网状拓扑vs星型拓扑-如何为物联网网络找到合适的架构

网络拓扑定义了物联网网络中各个组件之间的通信方式。拓扑结构在安全性、功耗、成本和复杂性方面差异很大。在选择和实现一种通信技术之前,首先了解哪种拓扑与物联网应用程序和需求最相关是很重要的。我们比较了mesh和star拓扑——物联网无线网络最常见的两种架构类型。


网状拓扑结构


在网状网络中,信息从一个设备跳到另一个设备,以到达它的目的地(如网关)。传感器节点既是捕获和传输自己的数据的端点,也是中继器,中继来自其他节点的数据。在部分网格网络中,只有选定的节点具有中继器/中继功能,并且与多个其他节点连接,而在完全网格网络中,所有节点都是同构的,彼此之间完全互连。



网格拓扑广泛应用于Zigbee、Z-Wave、WirelessHART等短距离无线技术的覆盖。大多数网状网络具有自修复能力,因为如果一个中继器节点失败,可以使用另一条路径重新路由数据,从而增强了鲁棒性。


如果安装了足够多的中继器,就可以使用网格配置覆盖整个工业园区或商业建筑等大面积区域。然而,由于两个节点之间的距离本质上非常短,所需的中继器数量迅速增加,使得安装这些网络非常昂贵。在许多情况下,必须添加额外的传感器节点,不是为了捕获数据,而是为了获得所需的覆盖范围。


冗余设备密度和过多的连接数量极大地复杂化了网络设置、管理和维护活动。复杂性极大地阻碍了可伸缩性,尽管传输功率很低,但网状网络的中继特性要求很高的功耗。节点必须一直处于“唤醒”状态,并“侦听”是否需要转发消息。高中继流量通过一个节点也可以迅速耗尽其电池。


对网状网络的另一个主要担忧是它们容易受到安全攻击。如果一个中继器被破坏,整个网络就会崩溃。你的物联网网络越大,重复者就越多,或者说,可能的攻击点就越多。当涉及到所有节点都充当中继器的全网格网络时,您可能需要在安装之前三思。


星型拓扑


无线物联网联网的另一种方法是星型拓扑,所有传感器节点都与一个中心集线器/接入点(即网关)通信。中心集线器的技术设计要复杂得多,可以处理大量的数据流。


由于单跳点对点连接,星型拓扑比网格拓扑更简单,实现起来也更便宜。网络安全也会增加,因为端点之间的操作是相互独立的;如果一个节点受到攻击,网络的其余部分仍然保持完整。


星型拓扑结构的主要缺点是网络足迹被限制在设备和网关之间的最大传输范围内。然而,选择正确的通信技术可以帮助克服这个问题。例如,低功率广域网(LoRa)具有超过10公里的视距,当部署在星型拓扑中时,它将提供巨大的覆盖范围。


LPWAN 网络优化了最低功耗,可以保证传感器端的电池寿命。与网格拓扑结构不同,节点不需要连续“唤醒”来监听和转发来自其他节点的数据。除了传输时间,它们还会进入“睡眠模式”,几乎不消耗任何电力。



那么哪种拓扑结构适合您呢?


答案很简单:一切都取决于物联网应用。


例如,Zigbee、Wi-Fi或蓝牙网状网络可能是消费者市场中应用程序的一个很好的选择。智能家居用例(如暖通空调和照明自动化)通常需要更小的覆盖区域,且彼此之间的端点数量有限。


网格拓扑也是扩展传统Wi-Fi网络足迹的一个可行的解决方案——现在几乎每家每户都可以使用——而不需要爆炸成本或复杂的网络管理。高带宽使用在许多消费者的应用程序,如视频通话和流媒体,语音控制等,进一步使Wi-Fi网络最可行,如果你正在寻找一个集成的家庭网络。


另一方面,如果您希望连接分布在地理上分散的校园和工厂、矿山、油田或商业建筑等设施中的数百或数千个传感器,使用星型拓扑的LPWAN是更好的选择。它提供了可靠的、经济有效的、易于部署和管理的解决方案。相反,在这种情况下,配置和优化网格网络是一项极其艰巨的任务。

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