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干货:无线网络拓扑

时间:2019-02-26 作者:Kristoffer Rist Skøien 阅读:
选择最合适的网络布局对于任何系统的高效运行至关重要。对于无线网络,这是高度相关的,因为它与延迟、功率、速度和冗余等因素息息相关。
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选择最合适的网络布局对于任何系统的高效运行至关重要。对于无线网络,这是高度相关的,因为它与延迟、功率、速度和冗余等因素息息相关。3fsEETC-电子工程专辑

现代网络由许多不同类型的设备组成,比如路由器、智能手机、蓝牙耳机和智能灯泡,网络上的每个设备都被称为“节点”。3fsEETC-电子工程专辑

网络拓扑描述了网络中不同节点如何相互连接和通信。3fsEETC-电子工程专辑

简单的网络拓扑

业界存在许多种网络拓扑,每种拓扑都具有不同的优点和缺点。3fsEETC-电子工程专辑

最简单的网络是点对点的。这是两个节点之间的单一网络连接。实际上,除了某些关键或特殊应用之外,现在很少需要仅仅连接两个节点。一个现代的示例是通过蓝牙进行的即席(ad-hoc)连接,用于苹果的Airdrop文件共享服务或者模型飞机等物品的远程控制等。3fsEETC-电子工程专辑

在网络增添更多节点的最简单方法是使用菊花链接,它有两种形式:线性和环形。3fsEETC-电子工程专辑

线性菊花链是将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。这是一种简单的方法,但随着添加更多的节点,这种方法很快变得不切实际了。3fsEETC-电子工程专辑

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绕环形传输,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。3fsEETC-电子工程专辑

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,都有其它更好的解决方案。3fsEETC-电子工程专辑

用于扩大规模的解决方案

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,并且在最坏的情况下会导致消息根本无法通过。3fsEETC-电子工程专辑

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,但在无线世界中没有任何真正类似的拓扑。3fsEETC-电子工程专辑

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,我们将去了解更常见的架构。3fsEETC-电子工程专辑

无线网络的星形拓扑

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。3fsEETC-电子工程专辑

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。3fsEETC-电子工程专辑

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。处于系统中心的集线器是单一故障点。如果集线器发生故障,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。3fsEETC-电子工程专辑

为了增加弹性,以及通信范围,我们需要更聪明的点子。3fsEETC-电子工程专辑

Mesh网络

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。这些网络仅仅在100%冗余是必不可少的军事网络等应用中实现。3fsEETC-电子工程专辑

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。同时,它还改善了通信范围,因为节点A可能与节点C不在直接通信范围内,但是消息仍然可以通过节点B来传输。3fsEETC-电子工程专辑

Mesh网络是物联网中的最大发展领域,它们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,具有弹性的智能家居、智能企业和智能城市变成为现实。3fsEETC-电子工程专辑

混合网络

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。3fsEETC-电子工程专辑

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)时,通常会使用此种方法。在这种情况下,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)。3fsEETC-电子工程专辑

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。3fsEETC-电子工程专辑

标准化

增加Mesh网络采用的关键是标准化。由于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,因此通常会出现多种标准。尽管我们可能会看到市场上出现一个事实标准,但是,许多不同的标准将会在这个细分市场中共存。3fsEETC-电子工程专辑

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,允许用户通过智能手机来控制它们。显然,这种方案是低效的,从长远来看对大家都没有好处。3fsEETC-电子工程专辑

业界的主要目标是建立标准的Mesh网络,所有的节点,无论是智能手机、笔记本电脑、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,不过,如果一旦实现,物联网将能够发挥真正的潜力。3fsEETC-电子工程专辑

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