من المنازل الذكية إلى الأنظمة الصناعية المترابطة، أصبحت شبكات إنترنت الأشياء منتشرة في كل مكان بشكل متزايد. ومع ذلك، مع هذا التوسع السريع تأتي مجموعة من التحديات، خاصة في إدارة الأحمال الحسابية وضمان الأمان القوي.
يناقش هذا الدليل نموذجًا مقترحًا يسعى إلى معالجة هذه التحديات، ويقدم نهجًا دقيقًا لتحسين الأمان والأداء في شبكات إنترنت الأشياء القائمة على تقنية blockchain. ويستكشف كيفية عمل هذا النموذج، وحلوله المبتكرة للتهديدات الأمنية، واستراتيجياته للحفاظ على الأداء العالي دون المساس بسلامة الشبكة.
ما هو إنترنت الأشياء وما هي التحديات التي تواجهه؟
تمثل شبكة إنترنت الأشياء (IoT) نظامًا ديناميكيًا حيث تتبادل الأجهزة البيانات المجمعة من خلال أجهزة استشعار مدمجة. ولا يؤدي ذلك إلى تبسيط أنماط حياة المستهلكين فحسب، بل يساعد أيضًا الشركات المصنعة في تشكيل استراتيجيات أعمالهم. في عملية نقل البيانات من أجهزة المستخدم إلى الشركات المصنعة، تظهر العديد من التحديات. ونظرًا لطبيعتها كنظام حسابي في الوقت الفعلي، يجب على هذه الأجهزة معالجة البيانات بسرعة.
ومع ذلك، تختلف السرعات الحسابية للأجهزة داخل شبكة إنترنت الأشياء، مما يستلزم وتيرة حسابية موحدة عبر الشبكة. أحد الجوانب المهمة لشبكة إنترنت الأشياء هو إدارة كميات هائلة من بيانات المستهلك الشخصية، الأمر الذي يتطلب تدابير أمنية قوية للحماية من أي اختراق للبيانات.
على الرغم من أن شبكة إنترنت الأشياء مبتكرة وتحويلية، إلا أنها تواجه عقبات كبيرة في الحمل الحسابي والأمن. هذه التحديات تعيق اعتمادها على نطاق واسع. إن معالجة الشبكة للتفاصيل المعقدة لا تشكل مخاطر على خصوصية المستخدم فحسب، بل تثير أيضًا تساؤلات حول كفاءة معالجة الأجهزة ذات نقاط القوة الحسابية المختلفة. يتمثل أحد الأساليب المحتملة لإدارة المهام الحسابية بشكل أكثر فعالية في تقسيم شبكة إنترنت الأشياء إلى طبقات تعتمد على القوة الحسابية.
ومع ذلك، فإن هذه الإستراتيجية تواجه صعوبة في الحفاظ على التوازن مع تغير الشبكة مع إضافة الأجهزة أو إزالتها. ويشير مفهوم "الحمل الحسابي" إلى نسبة المهام الجارية إلى السعة الحسابية القصوى لكل جهاز في الشبكة. ويميل هذا الحمل إلى الزيادة عند المستويات الأدنى بسبب انخفاض القوة الحسابية لتلك الأجهزة. لتوزيع هذا الحمل بالتساوي، من الضروري إدخال "العقد الثانوية" في كل مستوى. تتولى هذه العقد مهام حسابية إضافية لمنع الأجهزة الأساسية من التحميل الزائد.
أين تتلاءم تقنية blockchain؟
تعالج تقنية Blockchain، المدمجة مع خوارزميات التشفير المناسبة، المخاوف الأمنية في نموذج إنترنت الأشياء هذا. وهي تعمل على نظام دفتر الأستاذ الموزع وعملية المصادقة اللامركزية. عندما يتم تقديم طلب للوصول إلى المعلومات من أي عقدة في الشبكة، فإنه يخضع للتحقق من الصحة من خلال إجماع موزع. تتطلب هذه العملية جهدًا حسابيًا كبيرًا من الأجهزة لمصادقة كل طلب.
تكمن قوة blockchain في نهجها المرتكز على الشبكة. على عكس أنظمة الأمان المركزية التي تصبح أكثر عرضة للخطر مع زيادة عدد عقد الشبكة، يتم تعزيز أمان blockchain بإضافة المزيد من العقد. ويرجع هذا التحسين إلى زيادة المشاركة في الإجماع الموزع، مما يجعل الشبكة أكثر قوة وأمانًا. هذه الطبيعة الموزعة لـ blockchain لا تعمل على تعزيز الأمان فحسب، بل تساهم أيضًا في توزيع أكثر إنصافًا للحمل الحسابي عبر الشبكة.
تم اقتراح نماذج مختلفة لاستخدام blockchain لإدارة الحمل الحسابي في إنترنت الأشياء. ومع ذلك، تقترح دراسة حديثة في Procedia Computer Science آلية جديدة لشبكات إنترنت الأشياء متعددة الطبقات القائمة على blockchain.
في هذا النموذج، يتم فرز الأجهزة الموجودة 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 قاعدة هذا الهيكل توجد طبقة المستوى 0. تتمتع الأجهزة الموجودة في هذه الطبقة بأقل قدر من القوة الحسابية. ونظرًا لهذا القيد، فإن تنفيذ آلية أمنية قوية مباشرة على هذا المستوى ليس ممكنًا. للحفاظ على الأمان، يتم منع هذه الأجهزة من الاتصال المباشر مع بعضها البعض، لأنها تفتقر إلى آلية التحقق المناسبة.
إذا كان أحد الأجهزة الموجودة في طبقة المستوى 0 يحتاج إلى التفاعل مع جهاز آخر على نفس المستوى، فيجب أن يفعل ذلك بشكل غير مباشر. تتضمن العملية إرسال طلب عبر عقدة موجودة في الطبقة فوقها. هذا الترتيب ممكن بفضل طوبولوجيا الشبكة المستخدمة في كل طبقة من طبقات المستوى N. تتمثل الوظيفة الأساسية للأجهزة في طبقة المستوى 0 في جمع البيانات من خلال أجهزة الاستشعار الخاصة بها وإعادة توجيه هذه البيانات على الفور إلى عقدة متصلة في الطبقة الأعلى التالية. تقوم هذه العقدة بعد ذلك بمعالجة البيانات أو نقلها إلى عقدة أخرى تطلبها.
طبقة المستوى N
تشمل طبقة Level-N جميع الطبقات الموجودة فوق طبقة Level-0. في هذه الطبقات، يتم تجميع العقد بناءً على قدراتها الحسابية المماثلة. تم تجهيز كل عقدة في طبقة Level-N بذاكرة عازلة، والتي تحتفظ بالمهام للمعالجة لاحقًا. يتم تصنيف العقد إلى نوعين: العقد الأولية والعقد الثانوية. العقد الأساسية هي المسؤولة بشكل رئيسي عن معالجة المهام، في حين أن العقد الثانوية تدعم المهام الأساسية. جميع العقد داخل طبقة معينة مترابطة، وتتصل كل عقدة في طبقة المستوى N بعقد أساسية متعددة في الطبقة أعلاه، مما يشكل علاقة رأس بأطراف. على وجه التحديد، ترتبط كل عقدة بثلاث عقد أساسية في الطبقة العليا المباشرة لها.
السمات الرئيسية للعقد في طبقة المستوى N
مجموعة NodeID: تحتوي كل عقدة على معرف فريد dent داخل شبكة إنترنت الأشياء الموسعة. يساعد هذا المعرف في تتبع trac الأجهزة المتصلة، بما في ذلك الأجهزة الموجودة في نفس الطبقة وتلك الموجودة في الطبقات المجاورة.
مجموعة NodeInfo: توفر هذه المجموعة ملخصًا لإمكانيات العقدة، بما في ذلك:
- NodeID: dent فريد للعقدة.
- LayerID: مستوى طبقة العقدة.
- NodeType: يشير إلى ما إذا كانت العقدة أساسية أم ثانوية.
- NodeState: يوضح ما إذا كانت العقدة الثانوية متاحة حاليًا أو تشارك في مساعدة العقدة الأساسية.
- MaxComputeLoad: حد التحميل الحسابي الذي تطلب فيه العقدة المساعدة من العقد الثانوية.
- MinComputeLoad: مستوى التحميل الذي يمكن للعقدة أن تعمل فيه بشكل مستقل dent مساعدة خارجية.
SecondNodeSet: هذه قائمة خاصة بالعقد الثانوية، توضح بالتفصيل معرفات العقد التي تساعدها حاليًا. يتم تعيينها على "خالية" عندما لا تساعد العقدة الثانوية أي عقدة أساسية، ويتم تعيينها دائمًا على "خالية" للعقد الأساسية.
على الرغم من الترابط داخل طبقة المستوى N، فإن تبادل المعلومات المباشر بين العقد مقيد. يضمن هذا الاحتياط أنه حتى لو تم اختراق العقدة، فلا يمكنها طلب المعلومات مباشرة من عقدة أخرى في نفس الطبقة. وهذا أمر بالغ الأهمية بشكل خاص في الطبقة الأدنى من المستوى N، والتي تتلقى معلومات حساسة وغير مشفرة من طبقة المستوى 0.
عندما تقوم العقدة بإعادة توجيه طلب إلى طبقة أعلى، يتم تحديد شرعية الطلب من خلال إجماع موزع، بما يتماشى مع بروتوكولات blockchain. تسمى العقدة التي تنشر الطلب إلى أقرانها في الطبقة "عقدة الاتصال". لا تشارك هذه العقدة في التحقق من الصحة ولكنها تنسق العملية وتقبل القرار الجماعي للعقد الأخرى. تتدخل عقدة الاستدعاء فقط في عملية التحقق من الصحة في حالة وجود تعادل في القرارات.
التحليل الأمني: تحصين شبكة إنترنت الأشياء
مكافحة هجمات تحليل الشفرات
يقدم النموذج تطورًا ذكيًا في السرد الأمني من خلال التوزيع العشوائي لكيفية اختيار العقد. تُغير هذه العشوائية قواعد اللعبة، مما يجعل من الصعب للغاية على المهاجمين العثور على نقاط الضعف واستغلالها. تضيف هذه الإستراتيجية طبقة إضافية من الحماية، خاصة في الطبقات السفلية من الشبكة، حيث قد لا يكون التشفير بنفسtron. في الطبقات العليا، على الرغم من وجود مجموعة أصغر من العقد مما يزيد من القدرة على التنبؤ، فإن طبقات التشفير المتعددة تخلق حاجزًا هائلاً ضد تحليل التشفير.
الحماية ضد هجمات الشبكة
تصور شبكة إنترنت الأشياء كمدينة مزدحمة. مثلما تحتاج المدينة إلى دفاع قوي ضد التهديدات، كذلك تحتاج شبكة إنترنت الأشياء لدينا. يستخدم النموذج آلية blockchain، التي تعمل كحارس يقظ دائمًا، حيث تكتشف وتحبط المخاطر مثل هجمات رفض الخدمة وهجمات Buffer Overflow. إذا تصرفت العقدة بشكل متكرر بشكل مريب، فسيتم إما إيقافها مؤقتًا، أو في الحالات الأكثر خطورة، إظهار الخروج بشكل دائم. علاوة على ذلك، تم تصميم النظام لتنبيه مشرفي الشبكة عندما تشم رائحة شيء مريب، مما يمنع الانتهاكات المحتملة.
الحفاظ على الخصوصية
في هذا العصر الرقمي، الخصوصية لها أهمية قصوى. يضمن النموذج أن كل جزء من البيانات، وكل معاملة، وكل سجل في كل عقدة يتم تغليفه بطبقة من تشفير blockchain. وهذا يشبه وجود حارس شخصي لبياناتك، مما يضمن أن تكون رحلة المعلومات عبر الشبكة آمنة وخاصة.
تحليل الأداء: التبسيط من أجل الكفاءة
لا يتوقف النموذج عند الأمان فحسب؛ كما أنه يأخذ نظرة فاحصة على الأداء. إنه مثل ضبط سيارة عالية الأداء للتأكد من أنها تعمل بسلاسة دون أي عوائق.
دور العقد الثانوية: فكر في هذه العقد باعتبارها الأبطال المجهولين لشبكة إنترنت الأشياء. إنهم موجودون لتولي عمل إضافي، مما يضمن عدم إرهاق أي عقدة واحدة. وهذا لا يحافظ على استمرار عمل الشبكة بكفاءة فحسب، بل يحافظ أيضًا على السلامة الهيكلية لإعداد إنترنت الأشياء. ومع ذلك، فإن هذه الكفاءة تأتي بتكلفة – الحاجة إلى بنية تحتية إضافية.
تموج التحول الديناميكي للعقدة: Ripple مفهوم مثير للاهتمام - استعارة العقد من الطبقات العليا للتعامل مع الحمل الإضافي. لكن هذا لا يخلو من التحديات. تخيل تأثير الدومينو حيث يؤدي استعارة طبقة واحدة إلى احتياج طبقة أخرى إلى مساعدة إضافية، وهكذا. من المحتمل أن يؤدي هذا التأثير المتتالي إلى زعزعة استقرار الشبكة بأكملها.
الخاتمة
تكشف الرحلة عبر نموذج إنترنت الأشياء المقترح عن مشهد لا يمثل فيه الأمان والأداء مجرد أهداف بل ركائز أساسية. ويمثل هذا النموذج شهادة على البراعة المطلوبة للتنقل في عالم شبكات إنترنت الأشياء المعقد. من خلال تنفيذ اختيار عشوائي للعقدة واتباع نهج متعدد الطبقات لوظائف العقدة، فإنه يوفر دفاعًا قويًا ضد التهديدات الأمنية المختلفة مع الحفاظ على كفاءة الشبكة. إن إدخال العقد الثانوية وإمكانية التحول الديناميكي للعقدة يسلط الضوء على الالتزام بالقدرة على التكيف وتحسين الموارد.
وبالنظر إلى مستقبل إنترنت الأشياء، يعد هذا النموذج بمثابة مخطط لتحقيق التوازن بين المتطلبات المزدوجة للأمان والأداء. إنه يؤكد على أهمية الابتكار المستمر في مجال دائم التطور ويتكامل بشكل متزايد مع نظامنا البيئي الرقمي. إن الأفكار المكتسبة من هذا النموذج لا تعزز فهمنا لشبكات إنترنت الأشياء الحالية فحسب، بل تمهد الطريق أيضًا للتقدم المستقبلي في هذا المجال المثير والديناميكي.
