无线网络拓扑结构简析

拓扑一词源自几何学,原意是指研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的一个学科。它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。而我们耳熟能详的网络拓扑,则描述的是网络中不同节点之间如何相互连接和通信。

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现代网络由许多不同类型的设备组成,比如路由器、智能?#21482;?#34013;?#34013;?#26426;和智能灯泡等,网络?#31995;?#27599;个设备都被称为“节点”。

选择合适的网络布局对于系统的高效运行至关重要。对于无线网络,这是高度相关?#27169;?#22240;为它与延迟、功率、速度和冗余等因素息息相关。

简单的网络拓扑

目前业界存在多种不同网络拓扑,每种拓扑都具有不同的优点和缺点。

最简单的网络是点对点?#27169;?#23427;能在两个节点之间建立单一网络连接。实际上,除了某些关键或特殊应用之外,现在已经很少有使用这种单对单连接应用了。一个现代的示例是通过蓝牙进行的即席(ad-hoc)连接,用于?#36824;?#30340;Airdrop文件共享服务或者模型飞机等物品的远程控?#39057;取?/span>

在网络增添更多节点的最简单方法是使用菊花链接,它有两?#20013;问劍?#32447;性和环形。线性菊花?#35789;?#23558;第三个节点连接到现有节点之一,第四个节点连接到第三个节点,依此类推。这种方法便于网络中节点的加入,但随着添加更多的节点,延时和低容错对网络的稳定可靠将造成极大挑战。在环形网络中,第三个节点同时连接到两个现有的节点,每个其他节点添加在两个现有节点之间,以创建环路。每个节点恰好连接到另外两个节点。数据在一个方向或两个方向上围?#33529;?#24418;传输,每个节点检查数据并对其进行操作,或者重新传输直到它到达目的地。菊花链可用于为连接设备(比如智能灯泡)创建网络,但对于大多数用例,?#21152;?#20854;它更好的解决方案。

用于扩大规模的解决方案

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?一旦我们向网络增添了大量的节点,点对点和菊花链就变得效率低下。如果位于1,000个节点环形的两侧的两个节点想要通信,那么它们的数据必须首先通过500个其他节点。菊花链也容易出现错误,因为单个故障节点可能会导致大量中断,甚至在最坏的情况下会导致消息根本无法通过。

?在总线拓扑中,我们将所有的设备连接到中央主干(称为总线),这类似于线性拓扑,但是具有带着多个单一分支的单一线路。这是有线网络中的常见拓扑,RS232/485、CAN通信均属于这一类型,但在无线世界中没有任何真正类?#39057;?#25299;扑。

?虽然了解上述这些拓扑非常重要,但在现代无线生态系统中,这些拓扑均不常见。现在,我们将去了解无线网络中常见的架构。

无线网络的星形拓扑

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?目前对无线网络最有用的拓扑是星形拓扑,其中,每个节点都连接到一个中心集线器,该集线器将数据分发到任何需要到达的位置。最明显的示例是家庭网络,所有节点(电话、打印机、平板电脑等)都连接到无线接入点(集线器),这通常既是本地网络的路由器,也是到互联网的桥梁。星形网络非常适合同时无缝连接有线和无线节点。这是实现无线网络的一种简单方法,但它存在两个主要难题。一时处于系统中心的集线器是单一故?#31995;恪?#22914;果集线器发生故障,整个网络将不再存在,导致设备根本无法通信。此外,星形拓扑中的设备均必须位于集线器的一定距离内。

?为了增加弹性,以及通信范围,我们需要更聪明的点?#21360;?/span>

Mesh网络

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?Mesh网络有两种类型,完整的和部分的。在完整的Mesh网络中,每个节点直接连接到每个其他节点,这对弹性很有帮助,但无法增加通信范围。这种网络仅仅在必须实现100%冗余的军事网络等应用中实现。另一方面,部分Mesh网络的每个节点都连接到一个或多个其他节点,连接到多个其他节点增加了弹性,因为没有了单点传输失败。同?#20445;?#23427;还扩大了有效通信范围,因为节点A可能与节点C不在直接通信范围内,但是消息可以通过节点B来传输。

?Mesh网络是物联网中的最大发展领域,理论上允许无限的设备跨越无限的距离来连接。使用Mesh网络,具有弹性的智能家?#21360;?#26234;能企业和智能城市成为?#36136;怠?/span>

混合网络

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?如今,使用单一网络拓扑的示例实际上越来越少。大多数网络都是结合了一种或多种不同的拓扑结构的混合体。

?树形网络是在一个总线网络上将多个星形网络连接在一起。当存在多个节点集群(例如在WAN网络中)?#20445;?#36890;常会使用此种方法。在这?#26234;?#20917;下,每个节点连接到路由器以形成星形网络,然后将各个路由器连接在一起,在它们之间创建总线连接。这也可以通过雪片(Snowflake)网络完成,该网络将多个星形网络连接到单一中心节点,有如星形的星星(Star of Stars)。

?互联网是终级的混合网络,它包括许多每种类型的单独网络,其中,总线、星形、环形和Mesh网络都组合在一起。

标准化

加快Mesh网络部署的关键是标准化。由于目前Mesh领域中的参与厂商急于通过业界对Mesh网络的需求来获利,很多都定义了自?#19994;腗esh组网标准,尽管我们可能会看到市场上存在一个实施标准,但是,许多不同的标?#23478;不?#22312;这个细?#36136;?#22330;中共存。

目前的智能家居可能存在来自一家供应商的Mesh网络灯泡和来自其他供应商的加热控制Mesh网络,这两个网络都连接到常规的星形网络,允许用户通过智能?#21482;?#26469;控?#25169;?#20204;。显然,这种方案是低效?#27169;?#20174;长远来看?#28304;?#23478;都没有好处。

业界的主要目标是建立标准的Mesh网络,所有的节点,无论是智能?#21482;?#31508;记本电脑、灯泡还是传感器,都可以加入其中。在这个目标实现之前还有一段路要走,?#36824;?#22914;果一旦实现,物联网将能?#29615;?#25381;真正的潜力。


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