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星型與網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲：物聯(lián)網(wǎng)無線連接基礎
星型與網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲：物聯(lián)網(wǎng)無線連接基礎
星形網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡是物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡的兩種基本架構(gòu)。
隨著藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡最近獲得關注，網(wǎng)狀網(wǎng)絡在未來幾年可能會變得更加普遍，尤其是在數(shù)千個物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點必須跨地理大區(qū)域進行通信的應用中。網(wǎng)狀網(wǎng)絡可以促進樓宇自動化、能源管理、工業(yè)自動化和資產(chǎn)管理等應用。
為了突出網(wǎng)狀網(wǎng)絡的優(yōu)點和局限性，本文深入討論了星形和網(wǎng)狀拓撲的基本特征。然后以典型的 Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡為例。
選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡解決方案
物聯(lián)網(wǎng)應用有幾種不同的無線連接解決方案。考慮到廣泛的用例，選擇正確的無線連接解決方案來滿足給定物聯(lián)網(wǎng)應用的要求可能非常具有挑戰(zhàn)性。
在選擇連接解決方案時，應考慮范圍、數(shù)據(jù)速率、安全性、功耗和可擴展性等各種因素。
網(wǎng)絡拓撲——傳感器、執(zhí)行器和網(wǎng)關節(jié)點如何排列或相互連接——是影響網(wǎng)絡性能的另一個重要因素。
物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡的兩種基本架構(gòu)是星形連接和網(wǎng)狀連接。
星型拓撲的優(yōu)缺點
星型拓撲如圖 1 所示。
圖 1. 起始地形的高級表示。
星形網(wǎng)絡由所有其他節(jié)點連接到的中央集線器組成。節(jié)點通過中心集線器相互通信，在大多數(shù)情況下，中心集線器也是通往互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關。
家庭 Wi-Fi 網(wǎng)絡是一種熟悉的星型拓撲，其中手機、平板電腦和打印機都連接到中央集線器（無線接入點）。這個中央集線器既可以作為本地網(wǎng)絡中的路由器，也可以作為互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。
由于集線器負責沿星形網(wǎng)絡分發(fā)數(shù)據(jù)包，因此消息可以通過單個“跳”（節(jié)點與集線器之間的數(shù)據(jù)傳輸）或兩個“跳”（兩個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸）到達目的地。中心）。此功能導致具有一致且可預測的性能的快速網(wǎng)絡。
另一個優(yōu)點是基于星型拓撲的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡可以輕松識別和隔離故障節(jié)點，因為每個節(jié)點都有自己與集線器的單獨連接。
然而，由于數(shù)據(jù)包必須通過中央節(jié)點，網(wǎng)絡存在單點故障。如果中心節(jié)點發(fā)生故障，整個網(wǎng)絡將不復存在。
無線星形連接的另一個主要限制是所有節(jié)點都應該在中央節(jié)點的直接無線電范圍內(nèi)。這限制了網(wǎng)絡的物理大小。
此外，星形網(wǎng)絡不具備繞過射頻障礙物或射頻干擾高的環(huán)境的靈活性。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡并非如此，它通常在每兩個節(jié)點之間包含多個路由路徑，我們將在稍后討論。網(wǎng)狀網(wǎng)絡具有更靈活的布局，更有可能繞過射頻障礙物。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡：全網(wǎng)狀和部分網(wǎng)狀拓撲
在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，一個節(jié)點可以直接與多個其他節(jié)點通信。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡有兩種類型：全網(wǎng)狀和部分網(wǎng)狀。
在全網(wǎng)狀拓撲中，每個節(jié)點都可以與網(wǎng)絡中的每個其他節(jié)點直接通信。
在部分網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，如圖 2 所示，每個節(jié)點可以直接連接到網(wǎng)絡中的一個或多個其他節(jié)點，但不一定連接到網(wǎng)絡中的每個其他節(jié)點。
圖 2. 部分網(wǎng)絡網(wǎng)格的高級表示。
物聯(lián)網(wǎng)應用程序通常使用部分網(wǎng)狀拓撲來擴展網(wǎng)絡范圍，我們將在下面討論。
在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，節(jié)點可以充當中繼器，通過網(wǎng)絡路由數(shù)據(jù)。結(jié)果，每兩個節(jié)點之間有幾條不同的路徑。這種冗余提高了網(wǎng)絡彈性；如果一條路徑發(fā)生故障，則可以使用替代路徑通過網(wǎng)絡傳播數(shù)據(jù)。
由于節(jié)點能夠充當中繼器，因此不在彼此直接無線電范圍內(nèi)的節(jié)點仍然可以通過路由器節(jié)點進行通信。這是物聯(lián)網(wǎng)應用中網(wǎng)狀網(wǎng)絡的主要優(yōu)勢，因為它允許用戶將網(wǎng)絡范圍擴展到單個無線電之外。
缺點是通信的多跳特性會增加通過網(wǎng)絡傳播數(shù)據(jù)包的延遲。
跳數(shù)，因此，網(wǎng)絡延遲是數(shù)據(jù)包通過的路由器數(shù)量的函數(shù)。這使得評估網(wǎng)絡性能比簡單的結(jié)構(gòu)（如上面討論的星形拓撲）更復雜。
在這種情況下，可以使用服務質(zhì)量 (QoS) 指標：在指定時間段（例如 300 毫秒）內(nèi)到達最終目的地的傳輸數(shù)據(jù)包的比率。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡的路由節(jié)點應該實現(xiàn)一些路由算法以有效地將數(shù)據(jù)包傳遞到目的地。為了實現(xiàn)這些路由功能，路由節(jié)點應該有更多的處理能力和內(nèi)存，這增加了這些節(jié)點的復雜性和成本。
星型、樹型和網(wǎng)狀拓撲的 Zigbee 協(xié)議
Zigbee 是一種開放的全球標準，旨在滿足低成本、低功耗無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的需求。
Zigbee 基于 IEEE 802.15.4 鏈路層，可在 2.4 GHz、900 MHz 和 868 MHz 等非授權(quán)頻段運行。ZigBee 支持星形、樹形和網(wǎng)狀拓撲。
典型的 Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡如圖 3 所示。
圖 3。Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡的示例。
Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的無線電扮演著不同的角色。節(jié)點可以是協(xié)調(diào)器、路由器或終端設備。協(xié)調(diào)器設置網(wǎng)絡并允許路由器和終端設備加入網(wǎng)絡。除了創(chuàng)建網(wǎng)絡之外，協(xié)調(diào)器還負責管理網(wǎng)絡的安全性。
路由器節(jié)點總是在監(jiān)聽路由它們通過網(wǎng)絡接收到的信息。這些節(jié)點通常由電源供電。
最后，終端設備是不路由信息的節(jié)點。這些設備保持在睡眠模式以節(jié)省電量，并且僅短暫喚醒以輪詢其父母并接收已發(fā)送給他們的消息。
終端設備通常是電池供電的節(jié)點。
Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡可以自動配置自身（自形成）。
此外，當節(jié)點離開網(wǎng)絡或發(fā)生故障時，網(wǎng)絡可以根據(jù)節(jié)點的新組合重新配置路由路徑。這種自我修復功能提高了網(wǎng)絡在不斷變化的條件下的穩(wěn)定性。