星型与网状网络拓扑：物联网无线连接基础知识

来源：All About Circuits 作者：Dr. Steve Arar

星型（Star）和网状（Mesh）网络是物联网无线网络的两个基本架构。

随着蓝牙Mesh网络最近受到推崇，Mesh网络可能会在未来几年变得更加普遍，特别是物联网节点达到数千个的量级，且在较大的地理区域内进行通信的应用中。Mesh网络可以应用于楼宇自动化、能源管理、工业自动化和资产管理等领域。

为了突出Mesh网络的优势和局限性，本文深入探讨了星型和网状拓扑的基本特征。然后，它以典型的Zigbee Mesh网络为例。在以后的文章中，我们将另外提到蓝牙Mesh网络。

※ 选择合适的物联网无线网络解决方案

物联网应用有几种不同的无线连接解决方案。基于现有的应用数据，选择正确的无线连接解决方案以满足特定的物联网应用要求可能非常具有挑战性。

选择连接方案时，应考虑各种因素，例如范围、数据速率、安全性、功耗和可扩展性。网络拓扑（传感器、执行器和网关节点如何排列或相互连接）是影响网络性能的另一个重要因素。

物联网无线网络的两个基本拓扑结构就是星型连接和网状连接。

※ 星型拓扑的优缺点

星型拓扑如图1所示。

图1.星型拓扑的示意图。 （图片来源：德州仪器）

星型网络由连接所有其他节点的中心集线器组成。节点通过中央集线器相互通信，在大多数情况下，中央集线器也是通往互联网的网关。

家庭Wi-Fi网络是一种常见的星型拓扑，其中手机、平板电脑和打印机都连接到中央集线器（无线接入点）。这个中央集线器既充当本地网络中的路由器，又充当互联网的网关。

由于集线器负责沿星型网络分发数据包，因此消息可以通过单个“跃点”（节点和集线器之间的数据传输）或两个“跃点”（通过集线器的两个节点之间的数据传输）到达其目的地，基于这些特性可以搭建起具有稳定且可预测的性能的快速网络；另一个优点是，基于星型拓扑的物联网网络可以轻松识别和隔离故障节点，因为每个节点都与集线器单独连接。

但是，由于数据包必须通过中心节点，因此网络可能会因为单点而故障，如果中心节点发生故障，整个网络将不复存在；另一个主要限制是所有节点都应在中心节点的直接无线电范围内。这限制了网络的物理大小；此外，星型网络无法灵活地绕过RF障碍物或具有高RF干扰的环境。

网状网络的情况并非如此，网状网络通常在每两个节点之间包含多个路由路径，我们稍后将对此进行讨论。网状网络具有更灵活的布局，并且更有可能绕过RF障碍物。

※ Mesh网络：全网状和部分网状拓扑

在Mesh网络中，一个节点可以直接与多个其他节点通信。Mesh网络有两种类型：全网状网络和部分网状网络。在全网状拓扑中，每个节点都可以直接与网络中的每个其他节点进行通信；而在部分网状网络中，如图2所示，每个节点可以直接连接到网络中的一个或多个其他节点，但不一定连接到网络中的每个其他节点。

图2.部分网络网状拓扑的示意图。 （图片来源：德州仪器）

物联网应用程序通常使用部分网状拓扑来扩展网络范围，也就是我们接下来陈述的重点。

在Mesh网络中，节点可以充当中继器，通过网络路由数据。因此，每两个节点之间有几条不同的路径。这种冗余提高了网络弹性，如果一条路径发生故障，则可以使用备用路径传播数据。

由于节点能够充当中继器，因此不在彼此的直接无线电范围内的节点仍可以通过路由器节点进行通信。这是物联网应用中Mesh网络的主要优势，因为它允许用户将网络范围扩展到单个无线电范围之外。

而Mesh网络的缺点是通信的多跳性质可能会增加通过网络传播数据包的延迟。

网络延迟和数据包通过的路由器数量，或者说跳数，是正相关的。这使得评估Mesh网络的性能比简单的结构（如上面讨论的星型拓扑）要更复杂。在这种情况下，可以使用服务质量 （QoS） 指标来评估。QoS指的是在指定时间段（例如300毫秒）内到达最终目标的数据包的比率。

Mesh网络的路由节点应当通过一些路由算法来更有效地将数据包传递到目的地。为了实现这些路由功能，路由节点应具有更多的处理能力和内存，但这会增加这些节点的复杂性和成本。

※ 用于星型、树状和网状拓扑的Zigbee协议

Zigbee是一个开放的全球标准，旨在满足低成本、低功耗无线物联网网络的需求。它基于IEEE 802.15.4链路层，在未经许可的频段（包括2.4GHz、900MHz和868MHz）中运行。

典型的Zigbee网状网络如图3所示。

图3.Zigbee网状网络的示例。（图片来源：上海交通大学 宋思蒙等）

Zigbee Mesh网络中的无线电设备扮演着不同的角色。节点可以是协调器、路由器或终端设备。协调器负责设置网络，并允许路由器和终端设备加入网络。除了创建网络之外，协调器还负责管理网络的安全性。

路由器节点则始终侦听和路由它们收到的信息。这些节点通常由市电供电。

最后，终端设备是不路由信息的节点。这些设备保持睡眠模式以节省电量，并且仅短暂唤醒以轮询其父级并拾取发送给它们的消息。终端设备通常是电池供电的节点。

Zigbee Mesh网络可以自动配置自身（自形成）。此外，当节点离开网络或发生故障时，网络可以根据节点的新组合重新配置路由路径。这种自我修复功能提高了网络在不断变化的条件下的稳定性。

在本系列的下一篇文章中，我们将讨论蓝牙Mesh网络的不同功能，这些功能最近引起了物联网行业的极大关注。