乾貨:無線網路拓撲
選擇最合適的網路佈局對於任何系統的高效執行至關重要。對於無線網路,這是高度相關的,因為它與延遲、功率、速度和冗餘等因素息息相關。
現代網路由許多不同型別的裝置組成,比如路由器、智慧手機、藍芽耳機和智慧燈泡,網路上的每個裝置都被稱為“節點”。
網路拓撲描述了網路中不同節點如何相互連線和通訊。
簡單的網路拓撲
業界存在許多種網路拓撲,每種拓撲都具有不同的優點和缺點。
最簡單的網路是點對點的。這是兩個節點之間的單一網路連線。實際上,除了某些關鍵或特殊應用之外,現在很少需要僅僅連線兩個節點。一個現代的示例是通過藍芽進行的即席(ad-hoc)連線,用於蘋果的Airdrop檔案共享服務或者模型飛機等物品的遠端控制等。
在網路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。
線性菊花鏈是將第三個節點連線到現有節點之一,第四個節點連線到第三個節點,依此類推。這是一種簡單的方法,但隨著新增更多的節點,這種方法很快變得不切實際了。
在環形網路中,第三個節點同時連線到兩個現有的節點,每個其他節點新增在兩個現有節點之間,以建立環路。每個節點恰好連線到另外兩個節點。資料在一個方向或兩個方向上圍繞環形傳輸,每個節點檢查資料並對其進行操作,或者重新傳輸直到它到達目的地。
菊花鏈可用於為連線裝置(比如智慧燈泡)建立網路,但對於大多數用例,都有其它更好的解決方案。
用於擴大規模的解決方案
一旦我們向網路增添了大量的節點,點對點和菊花鏈就變得效率低下。如果位於1,000個節點環形的兩側的兩個節點想要通訊,那麼它們的資料必須首先通過500個其他節點。菊花鏈也容易出現錯誤,因為單個故障節點可能會導致大量中斷,並且在最壞的情況下會導致訊息根本無法通過。
在匯流排拓撲中,我們將所有的裝置連線到中央主幹(稱為匯流排),這類似於線性拓撲,但是具有帶著多個單一分支的單一線路。這是有線網路中的常見拓撲,但在無線世界中沒有任何真正類似的拓撲。
雖然瞭解上述這些拓撲非常重要,但在現代無線生態系統中,這些拓撲均不常見。現在,我們將去了解更常見的架構。
無線網路的星形拓撲
目前對無線網路最有用的拓撲是星形拓撲,其中,每個節點都連線到一箇中心集線器,該集線器將資料分發到任何需要到達的位置。
最明顯的示例是家庭網路,所有節點(電話、印表機、平板電腦等)都連線到無線接入點(集線器),這通常既是本地網路的路由器,也是到網際網路的橋樑。星形網路非常適合同時無縫連線有線和無線節點。
這是實現無線網路的一種簡單方法,但它存在兩個主要難題。處於系統中心的集線器是單一故障點。如果集線器發生故障,整個網路將不再存在,導致裝置根本無法通訊。此外,星形拓撲中的裝置均必須位於集線器的一定距離內。
為了增加彈性,以及通訊範圍,我們需要更聰明的點子。
Mesh網路
Mesh網路有兩種型別,完整的和部分的。在完整的Mesh網路中,每個節點直接連線到每個其他節點,這對彈性很有幫助,但無法增加通訊範圍。這些網路僅僅在100%冗餘是必不可少的軍事網路等應用中實現。
另一方面,部分Mesh網路的每個節點都連線到一個或多個其他節點。連線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,它還改善了通訊範圍,因為節點A可能與節點C不在直接通訊範圍內,但是訊息仍然可以通過節點B來傳輸。
Mesh網路是物聯網中的最大發展領域,它們理論上允許無限的裝置跨越無限的距離來連線。使用Mesh網路,具有彈性的智慧家居、智慧企業和智慧城市變成為現實。
混合網路
如今,使用單一網路拓撲的示例實際上越來越少。大多數網路都是結合了一種或多種不同的拓撲結構的混合體。
樹形網路是在一個匯流排網路上將多個星形網路連線在一起。當存在多個節點叢集(例如在WAN網路中)時,通常會使用此種方法。在這種情況下,每個節點連線到路由器以形成星形網路,然後將各個路由器連線在一起,在它們之間建立匯流排連線。這也可以通過雪片(Snowflake)網路完成,該網路將多個星形網路連線到單一中心節點,有如星形的星星(Star of Stars)。
網際網路是終級的混合網路,它包括許多每種型別的單獨網路,其中,匯流排、星形、環形和Mesh網路都組合在一起。
標準化
增加Mesh網路採用的關鍵是標準化。由於Mesh領域中的參與廠商急於通過業界對Mesh網路的需求來獲利,因此通常會出現多種標準。儘管我們可能會看到市場上出現一個事實標準,但是,許多不同的標準將會在這個細分市場中共存。
目前的智慧家居可能存在來自一家供應商的Mesh網路燈泡和來自其他供應商的加熱控制Mesh網路,這兩個網路都連線到常規的星形網路,允許使用者通過智慧手機來控制它們。顯然,這種方案是低效的,從長遠來看對大家都沒有好處。
業界的主要目標是建立標準的Mesh網路,所有的節點,無論是智慧手機、膝上型電腦、燈泡還是感測器,都可以加入其中。在這個目標實現之前還有一段路要走,不過,如果一旦實現,物聯網將能夠發揮真正的潛力。