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無線網絡拓撲結構簡析

拓撲一詞源自幾何學,原意是指研究幾何圖形或空間在連續改變形狀後還能保持不變的一些性質的一個學科。它隻考慮物體間的位置關系而不考慮它們的形狀和大小。而我們耳熟能詳的網絡拓撲,則描述的是網絡中不同節點之間如何互相連接配接和通信。

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無線網絡拓撲結構簡析

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現代網絡由許多不同類型的裝置組成,比如路由器、智能手機、藍牙耳機和智能燈泡等,網絡上的每個裝置都被稱為“節點”。

選擇合适的網絡布局對于系統的高效運作至關重要。對于無線網絡,這是高度相關的,因為它與延遲、功率、速度和備援等因素息息相關。

簡單的網絡拓撲

目前業界存在多種不同網絡拓撲,每種拓撲都具有不同的優點和缺點。

最簡單的網絡是點對點的,它能在兩個節點之間建立單一網絡連接配接。實際上,除了某些關鍵或特殊應用之外,現在已經很少有使用這種單對單連接配接應用了。一個現代的示例是通過藍牙進行的即席(ad-hoc)連接配接,用于蘋果的Airdrop檔案共享服務或者模型飛機等物品的遠端控制等。

在網絡增添更多節點的最簡單方法是使用菊花連結,它有兩種形式:線性和環形。線性菊花鍊是将第三個節點連接配接到現有節點之一,第四個節點連接配接到第三個節點,依此類推。這種方法便于網絡中節點的加入,但随着添加更多的節點,延時和低容錯對網絡的穩定可靠将造成極大挑戰。在環形網絡中,第三個節點同時連接配接到兩個現有的節點,每個其他節點添加在兩個現有節點之間,以建立環路。每個節點恰好連接配接到另外兩個節點。資料在一個方向或兩個方向上圍繞環形傳輸,每個節點檢查資料并對其進行操作,或者重新傳輸直到它到達目的地。菊花鍊可用于為連接配接裝置(比如智能燈泡)建立網絡,但對于大多數用例,都有其它更好的解決方案。

用于擴大規模的解決方案

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無線網絡拓撲結構簡析

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▶一旦我們向網絡增添了大量的節點,點對點和菊花鍊就變得效率低下。如果位于1,000個節點環形的兩側的兩個節點想要通信,那麼它們的資料必須首先通過500個其他節點。菊花鍊也容易出現錯誤,因為單個故障節點可能會導緻大量中斷,甚至在最壞的情況下會導緻消息根本無法通過。

▶在總線拓撲中,我們将所有的裝置連接配接到中央主幹(稱為總線),這類似于線性拓撲,但是具有帶着多個單一分支的單一線路。這是有線網絡中的常見拓撲,RS232/485、CAN通信均屬于這一類型,但在無線世界中沒有任何真正類似的拓撲。

▶雖然了解上述這些拓撲非常重要,但在現代無線生态系統中,這些拓撲均不常見。現在,我們将去了解無線網絡中常見的架構。

無線網絡的星形拓撲

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無線網絡拓撲結構簡析

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▶目前對無線網絡最有用的拓撲是星形拓撲,其中,每個節點都連接配接到一個中心集線器,該集線器将資料分發到任何需要到達的位置。最明顯的示例是家庭網絡,所有節點(電話、列印機、平闆電腦等)都連接配接到無線接入點(集線器),這通常既是本地網絡的路由器,也是到網際網路的橋梁。星形網絡非常适合同時無縫連接配接有線和無線節點。這是實作無線網絡的一種簡單方法,但它存在兩個主要難題。一時處于系統中心的集線器是單一故障點。如果集線器發生故障,整個網絡将不再存在,導緻裝置根本無法通信。此外,星形拓撲中的裝置均必須位于集線器的一定距離内。

▶為了增加彈性,以及通信範圍,我們需要更聰明的點子。

Mesh網絡

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無線網絡拓撲結構簡析

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▶Mesh網絡有兩種類型,完整的和部分的。在完整的Mesh網絡中,每個節點直接連接配接到每個其他節點,這對彈性很有幫助,但無法增加通信範圍。這種網絡僅僅在必須實作100%備援的軍事網絡等應用中實作。另一方面,部分Mesh網絡的每個節點都連接配接到一個或多個其他節點,連接配接到多個其他節點增加了彈性,因為沒有了單點傳輸失敗。同時,它還擴大了有效通信範圍,因為節點A可能與節點C不在直接通信範圍内,但是消息可以通過節點B來傳輸。

▶Mesh網絡是物聯網中的最大發展領域,理論上允許無限的裝置跨越無限的距離來連接配接。使用Mesh網絡,具有彈性的智能家居、智能企業和智能城市成為現實。

混合網絡

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無線網絡拓撲結構簡析

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▶如今,使用單一網絡拓撲的示例實際上越來越少。大多數網絡都是結合了一種或多種不同的拓撲結構的混合體。

▶樹形網絡是在一個總線網絡上将多個星形網絡連接配接在一起。當存在多個節點叢集(例如在WAN網絡中)時,通常會使用此種方法。在這種情況下,每個節點連接配接到路由器以形成星形網絡,然後将各個路由器連接配接在一起,在它們之間建立總線連接配接。這也可以通過雪片(Snowflake)網絡完成,該網絡将多個星形網絡連接配接到單一中心節點,有如星形的星星(Star of Stars)。

▶網際網路是終級的混合網絡,它包括許多每種類型的單獨網絡,其中,總線、星形、環形和Mesh網絡都組合在一起。

标準化

加快Mesh網絡部署的關鍵是标準化。由于目前Mesh領域中的參與廠商急于通過業界對Mesh網絡的需求來獲利,很多都定義了自家的Mesh組網标準,盡管我們可能會看到市場上存在一個實施标準,但是,許多不同的标準也會在這個細分市場中共存。

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