星型與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲：物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)連接基礎

2022-03-22

星型與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲：物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)連接基礎

星形網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )是物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的兩種基本架構。

隨著(zhù)藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )最近獲得關(guān)注，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )在未來(lái)幾年可能會(huì )變得更加普遍，尤其是在數千個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)必須跨地理大區域進(jìn)行通信的應用中。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )可以促進(jìn)樓宇自動(dòng)化、能源管理、工業(yè)自動(dòng)化和資產(chǎn)管理等應用。 

為了突出網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)點(diǎn)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(luò )為例。 

選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )解決方案

物聯(lián)網(wǎng)應用有幾種不同的無(wú)線(xiàn)連接解決方案?？紤]到廣泛的用例，選擇正確的無(wú)線(xiàn)連接解決方案來(lái)滿(mǎn)足給定物聯(lián)網(wǎng)應用的要求可能非常具有挑戰性。

在選擇連接解決方案時(shí)，應考慮范圍、數據速率、安全性、功耗和可擴展性等各種因素。

網(wǎng)絡(luò )拓撲——傳感器、執行器和網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)如何排列或相互連接——是影響網(wǎng)絡(luò )性能的另一個(gè)重要因素。

物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的兩種基本架構是星形連接和網(wǎng)狀連接。 

星型拓撲的優(yōu)缺點(diǎn)

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(luò )由所有其他節點(diǎn)連接到的中央集線(xiàn)器組成。節點(diǎn)通過(guò)中心集線(xiàn)器相互通信，在大多數情況下，中心集線(xiàn)器也是通往互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。

家庭 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )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(xiàn)器（無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)）。這個(gè)中央集線(xiàn)器既可以作為本地網(wǎng)絡(luò )中的路由器，也可以作為互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。 

由于集線(xiàn)器負責沿星形網(wǎng)絡(luò )分發(fā)數據包，因此消息可以通過(guò)單個(gè)“跳”（節點(diǎn)與集線(xiàn)器之間的數據傳輸）或兩個(gè)“跳”（兩個(gè)節點(diǎn)之間的數據傳輸）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(luò )。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是基于星型拓撲的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )可以輕松識別和隔離故障節點(diǎn)，因為每個(gè)節點(diǎn)都有自己與集線(xiàn)器的單獨連接。

然而，由于數據包必須通過(guò)中央節點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )存在單點(diǎn)故障。如果中心節點(diǎn)發(fā)生故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )將不復存在。

無(wú)線(xiàn)星形連接的另一個(gè)主要限制是所有節點(diǎn)都應該在中央節點(diǎn)的直接無(wú)線(xiàn)電范圍內。這限制了網(wǎng)絡(luò )的物理大小。 

此外，星形網(wǎng)絡(luò )不具備繞過(guò)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(luò )并非如此，它通常在每?jì)蓚€(gè)節點(diǎn)之間包含多個(gè)路由路徑，我們將在稍后討論。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )具有更靈活的布局，更有可能繞過(guò)射頻障礙物。 

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )：全網(wǎng)狀和部分網(wǎng)狀拓撲

在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中，一個(gè)節點(diǎn)可以直接與多個(gè)其他節點(diǎn)通信。 

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )有兩種類(lèi)型：全網(wǎng)狀和部分網(wǎng)狀。

在全網(wǎng)狀拓撲中，每個(gè)節點(diǎn)都可以與網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)其他節點(diǎn)直接通信。

在部分網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中，如圖 2 所示，每個(gè)節點(diǎn)可以直接連接到網(wǎng)絡(luò )中的一個(gè)或多個(gè)其他節點(diǎn)，但不一定連接到網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)其他節點(diǎn)。 

圖 2. 部分網(wǎng)絡(luò )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(lái)擴展網(wǎng)絡(luò )范圍，我們將在下面討論。 

在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)可以充當中繼器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )路由數據。結果，每?jì)蓚€(gè)節點(diǎn)之間有幾條不同的路徑。這種冗余提高了網(wǎng)絡(luò )彈性；如果一條路徑發(fā)生故障，則可以使用替代路徑通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳播數據。  

由于節點(diǎn)能夠充當中繼器，因此不在彼此直接無(wú)線(xiàn)電范圍內的節點(diǎn)仍然可以通過(guò)路由器節點(diǎn)進(jìn)行通信。這是物聯(lián)網(wǎng)應用中網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的主要優(yōu)勢，因為它允許用戶(hù)將網(wǎng)絡(luò )范圍擴展到單個(gè)無(wú)線(xiàn)電之外。

缺點(diǎn)是通信的多跳特性會(huì )增加通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳播數據包的延遲。

跳數，因此，網(wǎng)絡(luò )延遲是數據包通過(guò)的路由器數量的函數。這使得評估網(wǎng)絡(luò )性能比簡(jiǎn)單的結構（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(wù)質(zhì)量 (QoS) 指標：在指定時(shí)間段（例如 300 毫秒）內到達最終目的地的傳輸數據包的比率。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的路由節點(diǎn)應該實(shí)現一些路由算法以有效地將數據包傳遞到目的地。為了實(shí)現這些路由功能，路由節點(diǎn)應該有更多的處理能力和內存，這增加了這些節點(diǎn)的復雜性和成本。    

星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀拓撲的 Zigbee 協(xié)議

Zigbee 是一種開(kāi)放的全球標準，旨在滿(mǎn)足低成本、低功耗無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的需求。

Zigbee 基于 IEEE 802.15.4 鏈路層，可在 2.4 GHz、900 MHz 和 868 MHz 等非授權頻段運行。ZigBee 支持星形、樹(shù)形和網(wǎng)狀拓撲。

典型的 Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )如圖 3 所示。

圖 3。Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的示例。

Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中的無(wú)線(xiàn)電扮演著(zhù)不同的角色。節點(diǎn)可以是協(xié)調器、路由器或終端設備。協(xié)調器設置網(wǎng)絡(luò )并允許路由器和終端設備加入網(wǎng)絡(luò )。除了創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )之外，協(xié)調器還負責管理網(wǎng)絡(luò )的安全性。 

路由器節點(diǎn)總是在監聽(tīng)路由它們通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接收到的信息。這些節點(diǎn)通常由電源供電。

最后，終端設備是不路由信息的節點(diǎn)。這些設備保持在睡眠模式以節省電量，并且僅短暫?jiǎn)拘岩暂喸?xún)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點(diǎn)。

Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )可以自動(dòng)配置自身（自形成）。

此外，當節點(diǎn)離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )或發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò )可以根據節點(diǎn)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(luò )在不斷變化的條件下的穩定性。