無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡析

成都億佰特

拓?fù)湟辉~源自幾何學(xué)，原意是指研究幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的一些性質(zhì)的一個(gè)學(xué)科。它只考慮物體間的位置關(guān)系而不考慮它們的形狀和大小。而我們耳熟能詳?shù)木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑒t描述的是網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)之間如何相互連接和通信。

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)由許多不同類型的設(shè)備組成，比如路由器、智能手機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)和智能燈泡等，網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)設(shè)備都被稱為“節(jié)點(diǎn)”。

選擇合適的網(wǎng)絡(luò)布局對于系統(tǒng)的高效運(yùn)行至關(guān)重要。對于無線網(wǎng)絡(luò)，這是高度相關(guān)的，因?yàn)樗�與延遲、功率、速度和冗余等因素息息相關(guān)。

簡單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>

目前業(yè)界存在多種不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌�每種拓?fù)涠季哂胁煌�的�?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

最簡單的網(wǎng)絡(luò)是點(diǎn)對點(diǎn)的，它能在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立單一網(wǎng)絡(luò)連接。實(shí)際上，除了某些關(guān)鍵或特殊應(yīng)用之外，現(xiàn)在已經(jīng)很少有使用這種單對單連接應(yīng)用了。一個(gè)現(xiàn)代的示例是通過藍(lán)牙進(jìn)行的即席(ad-hoc)連接，用于蘋果的Airdrop文件共享服務(wù)或者模型飛機(jī)等物品的遠(yuǎn)程控制等。

在網(wǎng)絡(luò)增添更多節(jié)點(diǎn)的最簡單方法是使用菊花鏈接，它有兩種形式：線性和環(huán)形。線性菊花鏈?zhǔn)菍⒌谌齻�(gè)節(jié)點(diǎn)連接到現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)之一，第四個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到第三個(gè)節(jié)點(diǎn)，依此類推。這種方法便于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的加入，但隨著添加更多的節(jié)點(diǎn)，延時(shí)和低容錯(cuò)對網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠將造成極大挑戰(zhàn)。在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，第三個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)連接到兩個(gè)現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)其他節(jié)點(diǎn)添加在兩個(gè)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)之間，以創(chuàng)建環(huán)路。每個(gè)節(jié)點(diǎn)恰好連接到另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)在一個(gè)方向或兩個(gè)方向上圍繞環(huán)形傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)檢查數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行操作，或者重新傳輸直到它到達(dá)目的地。菊花鏈可用于為連接設(shè)備(比如智能燈泡)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，但對于大多數(shù)用例，都有其它更好的解決方案。

用于擴(kuò)大規(guī)模的解決方案

▶一旦我們向網(wǎng)絡(luò)增添了大量的節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)對點(diǎn)和菊花鏈就變得效率低下。如果位于1,000個(gè)節(jié)點(diǎn)環(huán)形的兩側(cè)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)想要通信，那么它們的數(shù)據(jù)必須首先通過500個(gè)其他節(jié)點(diǎn)。菊花鏈也容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，因?yàn)閱蝹�(gè)故障節(jié)點(diǎn)可能會(huì)導(dǎo)致大量中斷，甚至在最壞的情況下會(huì)導(dǎo)致消息根本無法通過。

▶在總線拓?fù)渲校�我們將所有的設(shè)備連接到中央主干(稱為總線)，這類似于線性拓?fù)洌�但是具有帶著多個(gè)單一分支的單一線路。這是有線網(wǎng)絡(luò)中的常見拓?fù)洌琑S232/485、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?fù)洹?/p>

▶雖然了解上述這些拓?fù)浞浅Ｖ匾�，但在現(xiàn)代無線生態(tài)系統(tǒng)中，這些拓?fù)渚�不常見。現(xiàn)在，我們將去了解無線網(wǎng)絡(luò)中常見的架構(gòu)。

無線網(wǎng)絡(luò)的星形拓?fù)?/p>

▶目前對無線網(wǎng)絡(luò)最有用的拓?fù)涫切切瓮負(fù)洌�其中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都連接到一個(gè)中心集線器，該集線器將數(shù)據(jù)分發(fā)到任何需要到達(dá)的位置。最明顯的示例是家庭網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)(電話、打印機(jī)、平板電腦等)都連接到無線接入點(diǎn)(集線器)，這通常既是本地網(wǎng)絡(luò)的路由器，也是到互聯(lián)網(wǎng)的橋梁。星形網(wǎng)絡(luò)非常適合同時(shí)無縫連接有線和無線節(jié)點(diǎn)。這是實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的一種簡單方法，但它存在兩個(gè)主要難題。一時(shí)處于系統(tǒng)中心的集線器是單一故障點(diǎn)。如果集線器發(fā)生故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將不再存在，導(dǎo)致設(shè)備根本無法通信。此外，星形拓?fù)渲械脑O(shè)備均必須位于集線器的一定距離內(nèi)。

▶為了增加彈性，以及通信范圍，我們需要更聰明的點(diǎn)子。

Mesh網(wǎng)絡(luò)

▶Mesh網(wǎng)絡(luò)有兩種類型，完整的和部分的。在完整的Mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)直接連接到每個(gè)其他節(jié)點(diǎn)，這對彈性很有幫助，但無法增加通信范圍。這種網(wǎng)絡(luò)僅僅在必須實(shí)現(xiàn)100％冗余的軍事網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。另一方面，部分Mesh網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都連接到一個(gè)或多個(gè)其他節(jié)點(diǎn)，連接到多個(gè)其他節(jié)點(diǎn)增加了彈性，因?yàn)闆]有了單點(diǎn)傳輸失敗。同時(shí)，它還擴(kuò)大了有效通信范圍，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)A可能與節(jié)點(diǎn)C不在直接通信范圍內(nèi)，但是消息可以通過節(jié)點(diǎn)B來傳輸。

▶Mesh網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)中的最大發(fā)展領(lǐng)域，理論上允許無限的設(shè)備跨越無限的距離來連接。使用Mesh網(wǎng)絡(luò)，具有彈性的智能家居、智能企業(yè)和智能城市成為現(xiàn)實(shí)。

混合網(wǎng)絡(luò)

▶如今，使用單一網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞氖纠龑?shí)際上越來越少。大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)都是結(jié)合了一種或多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合體。

▶樹形網(wǎng)絡(luò)是在一個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)上將多個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)連接在一起。當(dāng)存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)集群(例如在WAN網(wǎng)絡(luò)中)時(shí)，通常會(huì)使用此種方法。在這種情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到路由器以形成星形網(wǎng)絡(luò)，然后將各個(gè)路由器連接在一起，在它們之間創(chuàng)建總線連接。這也可以通過雪片(Snowflake)網(wǎng)絡(luò)完成，該網(wǎng)絡(luò)將多個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)連接到單一中心節(jié)點(diǎn)，有如星形的星星(Star of Stars)。

▶互聯(lián)網(wǎng)是終級的混合網(wǎng)絡(luò)，它包括許多每種類型的單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)，其中，總線、星形、環(huán)形和Mesh網(wǎng)絡(luò)都組合在一起。

標(biāo)準(zhǔn)化

加快Mesh網(wǎng)絡(luò)部署的關(guān)鍵是標(biāo)準(zhǔn)化。由于目前Mesh領(lǐng)域中的參與廠商急于通過業(yè)界對Mesh網(wǎng)絡(luò)的需求來獲利，很多都定義了自家的Mesh組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，盡管我們可能會(huì)看到市場上存在一個(gè)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，但是，許多不同的標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)在這個(gè)細(xì)分市場中共存。

目前的智能家居可能存在來自一家供應(yīng)商的Mesh網(wǎng)絡(luò)燈泡和來自其他供應(yīng)商的加熱控制Mesh網(wǎng)絡(luò)，這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)都連接到常規(guī)的星形網(wǎng)絡(luò)，允許用戶通過智能手機(jī)來控制它們。顯然，這種方案是低效的，從長遠(yuǎn)來看對大家都沒有好處。

業(yè)界的主要目標(biāo)是建立標(biāo)準(zhǔn)的Mesh網(wǎng)絡(luò)，所有的節(jié)點(diǎn)，無論是智能手機(jī)、筆記本電腦、燈泡還是傳感器，都可以加入其中。在這個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)之前還有一段路要走，不過，如果一旦實(shí)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)將能夠發(fā)揮真正的潛力。