ما هو بروتوكول CoAP؟ معناه وبنيته

نظرة عامة سريعة

البروتوكول هو مجموعة من القواعد التي تحدد كيف يجب أن تتواصل الأجهزة المختلفة في نظام شبكة. واحد من هذه البروتوكولات هو بروتوكول التطبيق المقترن (CoAP).

CoAP هو بروتوكول نقل مصمم خصيصًا لأجهزة الأنترنت الصغيرة والمحدودة الموارد. تم تطويره بواسطة مجموعة العمل CORE في IETF وهو يستخدم نموذج طلب / استجابة مشابه لنموذج HTTP ولكنه أخف وزناً ويستخدم UDP بدلاً من TCP.

الهدف من CoAP

تم تصميم بروتوكول CoAP لتبسيط الاتصالات بين الأجهزة على الشبكات المحدودة الموارد. يتيح للأجهزة الصغيرة والمحدودة الموارد التواصل بكفاءة مع الخوادم والخدمات الأخرى على الشبكة.

كيف يعمل CoAP؟

يعتمد CoAP على نموذج طلب / استجابة مشابه لـ HTTP. يمكن للعميل إرسال طلب إلى الخادم والانتظار لاستلام الاستجابة. ومع ذلك، بدلاً من استخدام TCP للاتصالات، يستخدم CoAP UDP، الذي يتطلب موارد أقل ويقلل من الحاجة إلى الاتصالات ثنائية الاتجاه.

الاستخدامات الرئيسية لـ CoAP

يتم استخدام CoAP بشكل أساسي في تطبيقات الأنترنت الصغيرة والمحدودة الموارد، مثل أجهزة الاستشعار والأجهزة المحمولة. يمكن استخدامه أيضًا في تطبيقات الشبكات اللاسلكية والشبكات الشخصية اللاسلكية.

مزايا CoAP

من بين المزايا الرئيسية لـ CoAP هو أنه خفيف الوزن ويتطلب موارد قليلة للعمل. هذا يجعله مثاليًا للاستخدام في الأجهزة الصغيرة والمحدودة الموارد. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لـ CoAP التعامل مع الاتصالات غير الموثوقة، مما يجعله مثاليًا للاستخدام في الشبكات اللاسلكية والشبكات الشخصية اللاسلكية.

هندسة CoAP

تعتمد بنية CoAP على نموذج طبقات OSI القياسي، والذي يقسم الاتصالات الشبكية إلى سبع طبقات. يتم تنفيذ بروتوكول CoAP في الطبقة الرابعة، وهي طبقة النقل. هذه الطبقة تتعامل مع التسليم الموثوق به للبيانات من النقطة إلى النقطة.

الطبقة الأولى: الطبقة الفيزيائية

تتعامل الطبقة الفيزيائية مع الأجهزة الفعلية والأسلاك والإشارات اللاسلكية التي تتدفق عبر الشبكة. في بروتوكول CoAP، يمكن أن تكون الطبقة الفيزيائية أي شيء من الألياف البصرية إلى الإشارات اللاسلكية.

الطبقة الثانية: طبقة الرابطة

تتعامل طبقة الرابطة مع الإطارات، وهي وحدات البيانات التي تتدفق عبر الشبكة. في بروتوكول CoAP، يمكن أن تكون طبقة الرابطة أي شيء من Ethernet إلى Wi-Fi.

الطبقة الثالثة: طبقة الشبكة

تتعامل طبقة الشبكة مع التوجيه والتحويل، وهي العمليات التي تحدد كيفية تنقل البيانات عبر الشبكة. في بروتوكول CoAP، يمكن أن تكون طبقة الشبكة أي شيء من IPv4 إلى IPv6.

الطبقة الرابعة: طبقة النقل

هذه هي الطبقة التي يعمل فيها بروتوكول CoAP. تتعامل طبقة النقل مع الجلسات، وهي الاتصالات الفردية بين الأجهزة على الشبكة. في بروتوكول CoAP، يتم استخدام UDP للاتصالات.

الطبقة الخامسة: طبقة الجلسة

تتعامل طبقة الجلسة مع الجلسات، وهي الاتصالات الفردية بين الأجهزة على الشبكة. في بروتوكول CoAP، يتم استخدام UDP للاتصالات.

الطبقة السادسة: طبقة العرض

تتعامل طبقة العرض مع تقديم البيانات بطريقة يمكن للمستخدمين فهمها. في بروتوكول CoAP، يمكن أن تكون طبقة العرض أي شيء من HTML إلى JSON.

الطبقة السابعة: طبقة التطبيق

تتعامل طبقة التطبيق مع البرامج التي يستخدمها الناس للاتصال عبر الشبكة. في بروتوكول CoAP، يمكن أن تكون طبقة التطبيق أي شيء من متصفح الويب إلى تطبيق البريد الإلكتروني.

في النهاية، توفر بنية CoAP إطارًا قويًا ومرنًا للاتصالات عبر الشبكة. بفضل تصميمه البسيط والفعال، يمكن لبروتوكول CoAP التعامل مع مجموعة واسعة من الأجهزة والتطبيقات، مما يجعله خيارًا مثاليًا للاتصالات في الإنترنت الصناعية للأشياء.

وظيفة CoAP

في عالم الإنترنت من الأشياء، تكمن الحاجة في وجود بروتوكولات قوية ومتحكمة، تلبي هذه المطلوبات بروتوكول ("CoAP") الذي يمتاز بقدرته على تيسير عملية نقل البيانات بين الأجهزة المتعددة، عملية النقل هذه تعتمد على التفاعل بين الجهاز الطالب والجهاز المجيب.

بروتوكول CoAP يعمل على تطبيق طرق بسيطة ومفيدة مثل الاسترجاع (GET)، الإرسال (POST)، التحديث (PUT) والحذف (DELETE)، بهذه الطريقة تتاح للأجهزة القدرة على تحليل البيانات ونقلها وتحديثها والتخلص منها حسب الحاجة.

في ساحة الرسائل، يتفاعل CoAP بطريقة فعالة حيث يضمن نقل الرسائل حتى في حال عدم استلام الجهاز المستقبل للرد. الرسائل يمكن ان تكون مؤكدة وتحتاج الى رد من الجهاز المستقبل أو غير مؤكدة ولا تتطلب أي استجابة، ولذا CoAP يعتبر قناة فعّالة للاتصالات الآمنة وغير الآمنة.

بروتوكول CoAP يمتلك وظائف راقية تدعم الإخطارات، حيث يمكن للأجهزة التسجيل في مصادر محددة في الخادم وتستقبل الأجهزة تحذير عند حدوث أي تغييرات في تلك المصادر. بالتالي يتمكن الأجهزة من تتبع أحدث البيانات بدون ارسال طلبات متكررة.

بروتوكول CoAP يمتع بميزة البحث عن الموارد، توفر هذه الخاصية القدرة على البحث عن المصادر المتوفرة في الخادم وبالتالي يمكن للأجهزة التواصل معها بكفاءة وفعالية.

في سياق الأمان، يستعين CoAP بالتقنية الامنية المسمية ("DTLS") والتي تضمن سلامة البيانات وضمانة الردود الامنة عبر الشبكة.

من هنا نستنتج ان بروتوكول CoAP هو أداة فعالة وموثوقة تتيح تبادل الرسائل في الوقت الحالي من عالم الإنترنت من الأشياء بسهولة وسرعة، وتعتبر أداة مثلى للتطبيقات التي تحتاج إلى استجابات سريعة وفعالة.

`

`

ميزات CoAP

بروتوكول CoAP يقدم خصوصيات معينة تهدف إلى خلق ضرورة فعّالة للأنظمة التي تعاني من اقتصارات في القدرات. سنقوم بالتعرّف على هذه الخصائص الجوهرية في الأسطر القادمة.

1. الأداء المتميز وحسن الاستيعاب:
   تعتبر الخفة والمرونة من مميزات بروتوكول CoAP، فهو يوفر التمكين لتوفير الأداء الأمثل في الأنظمة والشبكات التي تعتمد على القدرات الضيقة والنطاقات الترددية المحدودة.

2. التجانس مع برمجة نموذج REST:
   يعزز البروتوكول القدرة على التطبيق مباشرة مع منصة الويب عبر نموذج برمجة REST، كما يدعم الطرق الأساسية الأربع المعروفة لـ REST ألا وهي: الحصول، الإرسال، الوضع، والحذف.

3. المرونة في المجالات الاستخدام:
   التطبيقات الممكنة المستفادة من البروتوكول غير محدودة، يمكن استغلاله في واسعة النطاق من الأجهزة ذكية المنزلية وحتى مجموعة الرصد الصناعي بالإضافة إلى الشبكات اللاسلكية بما في ذلك 6LoWPAN وZigBee وBluetooth Low Energy.

4. الضمان المطلوب لأمن البيانات:
   تكمن قوة البروتوكول في ضمانه للأمن من خلال دعمه لـ Datagram Transport Layer Security (DTLS) وهو مايسمح بتشفير البيانات وحماية الخصوصية.

5. التطور الأفقي المستدام:
   بروتوكول فعال و مرن على استعداد الدائم لدمج التطبيقات والخدمات الجديدة من خلال قابليته للتطور الأفقي.

6. القدرة على تحديد الموارد:
   يتميز البروتوكول بإمكانية عرض الخدمات والموارد على الشبكة عبر تقنياته لتحديد الموارد.

7. طرق المراسلات المتعددة:
   التوافق العالي مع الرسائل الكلامية والغير كلامية جعله يدعم بكل فعالية الاتصالات ثنائية الاتجاه والرسائل ذات الشكل الغير متناظر.

8. استدامة الاعتمادية:
   بروتوكول CoAP يحترم الاعتمادية عبر استخدام رسائل التأكيد وإعادة الارسال ACK و RST في حالة الحاجة لإعادة الارسال.

تلك الخصائص الجوهرية تحول البروتوكول الى الحل الأمثلى للتحديات التي تواجه الاتصالات في شبكات الأنظمة الضيقة.

طبقة CoAP

بروتوكول الاتصال المتبادل (CoAP) هو أحد التعاميم المستخدمة بكثرة في تقنيات الإنترنت المتصلة بالأجهزة المختلفة. ويمكن تحليل بروتوكول CoAP إلى مجموعة من المكونات الفريدة والمتعددة:

1. التعليمات المنقولة:

CoAP ينتج أربع فئات للتعليمات المراد تنفيذها: استعلام، جواب، إشعار، وإيقاف تجديد. الأوامر تتألف من مجموعتين رئيسيتين، وهما: الفاصلة الزمنية والحمولة، حيث يعد موقع الفاصلة الزمنية مؤشر لـ "كود الوضعية" الدالة على نوع الأمر.

2. الأداء:

تقدم عملية البرمجة في CoAP خمسة أدوار رئيسية: الجلب، الإرسال، الإدخال، و الحذف. هذه الأدوار يمكنها المطابقة مع بروتوكول HTTP، وهو مايعطي القدرة على التواصل السلس مع بقية البروتوكولات الأخرى.

3. المتغيرات:

الكودات المستعملة في CoAP تساعد على تبويب أنواع الأوامر والأدوار. حيث يتم استعمال الكود الرقمي صفر للإستعلام، 2 للرد، 3 للإشعار، وأخيرا الرقم 4 للتجديد.

4. الإعدادات:

توفر الإعدادات المتواجدة في CoAP مجموعة متنوعة من الأدوات المساعدة للتحكم في الأجهزة والأدوار وتتضمن ذلك الأدوات المتعلقة بالأمن، أدوات المراسلات، والأدوات المتعلقة بالتداول.

5. البيانات المتبادلة:

البيانات التي يتم نقلها عبر CoAP تكون هي الأولوية في الحمولة البيانات الخاصة بالبروتوكول، وقد تكون بسيطة مثل الكتابة، أو معقدة مثل البيانات الثنائية.

6. الحماية:

CoAP يقدم تجهيزات وحدات حماية متقدمة وتعتبر من الأفضل في الضياع، معتمدة على فكرة التشفير، والمصادقة، والحماية. تتم دعم هذه الأدوات بفضل تكنولوجيا مثل نقلة الأمان الخاصة بالرسائل (DTLS).

الجدول التالي يعطي لمحة أكثر تحديدًا حول الفروق بين بروتوكول CoAP وبروتوكول HTTP حول الخصائص والأداء والتطبيقات المتعددة:

المكون	CoAP	HTTP
التعليمات المنقولة	4 أنواع (استعلام، رد، إشعار، تجديد)	2 نوع (استعلام، رد)
الأداء	4 أنواع (الجلب، الإرسال، الإدخال، الحذف)	4 أنواع (الجلب، الإرسال، الإدخال، الحذف)
المتغيرات	كل كود محدد للتحكم في الأوامر والأدوار	غير متواجد
الإعدادات	مجموعة متنوعة من الإعدادات الخاصة بالأجهزة والأدوار	إعدادات بسيطة فقط
البيانات المتبادلة	بيانات بسيطة ومعقدة	بيانات عامة عادة
الحماية	أدوات حماية عالية الجودة	الأمان محدود

بشكل رئيسي, بروتوكول CoAP يتميز بالمرونة والأمان العالي في التواصل بين الأجهزة المتنقلة ضمن الشبكات الخصوصية، مما يجعلها الخيار الأمثل للشبكات التي تعتمد على تقنيات النت بالاشتراك مع الأجهزة الأخرى (IoT).

CoAP مقابل MQTT

في البداية، يجب أن نفهم أن CoAP و MQTT هما بروتوكولان مختلفان يستخدمان لأغراض مختلفة. بينما يتم استخدام MQTT بشكل أساسي للاتصالات ثنائية الاتجاه بين الأجهزة والخوادم، يتم استخدام CoAP بشكل أساسي للاتصالات ثنائية الاتجاه بين الأجهزة والخوادم في الشبكات المحلية.

الأمان

على الرغم من أن كلا البروتوكولين يدعمان التشفير، إلا أن MQTT يعتبر أكثر أمانًا من CoAP. يدعم MQTT التشفير على مستوى البروتوكول، بينما يعتمد CoAP على تقنيات الأمان الأخرى مثل DTLS.

الأداء

فيما يتعلق بالأداء، يعتبر CoAP أسرع من MQTT في العديد من السيناريوهات. يعتمد CoAP على UDP، الذي يتطلب نقل بيانات أقل بكثير من TCP، الذي يستخدمه MQTT. ومع ذلك، يمكن أن يكون MQTT أكثر موثوقية في الشبكات غير المستقرة بسبب استخدامه ل TCP.

القابلية للتوسع

عندما يتعلق الأمر بالقابلية للتوسع، يتفوق MQTT على CoAP. يدعم MQTT النشر/الاشتراك، مما يسمح بتوصيل عدد كبير من الأجهزة بسهولة. بينما يدعم CoAP الطلب/الرد، مما يجعله أقل قابلية للتوسع.

الاستخدام

فيما يتعلق بالاستخدام، يتم استخدام MQTT بشكل أساسي في التطبيقات التي تتطلب اتصالات ثنائية الاتجاه، مثل الرسائل الفورية والألعاب عبر الإنترنت. بينما يتم استخدام CoAP بشكل أساسي في التطبيقات التي تتطلب اتصالات ثنائية الاتجاه في الشبكات المحلية، مثل أنظمة الأتمتة المنزلية.

في النهاية، الاختيار بين CoAP و MQTT يعتمد على الاحتياجات الخاصة بالتطبيق. إذا كانت الأمان والقابلية للتوسع هما الأولوية، فقد يكون MQTT الخيار الأفضل. ومع ذلك، إذا كان الأداء والكفاءة هما الأولوية، فقد يكون CoAP الخيار الأفضل.

بروتوكول REST وCoAP

تعد بروتوكولات REST و CoAP من الأدوات الأساسية المستخدمة في الاتصالات عبر الإنترنت. في حين أن كلاهما يعتبران بروتوكولات نقل، فإنهما يختلفان بشكل كبير في الطريقة التي يتم فيها التعامل مع البيانات والمعلومات. في هذا الفصل، سنقوم بمقارنة بين بروتوكولات REST و CoAP وسنناقش الفروقات بينهما.

الفروقات الرئيسية بين بروتوكولات REST و CoAP

1. النقل عبر الإنترنت: يستخدم بروتوكول REST بروتوكول نقل نص تشعبي (HTTP) كواجهة للاتصال عبر الإنترنت. من ناحية أخرى، يستخدم بروتوكول CoAP بروتوكول نقل المستخدم الخفيف (UDP)، وهو أقل تعقيدًا وأكثر كفاءة من حيث استهلاك الطاقة والموارد.

2. الأمان: يوفر بروتوكول REST الأمان من خلال استخدام بروتوكول الأمان النقلي الآمن (HTTPS). بينما يستخدم بروتوكول CoAP بروتوكول الأمان الحقيقي لتطبيقات الإنترنت الخفيفة (DTLS)، وهو يوفر مستوى أمان مماثل لـ HTTPS ولكن مع استهلاك أقل للموارد.

3. الأداء: بروتوكول REST يعتبر أكثر بطءًا ويستهلك مزيدًا من الطاقة والموارد مقارنة بـ CoAP. هذا لأن بروتوكول CoAP مصمم خصيصًا للأجهزة ذات القدرات المحدودة والشبكات غير الموثوقة.

مقارنة بين بروتوكولات REST و CoAP

الخاصية	بروتوكول REST	بروتوكول CoAP
بروتوكول النقل	HTTP	UDP
الأمان	HTTPS	DTLS
الأداء	أقل كفاءة	أكثر كفاءة

الاستخدامات الشائعة لبروتوكولات REST و CoAP

بروتوكول REST يستخدم عادة في تطبيقات الويب والخدمات السحابية، حيث يتم تبادل كميات كبيرة من البيانات. من ناحية أخرى، يستخدم بروتوكول CoAP عادة في الأجهزة المحمولة والأجهزة ذات القدرات المحدودة، مثل أجهزة الإنترنت للأشياء (IoT).

في الختام، يمكن القول أن بروتوكولات REST و CoAP يلعبان دورًا مهمًا في الاتصالات عبر الإنترنت، ولكن الاختيار بينهما يعتمد على الاحتياجات الخاصة للتطبيق.

`

`

FAQ

في هذا القسم، سنجيب على بعض الأسئلة الشائعة حول بروتوكول CoAP.

ما هو بروتوكول CoAP؟

بروتوكول CoAP هو بروتوكول نقل مبسط يستخدم للاتصالات المقيدة، مثل الأجهزة المحمولة والأجهزة الذكية. يتميز بكونه خفيف الوزن وسهل الاستخدام، مما يجعله مثاليًا للاستخدام في الإنترنت الصناعي للأشياء (IIoT).

كيف يعمل بروتوكول CoAP؟

يعمل بروتوكول CoAP عن طريق إرسال رسائل طلب واستجابة بين العميل والخادم. يمكن لهذه الرسائل أن تحتوي على بيانات أو تعليمات للأجهزة المتصلة.

ما هي ميزات بروتوكول CoAP؟

من بين الميزات الرئيسية لبروتوكول CoAP القدرة على العمل في بيئات شبكة منخفضة الطاقة والقدرة على التعامل مع الاتصالات غير الموثوقة. كما أنه يدعم الرسائل المتعددة والتحكم في الجلسات.

ما هو الفرق بين بروتوكول CoAP و MQTT؟

على الرغم من أن كلا البروتوكولين مصممين للاستخدام في الإنترنت للأشياء، إلا أن هناك بعض الاختلافات الرئيسية. يعتبر MQTT بروتوكولًا مركزيًا يتطلب وسيطًا لإدارة الاتصالات، بينما يعتبر CoAP بروتوكولًا نقطة إلى نقطة يمكنه العمل بدون وسيط.

هل يمكن استخدام بروتوكول CoAP مع بروتوكول REST؟

نعم، يمكن استخدام بروتوكول CoAP مع بروتوكول REST. في الواقع، يتم تصميم CoAP ليكون متوافقًا مع نموذج بروتوكول REST، مما يسمح بالتفاعل السهل مع الواجهات البرمجية للتطبيقات (APIs) المبنية على REST.

ما هي الاستخدامات الشائعة لبروتوكول CoAP؟

بروتوكول CoAP يستخدم عادة في الإنترنت الصناعي للأشياء، حيث يتم استخدامه للتحكم في الأجهزة وجمع البيانات منها. يمكن استخدامه أيضًا في الشبكات المنزلية الذكية والأنظمة المدمجة.

نأمل أن يكون هذا القسم قد أجاب على بعض الأسئلة الشائعة حول بروتوكول CoAP. إذا كان لديك أي أسئلة أخرى، فلا تتردد في الاتصال بنا.

مراجع

الفقرة التالية مستندة على مجموعة واسعة من المصادر البحثية المعتبرة في مجال الأمن التقني. أخذت بعين الاعتبار آخر الأبحاث والتطورات في هذا المجال.

بعض الأعمال ذات الصلة تشمل كتاب زاك شيلبي وكيستن هارتك وكارستن بورمان، "بروتوكول التطبيق المقيد" (CoAP)، الذي تم نشره عام 2014 من قبل مؤسسة الإنترنت لمعايير الهندسة (IETF). كذلك، فقد اشتملت البحثات على العمل الذي قام به ماتياس كوفاتش وسيمون دوكينوي وأدم دونكيلس، بعنوان "CoAP منخفضة الطاقة لـ Contiki" الذي تم تقديمه في المؤتمر الدولي الثامن لنظم الأجهزة المتحركة والأجهزة الاستشعارية (MASS 2011) في فالنسيا، إسبانيا.

كما تم استخدام موارد أخرى مثل "الأنترنت اللاسلكي المُضمن" الذي كتبه شيلبي وبورمان، والذي تم نشره في عام 2009. أيضا، الاطلاع على أعمال ومصادر أخرى مثل MQTT.org التي نشرت في 2019، وتشمل "بروتوكول MQTT: بروتوكول التوصيل بين الآلات / 'إنترنت الأشياء'".

علاوة على ذلك، الرجوع إلى أطروحة ريتشارد فيلدينج في عام 2000 التي تدور حول "أنماط الهندسة المعمارية وتصميم برمجيات الشبكة" في جامعة كاليفورنيا، إرفاين. وكذا الأعمال البحثية الأخرى التي تناولت نفس الموضوع من قبل كوفاتش وماير وأوستيرماير في عام 2012 ضمن محاضرات المؤتمر الدولي السادس حول الخدمات المبتكرة للموبايل والإنترنت في الحوسبة الشاملة (IMIS 2012) في باليرمو، إيطاليا.