An Adaptive Multi-Protocol IoT Gateway for Resilient Edge-Cloud Communication: An ns-3-Based Evaluation
DOI:
https://doi.org/10.65405/bp3qh004الكلمات المفتاحية:
إنترنت الأشياء، البوابة التكيفية، MQTT، CoAP، الحوسبة الطرفية، مرونة الشبكة، ns-3الملخص
في السنوات الأخيرة، أصبحت إنترنت الأشياء (IoT) جزءًا أساسيًا من البنية التحتية الرقمية الحديثة. تقوم انترنت الأشياء بربط أجهزة الاستشعار المادية بخدمة التحليلات السحابة cloud analytics ، الامر الذي ادى الى تغير طريقة تفاعلنا مع بيئتنا الذكية ، ابتداء من الأتمتة الصناعية Industrial Automation وصولا للأجهزة المنزلية الذكية Smart Home Devices. فكلما ازداد حجم هذه الأنظمة وتعقيدها، تزداد الحاجة إلى طرق وأساليب اتصال قادرة على إدارة ومعالجة أخطاء الشبكة غير المتوقعة وكذلك التغلب على قيود المعدات من حيث امكانياتها Hardware Resources restrictions والأعطال المتكررة فيها.
حاليا يعتبربروتوكولMQTT وكذلك بروتوكول CoAP من أهم البروتوكولات المستخدمة للاتصال مابين إنترنت الأشياء والحوسبة السحابية Cloud Computing ، حيث تستخدم معظم الأنظمة أحد هاذين البروتوكولين كبروتوكول اساسي وثابت لتنفيذ عملية الاتصال ، الامر الذي يعد عيبا اساسيا لمثل هذا النوع من الانظمة ، حيث انه لايمتلك مرونة او قدرة على التكيف عند حدوث أي مشكلة من المشاكل التي تحدث غالبا في الشبكات ، مثل حدوث انقطاع نتيجة لخلل في البنية التحتية للشبكة او نتيجة للازدحام في حركة مرور البيانات عبر الشبكة .
في هذه الورقة ، تم تطبيق نظام يعتمد بوابة حافة لديها القدرة على التكيف Adaptive Edge Gateway لشبكات إنترنت الأشياء القائمة على تقنية ZigBee ، يتمثل هذا التكيف في القدرة على التبديل بين بروتوكولي MQTT وCoAP تلقائيا حسب الحاجة للحصول على اقصى استفادة ممكنة من مميزات كلا البروتوكولين.
تقوم البوابة المطبقة بمراقبة المؤشرات المختلفة لأداء النظام في الوقت الفعلي Realtime monitoring مثل زمن الاستجابة latency وفقدان الحزم packet loss وتوافر خدمات البنية التحتية backend availability ، وبناءً على هذه المؤشرات تقوم بإختيار البروتوكول والوضع الأمثل تلقائيًا.
تم اختبار منهجنا من خلال محاكاة معمقة باستخدام برنامج ns-3 simulator. هذه المحاكاة شملت 180 سيناريو مختلف تغطي أنواعًا مختلفة من الأعطال، مثل مشاكل الربط وانقطاع خدمة الوسيط.
نتائج البحث تبين أن التبديل التكيفي يزيد من كفاءة تسليم الحزم packet delivery بنسبة 15-20% أثناء الأعطال مقارنةً بالإعدادات الثابتة، وفي نفس الوقت يُقلل وقت الاستعادة recovery time دون تكلفة إضافية تُذكر. هذه النتائج تشير إلى أن تكييف وتبديل البروتوكولات عند البوابة يعتبر وسيلة فعّالة لجعل أنظمة إنترنت الأشياء أكثر كفاءة وموثوقية.
التنزيلات
المراجع
[1] J. Gubbi, R. Buyya, S. Marusic, and M. Palaniswami, “Internet of Things (IoT): A vision, architectural elements, and future directions,” Future Generation Computer Systems, vol. 29, no. 7, pp. 1645–1660, 2013.
[2] A. Al-Fuqaha, M. Guizani, M. Mohammadi, M. Aledhari, and M. Ayyash, “Internet of Things: A survey on enabling technologies, protocols, and applications,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 17, no. 4, pp. 2347–2376, 2015.
[3] M. Harmassi, “Thing-to-thing context-awareness at the edge,” HAL, 2019.
[4] J. S. Lee, Y. W. Su, and C. C. Shen, “A comparative study of wireless protocols: Bluetooth, UWB, ZigBee, and Wi-Fi,” in Proc. IEEE IECON, 2007, pp. 46–51.
[5] A. Banks, E. Briggs, K. Borgendale, and R. Gupta, “MQTT Version 5.0,” OASIS Standard, 2019.
[6] Z. Shelby, K. Hartke, and C. Bormann, “The Constrained Application Protocol (CoAP),” IETF RFC 7252, 2014.
[7] S. D. Madsen, B. E. Staugaard, Z. Ma, S. Yussof, and B. N. Jørgensen, “A Cost-effective Edge Computing Gateway for Smart Buildings,” arXiv preprint, 2024.
[8] J. Ren, Y. Pan, A. Gościński, and R. Beyah, “Edge Computing for the Internet of Things,” IEEE Netw., vol. 32, no. 1, pp. 6–7, 2018.
[9] V. Seoane, C. García-Rubio, F. Almenares, and C. Campo, “Performance evaluation of CoAP and MQTT with security support for IoT environments,” Computer Networks, vol. 197, p. 108338, 2021.
[10] E. Sisinni, A. Saifullah, S. Han, U. Jennehag, and M. Gidlund, “Industrial Internet of Things: Challenges, Opportunities, and Directions,” IEEE Trans. Industr. Inform., vol. 14, no. 11, pp. 4724–4734, 2018.
[11] W. Yu et al., “A survey on the edge computing for the Internet of Things,” IEEE Access, vol. 6, pp. 6900–6919, 2017.
[12] M. Satyanarayanan, “The emergence of edge computing,” Computer (Long. Beach. Calif)., vol. 50, no. 1, pp. 30–39, 2017.
[13] V. Kumar, P. Yadav, and L. S. Indrusiak, “Resilient Edge: Building an Adaptive and Resilient Multi-Communication Network for IoT Edge Using LPWAN and WiFi,” White Rose Research Online, vol. 20, no. 3, pp. 3055–3071, 2023.
[14] L. Belcastro, F. Marozzo, A. Orsino, D. Talia, and P. Trunfio, “Navigating the Edge-Cloud Continuum: A State-of-Practice Survey,” arXiv preprint, 2025.
[15] R. of E. C. for the I. of T. (EC-IoT), “Techniques, Challenges and Future Directions,” Journal of Sensor Networks and Data Communications, vol. 4, no. 1, pp. 1–11, 2024.
[16] U. Hunkeler, H. L. Truong, and A. Stanford-Clark, “MQTT-S-A publish/subscribe protocol for Wireless Sensor Networks,” in Proc. IEEE COMSWARE, 2008, pp. 791–798.
[17] C. Bormann, A. P. Castellani, and Z. Shelby, “CoAP: An application protocol for billions of tiny internet nodes,” IEEE Internet Comput., vol. 16, no. 2, pp. 62–67, 2012.
[18] P. H. Goudarzi and M. Goudarzi, “A review on IoT protocols and simulation tools,” in Proc. ICEECT, 2021.
[19] M. Collina, M. Bartolucci, A. Vanelli-Coralli, and G. E. Corazza, “Internet of Things application layer protocol: Comparison of MQTT and CoAP,” in Proc. IEEE ICECS, 2014, pp. 478–481.
[20] N. De Caro, W. Colitti, K. Steenhaut, G. Mangino, and G. Reali, “Comparison of two lightweight protocols for smartphone-based sensing,” in Proc. IEEE WOWMOM, 2013, pp. 1–9.
[21] D. Thangavel, X. Ma, A. Belayneh, and K. M. Sivalingam, “A resilient smart city architecture based on MQTT and CoAP,” in Proc. IEEE LCN, 2016, pp. 209–212.
[22] S. B. Othman and A. Trad, “Security evaluation of MQTT and CoAP protocols for IoT applications,” IEEE Access, vol. 8, pp. 190565–190574, 2020.
[23] H. H. M. Ramzan, “Adaptive IoT Communication Protocols and Edge Optimization for Smart Urban Mobility Systems,” 2025.
[24] M. B. Yassein, M. Q. Shatnawi, and A. Al-Zoubi, “Application layer protocols for the Internet of Things: A survey,” International Journal of Advanced Computer Science and Applications, vol. 7, no. 6, 2016.
[25] P. Baronti, P. Pillai, V. W. Chook, S. Chessa, A. Gotta, and Y. F. Hu, “Wireless sensor networks: A survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards,” Comput. Commun., vol. 30, no. 7, pp. 1655–1695, 2007.
[26] S. K. Datta, C. Bonnet, and N. Nikaein, “An IoT gateway centric architecture to provide novel M2M services,” in Proc. IEEE WF-IoT, 2014, pp. 518–523.
[27] A. Al-Fuqaha, A. Khreishah, M. Guizani, A. Rayes, and M. Mohammadi, “Toward better horizontal integration among IoT services,” IEEE Communications Magazine, vol. 53, no. 9, pp. 72–79, 2015.
[28] S. K. Datta, A. Gyrard, C. Bonnet, and K. Boudaoud, “Cross-domain Internet of Things application development: M2M data, semantic mashup and orchestration,” in Proc. IEEE WF-IoT, 2015, pp. 7–12.
[29] P. Bellavista, “Edge Computing for the Internet of Things: A Case Study on Data Stream Processing,” Future Generation Computer Systems, vol. 107, 2020.
[30] R. Mahmud, R. Kotagiri, and R. Buyya, “Fog computing: A taxonomy, survey, and research challenges,” Journal of Network and Computer Applications, vol. 117, pp. 51–67, 2018.
[31] W. Shi, J. Cao, Q. Zhang, Y. Li, and L. Xu, “Edge computing: Vision and challenges,” IEEE Internet Things J., vol. 3, no. 5, pp. 637–646, 2016.
[32] A. M. R. R. Souza and J. R. Amazonas, “A survey on IoT gateway architectures,” Journal of Network and Computer Applications, vol. 177, p. 102948, 2021.
[33] J. C. R. Bennett, C. Partridge, and N. Shectman, “Packet reordering is not pathological network behavior,” IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 7, no. 6, pp. 789–798, 1999.
[34] C. Berger, P. Eichhammer, H. P. Reiser, D. Jörg, F. J. Hauck, and G. Habiger, “A Survey on Resilience in the IoT: Taxonomy, Classification and Discussion of Resilience Mechanisms,” arXiv preprint, 2021.
[35] A. K. M. M. Islam, M. A. Hannan, and A. Hussain, “Resilience in IoT networks: A review of current trends and future directions,” Sensors, vol. 20, no. 14, p. 3889, 2020.
[36] K. Ascherya, M. R. Bobbala, V. Saavanth, K. Shalini, M. Adudhodla, and P. K. R. Manellore, “Adaptive Network Architectures for Scalable, Resilient and Secure IoT Systems,” 2025.
[37] M. M. Hossain, R. Hasan, and M. A. Hussain, “A survey on fault tolerance in IoT systems,” Journal of Network and Computer Applications, vol. 145, p. 102415, 2019.
[38]BenHusein, A. H., Shakrum, F. M., & Elgdiri, E. M. (2026). A Comprehensive Performance Evaluation of a Wi-Fi-Based Wireless Sensor Network Using Raspberry Pi and ESP8266 Under Multi-Rate Traffic Conditions. Al-Farooq Journal of Sciences, 2(3), 816-818.
[39] S. A. Alqahtani and A. S. Alshamrani, “Fault tolerance mechanisms in IoT: A systematic literature review,” IEEE Access, vol. 8, pp. 120354–120372, 2020.
