكولات البلوكشين. تُسمى العقدة التي تنشر الطلب إلى نظرائها في طبقتها بـ "العقدة المتصلة" (Calling Node). لا تشارك هذه العقدة في عملية التحقق ولكن تنسق العملية، مقبلة بالقرار الجماعي للعقد الأخرى. لا تتدخل العقدة المتصلة في عملية التحقق إلا في حالة تعادل القرارات.

تحليل الأمان: تعزيز شبكة إنترنت الأشياء

مكافحة هجمات التحليل التشفيري

يقدم النموذج منعطفاً ذكياً في سردية الأمان من خلال عشوائية اختيار العقد. هذه العشوائية هي عامل حاسم، مما يجعل من الصعب للغاية على المهاجمين العثور على الثغرات واستغلالها. بشكل خاص في الطبقات السفلى من الشبكة، حيث قد لا يكون التشفير قوياً بنفس القدر، تضيف هذه الاستراتيجية طبقة حماية إضافية. في الطبقات العليا، على الرغم من صغر حجم مجموعة العقد مما يزيد من قابلية التنبؤ، فإن طبقات التشفير المتعدفة تشكل حاجزاً قوياً ضد التحليل التشفيري.

الحماية من هجمات الشبكة

تخيل شبكة إنترنت الأشياء كمدينة صاخبة. تماماً كما تحتاج المدينة إلى دفاع قوي ضد التهديدات، فإن شبكتنا لإنترنت الأشياء تحتاج إلى ذلك أيضاً. يعتمد النموذج على آلية البلوكشين، التي تعمل كحارس يقظ دائماً، يكشف عن المخاطر ويصد هجمات مثل حجب الخدمة (Denial-of-Service) وفائض التخزين المؤقت (Buffer Overflow). إذا تصرفت عقدة بشكل مشبوه بشكل متكرر، إما أنها تخضع لعقوبة إيقاف مؤقت أو، في الحالات الأكثر خطورة، يتم طردها بشكل دائم. علاوة على ذلك، تم تصميم النظام لإعلام مشرفي الشبكة كلما شم رائحة شيء مشبوه، مما يبقي محاولات الاختراق المحتملة في مأمن.

الحفاظ على الخصوصية

في هذا العصر الرقمي، تعد الخصوصية أمراً بالغ الأهمية. يضمن النموذج أن كل قطعة بيانات، وكل معاملة، وكل سجل في كل عقدة مغلف بطبقة من تشفير البلوكشين. هذا يشبه امتلاك حارس شخصي لبياناتك، مما يضمن أن رحلة المعلومات عبر الشبكة تكون آمنة وخاصة.

تحليل الأداء: تبسيط العمليات للكفاءة

لا يتوقف النموذج عند حدود الأمان فحسب؛ بل ينظر أيضاً بجدية في الأداء. إنه يشبه ضبط سيارة عالية الأداء لضمان عملها بسلاسة دون أي عوائق.

دور العقد الثانوية: فكر في هذه العقد على أنها الأبطال الصامتون لشبكة إنترنت الأشياء. إنها موجودة لتحمل عبئاً إضافياً، مما يضمن عدم إرهاق أي عقدة واحدة. لا يحافظ هذا فقط على كفاءة عمل الشبكة، بل يحافظ أيضاً على السلامة الهيكلية لإعداد إنترنت الأشياء. ومع ذلك، يأتي هذا الكفاءة بتكلفة – الحاجة إلى بنية تحتية إضافية.

تأثير التحول الديناميكي للعقد: إليك مفهوم مثير للاهتمام – استعارة العقد من الطبقات العليا للتعامل مع الأحمال الإضافية. لكن هذا ليس خالياً من التحديات. تخيل تأثير الدومينو حيث يؤدي استعارة طبقة واحدة إلى حاجة طبقة أخرى للمساعدة الإضافية، وهكذا. قد يهز هذا التأثير المتسلسل استقرار الشبكة بأكملها.

الخلاصة

يكشف المسار عبر نموذج إنترنت الأشياء المقترح عن مشهد تكون فيه الأمان والأداء ليسا مجرد أهداف، بل ركيزتين أساسيتين. يقف هذا النموذج كشاهد على البراعة المطلوبة للتنقل في العالم المعقد لشبكات إنترنت الأشياء. من خلال تنفيذ اختيار العقد العشوائي ونهج طبقي لوظائف العقد، يوفر دفاعاً قوياً ضد مختلف التهديدات الأمنية مع الحفاظ على كفاءة الشبكة. تسلط إدخال العقد الثانوية وإمكانية التحول الديناميكي للعقد الضوء على الالتزام بالمرونة وتحسين الموارد.

بالنظر إلى مستقبل إنترنت الأشياء، يعمل هذا النموذج كمخطط لتوازن المتطلبات المزدوجة للأمان والأداء. إنه يؤكد على أهمية الابتكار المستمر في مجال يتطور باستمرار ويصبح أكثر تكاملاً مع بيئتنا الرقمية. لا تعزز الرؤى المستفادة من هذا النموذج فهمنا لشبكات إنترنت الأشياء الحالية فحسب، بل تمهد أيضاً الطريق للتقدم المستقبلي في هذا المجال المثير وديناميكي.