Звездообразная и ячеистая сети
Звездообразная и ячеистая (Mesh) сети – это две фундаментальные архитектуры для беспроводных сетей Интернета вещей (IoT). В связи с тем, что ячеистая сеть Bluetooth в последнее время набирает популярность, ячеистые сети могут стать еще более распространенными в ближайшие годы, особенно в приложениях, где тысячи узлов IoT должны обмениваться данными на географически большой территории. Ячеистые сети могут упростить такие приложения, как автоматизация зданий, управление энергопотреблением, промышленная автоматизация и управление активами.
Чтобы выделить преимущества и ограничения ячеистых сетей, в данной статье подробно рассматриваются основные особенности как звездообразных, так и ячеистых топологий. Затем в качестве примера рассматривается типичная ячеистая сеть Zigbee.
Выбор правильного решения для беспроводной сети IoT
Существует несколько различных решений для беспроводной связи для приложений IoT. Учитывая широкий спектр вариантов использования, может быть довольно сложно выбрать правильное решение для беспроводной связи, отвечающее требованиям конкретного приложения IoT. При выборе сетевого решения следует учитывать различные факторы, такие как радиус действия, скорость передачи данных, безопасность, энергопотребление и масштабируемость.
Топология сети – это то, как узлы датчика, привода и шлюза расположены или связаны друг с другом, и это еще один важный фактор, который может повлиять на производительность сети. Двумя фундаментальными архитектурами беспроводных сетей IoT являются звездообразные и ячеистые соединения.
Преимущества и недостатки топологии «звезда»
Топология «звезда» изображена на изображена на следующем рисунке.
Звездообразная сеть состоит из центрального концентратора, к которому подключаются все остальные узлы. Узлы общаются друг с другом через центральный концентратор, который в большинстве случаев также является шлюзом в Интернет. Домашняя сеть Wi-Fi представляет собой знакомую звездообразную топологию, в которой телефоны, планшеты и принтеры подключаются к центральному концентратору (точке беспроводного доступа). Этот центральный концентратор действует как маршрутизатор в локальной сети, а также как шлюз в Интернет.
Поскольку концентратор отвечает за распределение пакетов данных по звездообразной сети, сообщение может достичь пункта назначения либо за один «скачок» (передача данных между узлом и хабом), либо за два «скачка» (передача данных между двумя узлами через сеть). Эта функция обеспечивает быструю работу сети с последовательной и предсказуемой производительностью. Еще одним преимуществом является то, что сеть IoT, основанная на звездообразной топологии, может легко идентифицировать и изолировать неисправный узел, поскольку каждый узел имеет собственное отдельное соединение с концентратором. Однако из-за того, что пакеты данных должны проходить через центральный узел, сеть имеет единую точку отказа. Если центральный узел выйдет из строя, вся сеть перестанет существовать.
Еще одно серьезное ограничение беспроводного звездообразного соединения заключается в том, что все узлы должны находиться в пределах прямой радиодоступности центрального узла. Это ограничивает физический размер сети. Кроме того, звездообразная сеть не обладает гибкостью для обхода радиопрепятствий или условий с высокими радиопомехами. Это не относится к ячеистым сетям, которые обычно включают несколько путей маршрутизации между каждыми двумя узлами, как мы вскоре рассмотрим. Ячеистые сети имеют более гибкую компоновку и с большей вероятностью смогут обходить радиочастотные препятствия.
Ячеистые сети: топология полной и частичной ячеистой сети
В ячеистой сети один узел может напрямую взаимодействовать с несколькими другими узлами. Существует два типа ячеистых сетей: полная и частичная. В полносвязной топологии каждый узел может напрямую взаимодействовать с любым другим узлом в сети. В частично ячеистой сети, показанной на следующем рисунке, каждый узел может напрямую подключаться к одному или нескольким другим узлам в сети, но не обязательно к каждому другому узлу в сети.
Приложения IoT обычно используют топологию частичной сетки для расширения диапазона сети, как мы рассмотрим далее. В ячеистой сети узлы могут действовать как повторители, направляя данные по сети. В результате между каждыми двумя узлами существует несколько различных путей. Эта избыточность повышает устойчивость сети, и в случае сбоя одного пути можно использовать альтернативный путь для распространения данных по сети. Поскольку узлы могут действовать как ретрансляторы, узлы, которые не находятся в пределах прямого радиодиапазона друг друга, могут по-прежнему обмениваться данными через узлы маршрутизатора. Это главное преимущество ячеистой сети в приложениях IoT, поскольку она позволяет пользователю расширить диапазон сети за пределы одной радиосистемы.
Недостатком является то, что многоскачковая природа связи может увеличить задержку распространения пакета данных по сети. Количество переходов и, следовательно, сетевая задержка зависит от количества маршрутизаторов, через которые проходит пакет данных. Это усложняет оценку производительности сети по сравнению с простой структурой, такой как описанная выше топология «звезда».
В этом случае можно использовать метрику качества обслуживания (QoS): соотношение переданных пакетов, которые достигают конечного пункта назначения в течение заданного промежутка времени (скажем, 300 мс). Узлы маршрутизации ячеистой сети должны реализовывать некоторые алгоритмы маршрутизации для эффективной доставки пакетов адресатам. Для реализации этих функций маршрутизации узлы маршрутизации должны иметь больше вычислительной мощности и памяти, что увеличивает сложность и стоимость этих узлов.
Протокол Zigbee для топологий «звезда», «дерево» и «ячеистая сеть»
Zigbee – это открытый международный стандарт, разработанный для удовлетворения потребностей недорогих беспроводных сетей IoT с низким энергопотреблением. Zigbee основан на канальном уровне IEEE 802.15.4 и работает в нелицензируемых диапазонах, включая 2,4 ГГц, 900 МГц и 868 МГц. ZigBee поддерживает топологии типа «звезда», «дерево» и «ячеистая сеть». Типичная ячеистая сеть Zigbee показана на следующем рисунке.
Радиоточки в ячеистой сети Zigbee играют разные роли. Узел может быть координатором, маршрутизатором или конечным устройством. Координатор настраивает сеть и позволяет маршрутизаторам и конечным устройствам подключаться к сети. Помимо создания сети, координатор также отвечает за управление безопасностью сети. Узлы маршрутизатора всегда прослушивают, чтобы направить информацию, которую они получают через сеть. Эти узлы обычно питаются от сети.
Наконец, конечные устройства – это узлы, которые не направляют информацию. Эти устройства остаются в спящем режиме для экономии энергии и пробуждаются лишь ненадолго, чтобы опросить свои родительские узлы и получить отправленные им сообщения. Конечные устройства обычно представляют собой узлы с батарейным питанием.
Ячеистая сеть Zigbee может конфигурироваться автоматически (самоформирование). Кроме того, когда узел покидает сеть или выходит из строя, сеть может перенастроить пути маршрутизации на основе новой комбинации узлов. Эта функция самовосстановления повышает стабильность сети в изменяющихся условиях.
© digitrode.ru