الشبكات الذكية: مركز البيانات أم البوابة؟
منذ إنشاء شبكات الاتصالات، كان من الضروري الاختيار بين الحلول المركزية واللامركزية. ومع ذلك، لا يوجد حلان فقط – فمن الممكن أيضاً اختيار مستويات مختلفة من اللامركزية. يعتمد مستوى اللامركزية المناسب على عدد من المعايير. تشمل المعلمات الرئيسية الاتصال بين عناصر الشبكة المختلفة وقدرتها الحاسوبية.
الأجهزة وطوبولوجيا الشبكات الذكية
العنصر الأساسي لأي شبكة ذكية هو العداد الذكي. ويسمى العداد “ذكيًا” إذا كان يحتوي على واجهة اتصال تسمح بدمج العداد في الشبكة الذكية. واجهات الاتصال الأكثر شيوعًا هي: PLC (اتصال خط الطاقة)، وW-MBus، وZigBee، وZigBee، و 6LoWPAN، وGPRS، إلخ.
إذا تركنا جانباً نظام GPRS، الذي لا يتطلب بوابة أو مركزاً، يمكن القول إن أنواع الاتصالات المتبقية منخفضة التكلفة من حيث بناء شبكة الاتصالات، ولكنها تتميز بانخفاض موثوقية الاتصال وانخفاض إنتاجية البيانات نسبياً.
نظرًا لمسافة الاتصال القصيرة نسبيًا لمعظم الشبكات المستخدمة في اتصالات العدادات الذكية، فمن الضروري ضمان اتصال الشبكة بالشبكات الأخرى مثل الإنترنت.
يمكن توفير هذه الوظيفة عن طريق بوابة أو مركز بيانات، والتي يمكن أن تكون موجودة في محول أو مناطق مشتركة في المبنى أو في موقع آخر. تتواصل هذه الأجهزة مع الخادم الرئيسي، غالباً عبر شبكات الهاتف المحمول. يظهر مثال على طوبولوجيا الشبكة الذكية بما في ذلك الاتصال بالخادم الرئيسي في الشكل 1.
البوابة
أهم وظيفة للبوابة هي نقل الرسائل من شبكة إلى أخرى. علاوة على ذلك، يمكن للبوابة أن تدير طوبولوجيا الشبكات الفرعية أو يمكن أن تدمج وظيفة الموجه.
من الضروري ملاحظة أن العدادات في معظم الحالات لا تدعم البروتوكولات المستخدمة في شبكات الكمبيوتر التي تعتمد في الغالب على خدمات الويب. وحتى عندما تكون الأجهزة متوافقة مع بروتوكول بروتوكول الإنترنت، فإنها تستخدم في طبقة التطبيق بروتوكولات متخصصة للشبكات الذكية مثل DLMS وW MBus وغيرها.
ونظراً لهذه الحقائق، لا تزال هناك حاجة إلى وظائف من مركز البيانات، ولكن من الممكن تنفيذها على جانب الخادم حيث يمكن استخدام لغات برمجة عالية المستوى ومن الأسهل صيانة البرنامج.
بوابة مع/بدون قائمة انتظار
تتأثر جودة الاتصال بدعم قائمة انتظار الرسائل في البوابة. فإذا كانت البوابة لا تدعم قائمة الانتظار، يمكن تنفيذ البوابة بسهولة شديدة مع انخفاض الطلب على الطاقة الحاسوبية ولكن مع احتمال حدوث عواقب سيئة على الإنتاجية ومعدلات الخطأ والكمون في الاتصال.
إذا كانت البوابة تدعم قائمة الانتظار، فيجب أن تدعم أيضًا جودة الخدمة ( QoS )، والتي تسمح بتحديد أولويات الرسائل باستخدام برنامج جدولة. ومن الأمثلة الجيدة على برنامج الجدولة هذا هو LLQ (قائمة الانتظار منخفضة التأخير) المستخدم في موجهات الإيثرنت. ومع ذلك، فإن تنفيذ قائمة الانتظار إلى جانب دعم جودة الخدمة يتطلب الكثير من العمليات الحسابية.
يمكن رؤية طريقة لحساب معلمات الاتصال للبوابة بدون قائمة انتظار ومع قائمة انتظار إذا كانت الشبكة الثانية من نوع سيد-عبد (طلب-إجابة) في الجدول 1. في المتغير بدون قائمة انتظار، يكون معدل الباود [معدل نقل المعلومات في قناة الاتصال] دائمًا أقل من معدل الباود في كلتا الشبكتين.
| بوابة بدون طابور الانتظار | البوابة مع قائمة الانتظار/المركز | |
| معدل التردد بالباود (R) | ص = (ص1 ص2 ) / (ص1 + ص2 ) | R = الحد الأدنى (R1، R2 ) |
| الكمون | زمن الاستجابة = زمن الاستجابة1 + زمن الاستجابة2 | الكمون = الكمون2 |
| نسبة الخطأ (PER) | لكل = 1 – (1 – لكل 1 ) (1 – لكل 2 ) | PER = ( R – min( R1(1-PER1 )، R2(1-PER2 ))) / R |
| الإنتاجية | L R / ( L + R كمون ) ( 1 – PER ) |
يحدث انخفاض نسبي كبير بالمقارنة مع الحد الأدنى لمعدل الباود إذا كانت هذه السرعات متشابهة. الكمون هو مجموع فترات الكمون في كلتا الشبكتين، وتكون نسبة الخطأ دائماً أكبر من نسبة الخطأ في الشبكات الفردية.
تحدث زيادة نسبية كبيرة في نسبة الخطأ إلى أكبر نسبة خطأ إذا كانت الشبكات ذات نسبة خطأ مماثلة. في حالة البوابات ذات قائمة الانتظار، يكون معدل الباود محدوداً فقط بمعدل الباود للشبكة الأبطأ.
| GPRS | MT-PLC | |
| معدل التردد بالباود (R) | R1 = 3200 ب/ثانية | R2 = 1160 ب/ثانية |
| الكمون | زمن الاستجابة1 = 0,3 ثانية | زمن الاستجابة2 = 0,022 ثانية |
| نسبة الخطأ (PER) | PER1 = 20 % | PER2 = 30 % |
| طول الإطار | ل = 42 ب |
لا يتأثر معدل إنتاجية الشبكة على المدى الطويل إلا بزمن انتقال الشبكة الثانية لأن زمن انتقال الشبكة الأولى يتم التخلص منه بواسطة قائمة الانتظار. لا تحدث نسبة الخطأ في الشبكة الأسرع إلا إذا كان إنتاجيتها أقل من إنتاجية الشبكة الأبطأ.
ويرد في الجدول 3 أمثلة على حساب معلمات الاتصال لنظام GPRS في الشبكة الأولى وMT PLC في الشبكة الثانية؛ وترد معلمات GPRS وMT PLC في الجدول 2.
| بدون طابور الانتظار | مع قائمة الانتظار | |
| معدل التردد بالباود (R) | ص = 851 ب/ث = 851 ب/ث | ص = 1160 ب/ث = 1160 ب/ث |
| الكمون | زمن الاستجابة = 0,322 ثانية | زمن الاستجابة = 0,022 ثانية |
| نسبة الخطأ (PER) | النسبة المئوية للعائد = 44 % | النسبة المئوية للعائد = 30 % |
| الإنتاجية | 64 ب/ثانية = 0,50 كيلوبايت/ثانية | 505 ب/ث = 3,95 كيلوبايت/ثانية |
نظرًا لتشابه معدل الباود في كلتا الشبكتين إلى حد كبير، فإن زمن انتقال الشبكة الأولى أعلى بكثير، وبما أن نسب الخطأ في الشبكتين متشابهة أيضًا، فليس من المستغرب أن يكون الإنتاجية الناتجة للبوابة بدون قائمة انتظار أقل بكثير من البوابة المزودة بقائمة انتظار. في حالة الجمع بين شبكة Ethernet وMT PLC، لن يكون الفرق كبيرًا جدًا.
يلخص الجدول 4 مزايا وعيوب البوابات المزودة بقائمة انتظار وبدون قائمة انتظار.
| بوابة بدون طابور الانتظار | البوابة مع قائمة الانتظار |
| + السعر + تحديث بسيط للبرمجيات + تطوير أسهل + تطوير أسهل | + تحديث بسيط للبرامج + تطوير أسهل |
| – إنتاجية منخفضة للشبكة – برامج معقدة على جانب الخادم – تدفق بيانات أكبر بين البوابة والخادم | – برنامج معقد على جانب الخادم – تدفق أكبر للبيانات بين البوابة والخادم – على الخادم إدارة استخدام قائمة انتظار البوابة |
مُركّز البيانات
مكثف البيانات هو مرحلة تطوير أخرى للبوابة مع قائمة انتظار. نظرًا لأن البوابة المزودة بقائمة انتظار تتطلب المزيد من القدرة الحاسوبية، فهناك إمكانية لزيادة الأداء قليلاً وإضافة المزيد من الوظائف. تظهر المزايا والعيوب الفعلية لمركّز البيانات في الجدول 5.
الإنشاء التلقائي للمهام الروتينية – غالبية الرسائل في الشبكات الذكية هي عبارة عن قراءات دورية للملفات الشخصية مع البيانات المقاسة والسجلات غير المتزامنة ولا شيء يمنع المكثف من إنشاء هذه الرسائل بنفسه. وهذا يوفر جزءًا كبيرًا من الاتصال بين الخادم والمكثف، ولا يتعين على الخادم جدولة هذه المهام.
تجميع الإجابات في وحدات أكبر – بما أن حجم الحزم في الشبكة بين المركز والخادم قد يكون في معظم الحالات أكبر بكثير من حجم الحزم في شبكة العدادات، فمن المناسب إرسال ردود متعددة من العدادات إلى الخادم في رسالة واحدة. علاوة على ذلك، من الممكن استخدام ضغط البيانات. كما في السابق، يوفر قدرًا كبيرًا من البيانات المرسلة بين المركز والخادم.
| مُركّز البيانات |
| + تدفق بيانات أقل بين مركز البيانات والخادم + تطوير تطبيق بسيط على الخادم من جانب الخادم + استجابة أسرع لأحداث الشبكات الذكية |
| – السعر – تطوير وصيانة FW المعقدة – تطوير وصيانة FW المعقدة |
ترجمة البروتوكول – بالنسبة للتطبيقات من جانب الخادم، من الصعب تنفيذ بروتوكولات متخصصة مثل بروتوكول DLMS و W-MBus وما إلى ذلك، والتي تستخدم في الشبكات الذكية. لذلك من المفيد أن يتواصل المكثف مع الخادم بواسطة بروتوكول مستقل عن البروتوكول المستخدم في شبكة العدادات. وعلاوة على ذلك، يمكن تحسين هذا البروتوكول ويمكن أن يوفر راحة أكبر في معالجته بلغات البرمجة عالية المستوى.
تحليل البيانات وتصفية الأحداث – لا يتعين على المكثف إعادة توجيه البيانات من العدادات إلى الخادم فقط. يمكن للمُركِّز تحليل هذه البيانات أو تصفيتها أو إجراء معالجة أخرى. يمكن أن يؤدي ذلك إلى توفير كبير في الاتصال بين المُركِّز والخادم، كما أنه يسرّع الاستجابة لحالات معينة من الشبكة بشكل كبير.
الخلاصة: ما هو الحل الأمثل؟
يمكن للبوابة بدون قائمة انتظار أن تكون حلاً أكثر فعالية من حيث التكلفة إذا كانت الشبكة بين الخادم والبوابة ذات زمن انتقال منخفض وإنتاجية عالية مع معدلات خطأ قليلة مقارنة بشبكة العدادات.
نظرًا لأن جزءًا كبيرًا من الحلول في الممارسة العملية يستخدم شبكات ذات نسب كمون وخطأ أعلى وإنتاجية أقل، فإن استخدام البوابة بدون قائمة انتظار في تلك الحالات غير مناسب وقد يتسبب في انخفاض كبير في إنتاجية البيانات مقارنة بالأجهزة المزودة بقائمة انتظار.
في هذه الحالات، من الضروري استخدام بوابة على الأقل مع قائمة انتظار، أو استخدام مكثف البيانات، مما يوفر تكلفة تطوير تطبيقات الخادم ونقل البيانات بين المكثف والخادم.
يمكن للمركز أيضًا تحسين الاستجابة لأحداث الشبكة الذكية وتوفير راحة أكبر بشكل عام عند استخدام الجهاز وخدمته. إذا كان الجهاز يحتوي على قائمة انتظار، فإن ترتيب جدولة قائمة الانتظار التي تضمن جودة الخدمة مهم جدًا أيضًا.