星型与网状网络拓扑：物(wù)联网无線(xiàn)连接基础

2022-03-22

星型与网状网络拓扑：物(wù)联网无線(xiàn)连接基础

星形网络和网状网络是物(wù)联网无線(xiàn)网络的两种基本架构。

随着蓝牙网状网络最近获得关注，网状网络在未来几年可(kě)能(néng)会变得更加普遍，尤其是在数千个物(wù)联网节点必须跨地理(lǐ)大區(qū)域进行通信的应用(yòng)中。网状网络可(kě)以促进楼宇自动化、能(néng)源管理(lǐ)、工业自动化和资产管理(lǐ)等应用(yòng)。 

為(wèi)了突出网状网络的优点和局限性，本文(wén)深入讨论了星形和网状拓扑的基本特征。然后以典型的 Zigbee 网状网络為(wèi)例。 

选择合适的物(wù)联网无線(xiàn)网络解决方案

物(wù)联网应用(yòng)有(yǒu)几种不同的无線(xiàn)连接解决方案。考虑到广泛的用(yòng)例，选择正确的无線(xiàn)连接解决方案来满足给定物(wù)联网应用(yòng)的要求可(kě)能(néng)非常具有(yǒu)挑战性。

在选择连接解决方案时，应考虑范围、数据速率、安全性、功耗和可(kě)扩展性等各种因素。

网络拓扑——传感器、执行器和网关节点如何排列或相互连接——是影响网络性能(néng)的另一个重要因素。

物(wù)联网无線(xiàn)网络的两种基本架构是星形连接和网状连接。 

星型拓扑的优缺点

星型拓扑如图 1 所示。

图 1. 起始地形的高级表示。

星形网络由所有(yǒu)其他(tā)节点连接到的中央集線(xiàn)器组成。节点通过中心集線(xiàn)器相互通信，在大多(duō)数情况下，中心集線(xiàn)器也是通往互联网的网关。

家庭 Wi-Fi 网络是一种熟悉的星型拓扑，其中手机、平板電(diàn)脑和打印机都连接到中央集線(xiàn)器（无線(xiàn)接入点）。这个中央集線(xiàn)器既可(kě)以作為(wèi)本地网络中的路由器，也可(kě)以作為(wèi)互联网网关。 

由于集線(xiàn)器负责沿星形网络分(fēn)发数据包，因此消息可(kě)以通过单个“跳”（节点与集線(xiàn)器之间的数据传输）或两个“跳”（两个节点之间的数据传输）到达目的地。中心）。此功能(néng)导致具有(yǒu)一致且可(kě)预测的性能(néng)的快速网络。

另一个优点是基于星型拓扑的物(wù)联网网络可(kě)以轻松识别和隔离故障节点，因為(wèi)每个节点都有(yǒu)自己与集線(xiàn)器的单独连接。

然而，由于数据包必须通过中央节点，网络存在单点故障。如果中心节点发生故障，整个网络将不复存在。

无線(xiàn)星形连接的另一个主要限制是所有(yǒu)节点都应该在中央节点的直接无線(xiàn)電(diàn)范围内。这限制了网络的物(wù)理(lǐ)大小(xiǎo)。 

此外，星形网络不具备绕过射频障碍物(wù)或射频干扰高的环境的灵活性。

网状网络并非如此，它通常在每两个节点之间包含多(duō)个路由路径，我们将在稍后讨论。网状网络具有(yǒu)更灵活的布局，更有(yǒu)可(kě)能(néng)绕过射频障碍物(wù)。 

网状网络：全网状和部分(fēn)网状拓扑

在网状网络中，一个节点可(kě)以直接与多(duō)个其他(tā)节点通信。 

网状网络有(yǒu)两种类型：全网状和部分(fēn)网状。

在全网状拓扑中，每个节点都可(kě)以与网络中的每个其他(tā)节点直接通信。

在部分(fēn)网状网络中，如图 2 所示，每个节点可(kě)以直接连接到网络中的一个或多(duō)个其他(tā)节点，但不一定连接到网络中的每个其他(tā)节点。 

图 2. 部分(fēn)网络网格的高级表示。

物(wù)联网应用(yòng)程序通常使用(yòng)部分(fēn)网状拓扑来扩展网络范围，我们将在下面讨论。 

在网状网络中，节点可(kě)以充当中继器，通过网络路由数据。结果，每两个节点之间有(yǒu)几条不同的路径。这种冗余提高了网络弹性；如果一条路径发生故障，则可(kě)以使用(yòng)替代路径通过网络传播数据。  

由于节点能(néng)够充当中继器，因此不在彼此直接无線(xiàn)電(diàn)范围内的节点仍然可(kě)以通过路由器节点进行通信。这是物(wù)联网应用(yòng)中网状网络的主要优势，因為(wèi)它允许用(yòng)户将网络范围扩展到单个无線(xiàn)電(diàn)之外。

缺点是通信的多(duō)跳特性会增加通过网络传播数据包的延迟。

跳数，因此，网络延迟是数据包通过的路由器数量的函数。这使得评估网络性能(néng)比简单的结构（如上面讨论的星形拓扑）更复杂。

在这种情况下，可(kě)以使用(yòng)服務(wù)质量 (QoS) 指标：在指定时间段（例如 300 毫秒(miǎo)）内到达最终目的地的传输数据包的比率。

网状网络的路由节点应该实现一些路由算法以有(yǒu)效地将数据包传递到目的地。為(wèi)了实现这些路由功能(néng)，路由节点应该有(yǒu)更多(duō)的处理(lǐ)能(néng)力和内存，这增加了这些节点的复杂性和成本。    

星型、树型和网状拓扑的 Zigbee 协议

Zigbee 是一种开放的全球标准，旨在满足低成本、低功耗无線(xiàn)物(wù)联网网络的需求。

Zigbee 基于 IEEE 802.15.4 链路层，可(kě)在 2.4 GHz、900 MHz 和 868 MHz 等非授权频段运行。ZigBee 支持星形、树形和网状拓扑。

典型的 Zigbee 网状网络如图 3 所示。

图 3。Zigbee 网状网络的示例。

Zigbee 网状网络中的无線(xiàn)電(diàn)扮演着不同的角色。节点可(kě)以是协调器、路由器或终端设备。协调器设置网络并允许路由器和终端设备加入网络。除了创建网络之外，协调器还负责管理(lǐ)网络的安全性。 

路由器节点总是在监听路由它们通过网络接收到的信息。这些节点通常由電(diàn)源供電(diàn)。

最后，终端设备是不路由信息的节点。这些设备保持在睡眠模式以节省電(diàn)量，并且仅短暂唤醒以轮询其父母并接收已发送给他(tā)们的消息。

终端设备通常是電(diàn)池供電(diàn)的节点。

Zigbee 网状网络可(kě)以自动配置自身（自形成）。

此外，当节点离开网络或发生故障时，网络可(kě)以根据节点的新(xīn)组合重新(xīn)配置路由路径。这种自我修复功能(néng)提高了网络在不断变化的条件下的稳定性。