星型與網狀網絡拓撲：物聯網無線連接基礎

2022-03-22

星型與網狀網絡拓撲：物聯網無線連接基礎

星形網絡和網狀網絡是物聯網無線網絡的兩種基本架構。

隨著藍牙網狀網絡最近獲得關注，網狀網絡在未來幾年可能會變得更加普遍，尤其是在數千個物聯網節點必須跨地理大區域進行通信的應用中。網狀網絡可以促進樓宇自動化、能源管理、工業自動化和資產管理等應用。 

為了突出網狀網絡的優點和局限性，本文深入討論了星形和網狀拓撲的基本特征。然后以典型的 Zigbee 網狀網絡為例。 

選擇合適的物聯網無線網絡解決方案

物聯網應用有幾種不同的無線連接解決方案?？紤]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網應用的要求可能非常具有挑戰性。

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

網絡拓撲——傳感器、執行器和網關節點如何排列或相互連接——是影響網絡性能的另一個重要因素。

物聯網無線網絡的兩種基本架構是星形連接和網狀連接。 

星型拓撲的優缺點

星型拓撲如圖 1 所示。

圖 1. 起始地形的高級表示。

星形網絡由所有其他節點連接到的中央集線器組成。節點通過中心集線器相互通信，在大多數情況下，中心集線器也是通往互聯網的網關。

家庭 Wi-Fi 網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絡中的路由器，也可以作為互聯網網關。 

由于集線器負責沿星形網絡分發數據包，因此消息可以通過單個“跳”（節點與集線器之間的數據傳輸）或兩個“跳”（兩個節點之間的數據傳輸）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絡。

另一個優點是基于星型拓撲的物聯網網絡可以輕松識別和隔離故障節點，因為每個節點都有自己與集線器的單獨連接。

然而，由于數據包必須通過中央節點，網絡存在單點故障。如果中心節點發生故障，整個網絡將不復存在。

無線星形連接的另一個主要限制是所有節點都應該在中央節點的直接無線電范圍內。這限制了網絡的物理大小。 

此外，星形網絡不具備繞過射頻障礙物或射頻干擾高的環境的靈活性。

網狀網絡并非如此，它通常在每兩個節點之間包含多個路由路徑，我們將在稍后討論。網狀網絡具有更靈活的布局，更有可能繞過射頻障礙物。 

網狀網絡：全網狀和部分網狀拓撲

在網狀網絡中，一個節點可以直接與多個其他節點通信。 

網狀網絡有兩種類型：全網狀和部分網狀。

在全網狀拓撲中，每個節點都可以與網絡中的每個其他節點直接通信。

在部分網狀網絡中，如圖 2 所示，每個節點可以直接連接到網絡中的一個或多個其他節點，但不一定連接到網絡中的每個其他節點。 

圖 2. 部分網絡網格的高級表示。

物聯網應用程序通常使用部分網狀拓撲來擴展網絡范圍，我們將在下面討論。 

在網狀網絡中，節點可以充當中繼器，通過網絡路由數據。結果，每兩個節點之間有幾條不同的路徑。這種冗余提高了網絡彈性；如果一條路徑發生故障，則可以使用替代路徑通過網絡傳播數據。  

由于節點能夠充當中繼器，因此不在彼此直接無線電范圍內的節點仍然可以通過路由器節點進行通信。這是物聯網應用中網狀網絡的主要優勢，因為它允許用戶將網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絡傳播數據包的延遲。

跳數，因此，網絡延遲是數據包通過的路由器數量的函數。這使得評估網絡性能比簡單的結構（如上面討論的星形拓撲）更復雜。

在這種情況下，可以使用服務質量 (QoS) 指標：在指定時間段（例如 300 毫秒）內到達最終目的地的傳輸數據包的比率。

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

星型、樹型和網狀拓撲的 Zigbee 協議

Zigbee 是一種開放的全球標準，旨在滿足低成本、低功耗無線物聯網網絡的需求。

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

典型的 Zigbee 網狀網絡如圖 3 所示。

圖 3。Zigbee 網狀網絡的示例。

Zigbee 網狀網絡中的無線電扮演著不同的角色。節點可以是協調器、路由器或終端設備。協調器設置網絡并允許路由器和終端設備加入網絡。除了創建網絡之外，協調器還負責管理網絡的安全性。 

路由器節點總是在監聽路由它們通過網絡接收到的信息。這些節點通常由電源供電。

最后，終端設備是不路由信息的節點。這些設備保持在睡眠模式以節省電量，并且僅短暫喚醒以輪詢其父母并接收已發送給他們的消息。

終端設備通常是電池供電的節點。

Zigbee 網狀網絡可以自動配置自身（自形成）。

此外，當節點離開網絡或發生故障時，網絡可以根據節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絡在不斷變化的條件下的穩定性。