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無線網路拓撲詳解

2019-3-20 09:43| 查看: 169| 评论: 0

現代網路由許多不同類型的設備組成,無論是路由器、智慧型手機、藍牙耳機還是智慧燈泡,網路上的每一設備都稱為一個「節點」,而網路拓撲則描述了網路中不同節點如何互相連接和通訊。
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對於任何系統的高效運作,選擇最合適的網路佈局都是極其重要的。而對於無線網路,這更是關鍵,因為網路佈局與延遲、功率、速度和冗餘等因素息息相關。

現代網路由許多不同類型的設備組成,無論是路由器、智慧型手機、藍牙耳機還是智慧燈泡,網路上的每一設備都稱為一個「節點」。

網路拓撲描述了網路中不同節點如何互相連接和通訊。

簡單的網路拓撲

市面上有許多網路拓撲,每種拓撲具有不同的優點和缺點。

最簡單的是點對點的網路。這是兩個節點之間的單一網路連接。實際上,除了某些關鍵或特殊應用之外,現在只需要連接兩個節點的情況很少。一個現代的例子是透過藍牙進行的ad-hoc連接,它可用於蘋果的Airdrop檔案分享服務或者模型飛機等裝置的遠端控制等。

要在網路中加進更多節點時,使用菊鏈(daisy-chaining)是最簡單方法,它有兩種形式:線形(Linear)和環狀(Ring)。

線形菊鏈可將第三個節點連接到現有節點之一,第四個節點連接到第三個節點,依此類推。這是一種簡單的方法,但隨著加進更多的節點,這種方法很快地就會變得不切實際。

在環狀網路中,第三個節點同時連接到兩個現有的節點。要再增加更多節點時,可以在兩個現有節點之間加入另一個節點,以建立一個迴路。每個節點恰好連接到另外兩個節點。資料以單一方向或雙向繞著該環進行傳送,每個節點檢查資料並對其進行操作,或者重新傳送,直到資料到達目的地。

菊鏈可為連接設備(比如智慧燈泡)建立網路,但對於大多數的使用案例,則還有更好的解決方案。

用於擴大規模的解決方案

一旦要在網路中加進大量的節點,則點對點和菊鏈就會變得效率不彰。如果位於1,000個節點環狀兩側的兩個節點想要通訊,那麼它們的資料必須先通過500個其他節點。菊鏈也容易出現錯誤,因為只要一個節點故障,便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,可將所有的設備連接到中央主幹(稱為匯流排),這與線性拓撲類似,但它是單一線路帶著多個單一的分支。這是有線網路中常見的拓撲,但在無線世界中沒有任何真實類似安排的拓撲。

雖然瞭解這些拓撲非常重要,但在現代無線生態系統中,這些拓撲均不常見。接下來,將介紹一些較常見的架構。

無線網路星狀拓撲

星狀拓撲是目前對無線網路最有用的拓撲,其中,每個節點都連接到一個中心集線器,再由該集線器將資料分送到它該去的位置。

家用網路是最顯著的例子,所有節點(電話、印表機、平板電腦等)都連接到無線接入點(集線器),它通常既是本地網路的路由器,也是連接到網際網路的橋接器,星狀網路非常適合同時無縫連接有線和無線節點。

這是實現無線網路的一種簡單方法,但它有兩個主要的挑戰。首先,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,整個網路就不再存在,導致設備根本無法通訊,星狀拓撲還要求所有設備都要放置於集線器的一定距離內。

為了增加彈性,以及通訊範圍,需要更聰明的點子。

Mesh網路

Mesh網路有兩種類型:完全型(full)和部分型(partial)。在完全型Mesh網路中,每個節點直接連接到所有其他的節點,這對提高彈性很有幫助,但無法擴大通訊範圍。這些網路僅在100%冗餘是不可少的軍事網路等應用中實現。

另一方面,在部分型Mesh網路中,每個節點都連接到一個或多個其他節點。連接到多個其他節點可增加彈性,因為沒有了單點傳輸失敗的情況。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,但是訊息仍然可以透過節點B來傳送。

Mesh網路是物聯網中最大的發展領域,它們理論上可以讓無限的設備跨越無限的距離來連接。利用Mesh網路,將可實現具有彈性的智慧家庭、智慧企業和智慧城市。

混合網路

在今天實際的應用上,使用單一網路拓撲的例子是越來越少了。大多數網路是一種或多種不同拓撲結構的結合,而成為一種混合式的網路。

樹狀網路就是在匯流排網路上將多個星狀網路連接在一起。當有多個節點群集(例如在WAN網路中)時,通常會使用這種方法。在此一情況下,每個節點連接到路由器以形成星狀網路,然後將各個路由器連接在一起,在它們之間形成匯流排連接。這也可以利用雪片狀網路完成,該網路將多個星狀網路連接到單一中心節點,如同一個星狀之星(Star of Stars)。

網際網路是終極的混合網路,它包括每一類型的多個單獨網路,其中,匯流排、星狀、環狀和Mesh網路都結合在一起。

標準化

增加對Mesh網路的採用的關鍵是標準化。由於Mesh領域中的參與廠商急著要利用業界對Mesh網路的需求,因此通常會出現多種標準。儘管可能會看到市場上出現了一個稱霸的主流標準,但是,許多不同的標準將會在這個市場區隔中共存。

目前的智慧家庭可能會有來自一家供應商的Mesh網路燈泡和來自另一家供應商的加熱控制Mesh網路,這兩個網路都連接到常規的星狀網路,以便讓使用者通過智慧型手機來控制它們。顯然,這種方案是沒有效率的,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,無論是智慧型手機、筆記型電腦、燈泡還是感測器,都可以加進到網路之中。在實現這個目標之前,還有一段路要走,不過,如果一旦實現,物聯網就能夠發揮其真正的潛力了。


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