الملخص

إن النمو السريع لتطبيقات إنترنت الأشياء IoT جعل الحوسبة السحابية المركزية تواجه العديد من التحديات؛ مثل: زمن النفاذ المرتفع، والسعة المنخفضة، وإخفاق الشبكة. ولمواجهة هذه التحديات تعمل الحوسبة الضبابية على تقريب السحابة من الأجهزة المرتبطة بإنترنت الأشياء، ومن ثَم توفر معالجة البيانات وتخزينها محليًّا على الأجهزة المرتبطة بإنترنت الأشياء بدلًا من إرسالها إلى السحابة. تقدِّم الحوسبةُ الضبابية - خلافًا للحوسبة السحابية - الخدماتِ باستجابةٍ أسرع وجودة أعلى، ولذلك تعتبر الحوسبة الضبابية الخيارَ الأفضل لتقديم خدمات فعالة وآمنة للعديد من عملاء إنترنت الأشياء.

نستعرض في هذه المقالة ما توصل إليه العلم في الحوسبة الضبابية، ونسلط الضوء على الفوائد وتحديات التنفيذ، ونركز على بنية الضباب ومكاملته مع إنترنت الأشياء.

الكلمات المفتاحية: إنترنت الأشياء، سحابة الأشياء، الحوسبة الضبابية، خدمة الضباب، إنترنت الأشياء مع الحوسبة الضبابية، الحوسبة السحابية.

 المقدمة

يُعَدُّ إنترنت الأشياء أحد الابتكارات البارزة التي لديها القدرة على توفير فوائد غير محدودة لمجتمعاتنا، والعالم على وشك الوصول إلى مرحلة يكون فيها الكثير من الأشياء حولنا متصلة بالإنترنت ليتواصل بعضها مع بعض من دون تدخل بشري. وفي الأصل كان الهدف منه تقليل الجهود البشرية لإدخال البيانات واستعمال أنواع مختلفة من الأجهزة والحساسات لجمع البيانات وتخزينها ومعالجتها.

ولما كانت قدرةُ إنترنت الأشياء محدودةً في المعالجة والتخزين، فإنه يواجه العديد من القضايا والتحديات من قبيل: الأداء، والأمان، والخصوصية، والموثوقية. على أنَّ السحابة مع إنترنت الأشياء (التي تُعْرف بسحابة الأشياء CoT: Cloud of Things) هي الطريقة الصحيحة للتغلب على معظم هذه القضايا. تبسِّط سحابة الأشياء جَمْعَ بيانات الأشياء ومعالجتها، وتوفر سرعةً في التثبيت والتكامل المنخفض التكلفة لمعالجة البيانات المعقدة ونشرها.

ونظرًا إلى وجود عدد كبير من أجهزة إنترنت الأشياء ذات المنصات غير المتجانسة، فإن تطوير تطبيقات إنترنت الأشياء مهمة صعبة جدًّا، لأن هذه التطبيقات تولِّد حجمًا هائلًا من البيانات الواردة من الحساسات والأجهزة الأخرى، ويجب معالجة هذه المعطيات الكبيرة big data لاتخاذ قرارات موافقة لأحداث مختلفة. وإن إرسال هذه البيانات إلى السحابة يتطلب شبكة ذات حزمة ترددية غير محدودة المجال، وهذا غير ممكن عمليًّا. ولمواجهة كل هذه التحديات برزت في الأفق الحوسبة الضبابية لتؤدي دورها الفعال في هذا المضمار.

صاغت شركةُ Cisco مصطلحَ الحوسبة الضبابية؛ وهي (أي الحوسبة الضبابية) تقنية جديدة توفر فوائد في مجالات مختلفة، وخاصة في إنترنت الأشياء. تقدِّم الحوسبةُ الضبابية - بطريقة مشابهة للحوسبة السحابية - خدمات معالجة البيانات والتخزين محليًّا على أجهزة الضباب بدلًا من إرسالها إلى السحابة. وبذلك يكون الهدفُ من الحوسبة الضبابية في إنترنت الأشياء تحسينَ الفاعلية والأداء وتخفيضَ حجم البيانات المرسلة إلى السحابة للمعالجة والتحليل والتخزين، وهذا يخفِّف الضغط على الشبكة ويقلِّل زمن النفاذ.

إن مكاملة الحوسبة الضبابية مع إنترنت الأشياء يخلق فرصةً جديدة للخدمات (تُسمى الضباب كخدمة FaaS)، حيث يقوم مزود الخدمة ببناء مصفوفة من عُقد الضباب بواسطة بصمته الجغرافية، وكل عقدة ضباب تستضيف الحسابات وتمكِّن من تخزينها بواسطة الشبكة المحلية. وهكذا توفِّر خدمة الضباب فرصَ عملٍ لتقديم الخدمات للعملاء.

وعلى عكس السحابات التي تَشْغَلها في الغالب شركاتٌ كبيرة لديها القدرة على بناء وتشغيل مراكز البيانات الضخمة، فإن خدمة الضباب تمكِّن الشركات الكبيرة والصغيرة على حدٍّ سواء من نشر وتشغيل خدمات الحوسبة الخاصة أو العامة والتخزين والتحكم، وذلك على نطاقات مختلفة لتلبية احتياجات العملاء المتنوعة.

تعريف الحوسبة الضبابية

الحوسبةُ الضبابية نموذجٌ ذو قدرات محددة كالحساب والتخزين وخدمات الشبكة بطريقة موزعة بين التجهيزات الطرفية وسحابة الحوسبة المركزية التقليدية، وتوفر حلًّا مناسبًا لتطبيقات إنترنت الأشياء الحساسة لزمن النفاذ. ومع أن هذا المصطلح من وضعِ شركة Cisco، فإن العديد من الباحثين والمنظمات قدَّموا تعريفاتٍ لها من وجهات نظر مختلفة؛ فعلى سبيل المثال قدم Shanhe Yi وآخرون التعريف العامَّ الآتي: "الحوسبةُ الضبابية بنيةُ حوسبةٍ موزَّعة جغرافيًّا لها موارد تتألف من تجهيزات غير متجانسة (ومنها التجهيزات الطرفية) مرتبطة بعضها ببعض على حافة الشبكة المرتبطة بالسحابة بطرائق مختلفة تتعاون فيما بينها لتقديم الحوسبة والتخزين والاتصال المرن (وغيرها من المهام والخدمات المختلفة) في بيئة منعزلة لنطاق واسع من العملاء". وقدمت جمعية الضباب المفتوح OpenFog Consortium كذلك التعريف الآتي: "الحوسبةُ الضبابية بنيةٌ أفقية لنظام ذي مستويات لها موارد موزَّعة وتقدم خدمات الحوسبة والتخزين والتحكم عن طريق الشبكة في أي مكان على طول السلسلة الممتدة من الأشياء إلى السحابة".

خصائص الحوسبة الضبابية

تُعَدُّ الحوسبة الضبابية - في الأساس - امتدادًا أو توسعة للسحابة، لكنها أقرب إلى الأشياء التي تعمل على إنترنت الأشياء. وكما يوضح الشكل 1 تعمل الحوسبة الضبابية وسيطًا بين السحابة والتجهيزات الطرفية، وتسمى هذه التجهيزات عُقد الضباب، ويمكن نشرها في أي مكان متصل بالشبكة. وأيُّ جهازٍ قادرٍ على الحوسبة والتخزين والاتصال بالشبكة يمكن أن يكون عقدة ضباب؛ مثل: وحدات التحكم الصناعية، والمبدلات، والمسيرات، والمخدمات المدمجة.

الشكل 1: الحوسبة الضبابية هي توسعة للسحابة ولكنها أقرب إلى الأجهزة الطرفية

 

واستنادًا إلى Shanhe Yi وآخرين، وYuan Ai وآخرين يمكننا تلخيص خصائص حوسبة الضباب فيما يلي:

معرفة الموقع، وزمن تلبُّث قصير	تدعم الحوسبة الضبابية معرفة الموقع؛ حيث يمكن نشر عقد الضباب في أماكن متنوعة. ولما كان الضباب قريبًا من التجهيزات الطرفية، فإن التلبُّث لا يستغرق سوى وقت قصير عند معالجة البيانات.
التوزع الجغرافي	على عكس السحابة المركزية، فإن الخدمات والتطبيقات التي توفرها الحوسبة الضبابية موزعة، ويمكن نشرها في أي مكان.
قابلية التوسع	تملك الحوسبة الضبابية عددًا هائلًا من شبكات الحساسات الواسعة النطاق لمراقبة البيئة المحيطة، ويوفر الضباب موارد الحوسبة والتخزين التي تعمل معها الأجهزة الطرفية الكثيرة العدد.
دعم التنقل	أحد التطبيقات المهمة للحوسبة الضبابية هو القدرة على الاتصال المباشر بالأجهزة المحمولة، ومن ثَم دعم إجرائيات مثل بروتوكول  LISP )Localator/Identifier Separation Protocol ( الذي يحتاج إلى نظام دليل موزع.
التفاعل بالزمن الحقيقي	توفر تطبيقات الحوسبة الضبابية التفاعل بالزمن الحقيقي بين عقد الضباب بدلًا من المعالجة الدفعية المطبقة في السحابة.
عدم التجانس	عقد الضباب والتجهيزات الطرفية مصنَّعة من جهات مختلفة؛ فهي ذات أنواع مختلفة، وتحتاج إلى نشر وفقًا لمنصاتها. والحوسبة الضبابية قادرة على العمل على منصات مختلفة.
إمكان التشغيل البيني	يمكن أن تتفاعل مكونات الحوسبة الضبابية وتعمل في مجالات مختلفة، وعن طريق مزوِّدات خدمة مختلفة.
دعم التحليلات في الإنترنت والتفاعل مع السحابة	وُضعت الحوسبة الضبابية بين السحابة والأجهزة الطرفية لتؤدي دورًا مهمًّا في تلقي ومعالجة بيانات الأجهزة القريبة منها.
نفقات تشغيل أقل	التوفير في الحزمة الترددية للشبكة عن طريق معالجة البيانات المجمعة محليًّا بدلًا من إرسالها إلى السحابة لمعالجتها.

الجدول 1: خصائص وميزات الحوسبة الضبابية

بنية الحوسبة الضبابية

إن الحوسبة الضبابية هي مفهوم ينقل بعض عمليات معالجة البيانات المركزية إلى حافة الشبكة، وتوفر إمكانات للحوسبة والتخزين وخدمات الشبكة بشكل موزَّع بين الأجهزة الطرفية والسحابة المركزية. والهدف الأساسي منها توفير متطلبات الزمن الحقيقي لبعض تطبيقات إنترنت الأشياء. واستنادًا إلى Mukherjee وآخرين، وAazam and Huh، وMuntjir وآخرين، فإن بنية الحوسبة الضبابية تتألف من ستِّ طبقات موضحة في الشكل 2.

تتضمن الطبقة الفيزيائية العديد من عقد الحساسات الموزعة جغرافيًّا لتحسُّس المحيط، وتقوم بإدارة هذه الحساسات وفقًا لنوعها ونوع طلبات الخدمة، وتقوم بإرسال البيانات المجمعة إلى الطبقة الأعلى لمزيد من المعالجة.

تقوم طبقة المراقبة بمتابعة استعمال الموارد والحساسات وعقد الضباب وعناصر الشبكة، ومراقبة جميع المهام التي تقوم بها عقد الضباب (أي من العقد التي تقوم بمهمة معينة، وبأي وقت، وما سيطلب منها لاحقًا)، وكذلك مراقبة أداء وحالة جميع التطبيقات والخدمات. إضافة إلى مراقبة استهلاك عقد الضباب من الطاقة للقيام بإدارة الطاقة آنيًّا وبطريقة فعالة.

تقوم طبقة ما قبل المعالجة بمهمة إدارة البيانات المجمَّعة، حيث يجري تحليلها وترشيحها لاستخلاص المعلومات ذات المعنى أو المفيدة لتقوم بتخزينها في طبقة التخزين المؤقت، وعندما يتم ترحيلها إلى السحابة يمكن حذفها.

الشكل 2: بنية طبقات الحوسبة الضبابية

 

وفي طبقة الأمن تجري عمليات التعمية وفك التعمية وحماية هذه البيانات.

أخيرًا، في طبقة النقل ترحَّل البيانات المجمَّعة والمحمية إلى السحابة لتستخلص منها الخدمة المفيدة. وتجدر الإشارة إلى أن جزءًا فقط من البيانات المجمعة ترسَل إلى السحابة، وذلك لأن البوابة التي تربط إنترنت الأشياء بالسحابة تقوم بمعالجة إضافية لهذه البيانات قبل إرسالها إلى السحابة (تسمَّى البوابة الذكية).

ولما كانت الحوسبة الضبابية لا تملك سوى موارد محددة، وَجَبَ استعمال بروتوكول اتصال فعال ومخصص، وأن يكون اختيار البروتوكول وفقًا لسيناريو التطبيق المطلوب.

 الحوسبة الضبابية وإنترنت الأشياء

•  السحابة مقابل الضباب

تواجه الحوسبةُ السحابية المركزية الحالية العديدَ من التحديات المتعلقة بتطبيقات إنترنت الأشياء؛ فلا يمكنها مثلًا دعم تطبيقات إنترنت الأشياء الحساسة للزمن، في حين أن بإمكان الحوسبة الضبابية حل هذه القضايا. يبين الجدول 2 مقارنة بين الحوسبة السحابية والحوسبة الضبابية.

المعامل	الحوسبة السحابية	الحوسبة الضبابية
التأخير الزمني	مرتفع	منخفض
المتطلبات العتادية	إمكانات حساب وتخزين غير محدودة	إمكانات حساب وتخزين محدودة
موقع عقد المخدم	ضمن الإنترنت	على حافة الشبكة المحلية
المسافة بين الزبون والمخدم	عدة قفزات	قفزة واحدة
بيئة العمل	أبنية مغلقة مع أنظمة تكييف	أماكن مغلقة أو مفتوحة
الانتشار	مركزي	موزَّع
الموقع	غير معروف	معروف

الجدول 2: مقارنة بين الحوسبة السحابية والحوسبة الضبابية

•  تكامل الضباب مع إنترنت الأشياء

ينتج عن مكاملة الحوسبة الضبابية مع إنترنت الأشياء فوائد عديدة لتطبيقات إنترنت الأشياء؛ فالحوسبة الضبابية تدعم التفاعل بالزمن الحقيقي بين الأجهزة المرتبطة بإنترنت الأشياء، إضافة إلى أنها قادرة على دعم شبكات تحتوي على عددٍ هائلٍ من الحساسات، إذ من المتوقع أن يصل عدد التجهيزات المرتبطة بإنترنت الأشياء إلى البلايين.

 

الشكل 3: الحوسبة الضبابية تدعم العديد من تطبيقات إنترنت الأشياء لتقديم أفضل خدمة للعملاء

• تحديات الحوسبة الضبابية

على الرغم من أن الحوسبة الضبابية تقدم العديد من الفوائد لمختلف تطبيقات إنترنت الأشياء، فإنها تواجه العديد من التحديات التي تقف في طريق نجاح انتشارها. يبين الشكل 4 هذه التحديات.

 

الشكل 4: ملخص تحديات الحوسبة الضبابية

 

يشير M. Chiang و T. Zhang إلى أن بإمكان الحوسبة الضبابية التغلُّب على العديد من التحديات التي يواجها إنترنت الأشياء كما يوضح الجدول 3.

التحدي	كيف تستطيع الحوسبة الضبابية مواجهة التحدي؟
اعتبارات الزمن	تقوم الحوسبة الضبابية بجميع عمليات الحساب وإدارة وتحليل البيانات ومتابعة الأحداث الحساسة للزمن بالقرب من الزبون. وهذا هو الحل المثالي لتحقيق اعتبارات الزمن الحقيقي لبعض تطبيقات إنترنت الأشياء.
اعتبارات عرض الحزمة اللازمة للشبكة	تعتمد الحوسبة الضبابية على معالجة البيانات هرميًّا بين السحابة وتجهيزات إنترنت الأشياء. وهذا يتيح انتقال البيانات المعالَجة تبعًا لمتطلبات التطبيق وإمكانات الشبكة وموارد الحوسبة. ومن شأن ذلك تقليل حجم البيانات اللازم رفعها إلى السحابة، ومن ثَم المحافظة على عرض الحزمة المحدد.
اعتبارات موارد التجهيزات	تقوم الحوسبة الضبابية بالعمليات التي تحتاج إلى موارد هائلة بالنيابة عن موارد التجهيزات المرتبطة بإنترنت الأشياء. وهذا يقلِّل من تعقيد التجهيزات ومن تكاليف دورة الحياة واستهلاك الطاقة.
عدم انقطاع الخدمات	تعمل الحوسبة الضبابية بشكل مستقل لتضمن استمرار الخدمات حتى في حال كان اتصالها بالسحابة مقطوعًا.
الأمان	لا تملك موارد التجهيزات المرتبطة بإنترنت الأشياء سوى إمكانات أمان محدودة، لذلك فإن الحوسبة الضبابية تعمل كوكيل لهذه التجهيزات لتحديث برمجياتها ومنح شهادات الأمان، ويمكن أن تعمل كمراقب لحالة أمان التجهيزات القريبة.

الجدول 3: الحلول التي توفرها الحوسبة الضبابية للتغلُّب على تحديات إنترنت الأشياء

• بعض إسهامات الباحثين في الحوسبة الضبابية

على الرغم من أن الحوسبة الضبابية ماتزال موضوعَ بحثٍ علمي حديث، فثمة نقصٌ في الحلول المتينة التي تدعم هذه التقنية. نعرض في الجدول 4 ملخصًا لبعض إسهامات الباحثين في هذا المجال.

الباحث	العام	الإسهام
F. Bonomi et al	2012	اقترح حوسبة ضبابية تدعم إنترنت الأشياء ذات الموارد المحدودة.
Hong et al	2013	اقترح الضباب المحمول الذي يتيح لتطبيقات إنترنت الأشياء جَمْعَ البيانات ومعالجتها محليًّا ودعم التحميل المتوازن.
Stojmenovic and Wen	2014	اقترح حلًّا لمشكلات الأمان والخصوصية للحوسبة الضبابية بمثال عن هجوم الشخص الثالث.
K. Saharan and A. Kumar	2015	قدَّم شرحًا موجزًا للحوسبة الضبابية باعتبارها امتدادًا للحوسبة السحابية.
Dastjerdi et al	2016	قدَّم بنيانًا مرجعيًّا للحوسبة الضبابية تخدم متطلبات إنترنت الأشياء محليًّا بدلًا من إشراك السحابة.
A. Yousefpour et al	2017	اقترح إطار عمل لفهم وتقييم ونمذجة تأخير الخدمة في سيناريوهات التطبيق في كلٍّ من: إنترنت الأشياء، والضباب، والسحابة.
Mahmud et al	2018	قدم تصنيفًا للحوسبة الضبابية وفقًا لتحديات وخصاص هذه الحوسبة.

الجدول 4: ملخص لبعض الأبحاث المتعلقة بمكاملة الحوسبة الضبابية مع إنترنت الأشياء

المراجع

1. Yi, S.; Li, C.; Li, Q. A Survey of Fog Computing. In Proceedings of the 2015 Workshop on Mobile Big Data-Mobidata ’15, Hangzhou, China, 21 June 2015; pp. 37–42.
2. Ai, Y.; Peng, M.; Zhang, K. Edge cloud computing technologies for internet of things: A primer. Digit. Commun. Netw. 2017.
3. Mukherjee, M.; Shu, L.; Wang, D. Survey of Fog Computing: Fundamental, Network Applications, and Research Challenges. IEEE Commun. Surv. Tutor. 2018.
4. Aazam, M.; Huh, E.N. Fog computing and smart gateway-based communication for cloud of things. In Proceedings of the 2014 International Conference on Future Internet of Things Cloud, FiCloud 2014, Barcelona, Spain, 27–29 August 2014; pp. 464–470.
5. Aazam, M.; Huh, E.N. Fog computing micro datacenter based dynamic resource estimation and pricing model for IoT. Proc. Int. Conf. Adv. Inf. Netw. Appl. AINA 2015, 2015, 687–694.
6. Muntjir, M.; Rahul, M.; Alhumyani, H.A. An Analysis of Internet of Things (IoT): Novel Architectures, Modern Applications, Security Aspects and Future Scope with Latest Case Studies. Int. J. Eng. Res. Technol. 2017, 6, 422–447.
7. Chiang, M.; Zhang, T. Fog and IoT: An Overview of Research Opportunities. IEEE Internet Things J. 2016, 3, 854–864.