桥不远:连接物联网设备

2022年12月2日

关键的外卖

物联网设计可用的主要拓扑。
讨论(去)中心化对网络的重要性。
物联网基本拓扑结构对比一览

联网物联网设备的根源可以追溯到一个著名的数学问题。

的Königsberg的七座桥是一个基本的数学问题，它被强大的伦纳德·欧拉证明是没有解的。问题是，是否有可能在一次步行中连续穿过这7座桥，穿过城市和毗邻的岛屿。欧拉当时并不知道，他正在为图论奠定基础，这是一门数学学科，后来导致了拓扑学的研究。

令人惊讶的是，连接物联网设备的方法严重依赖于近400年前最初开发的数学。这些知识可以通过电子和技术的发展来补充，以帮助阐明网络可用的最佳布局，这取决于需要最小化或最大化哪些性能指标。首先，介绍一些最常见的拓扑，以理解不同网络配置背后的原因。

连接物联网设备?从网络拓扑开始

物联网系统可以简化为三个互补层:边缘传感、网关和数据系统。这三个组中的每一个都在系统中执行特定的功能，但是物联网设计可以更抽象地看作是节点和链接的集合。想象一组儿童玩具常用的木棍和线轴:节点表示兴趣点或连接点，而链接则用于直接将相邻节点连接在一起。这两个构建块用于构建各种不同的网络拓扑。拓扑表示不同的网络配置，构建这些网络是为了以最有效的方法提取最佳性能:

点对点,最简单的网络，由两个节点之间的连接组成。由于通信范围有限，双物网络不太可能在物联网环境中得到广泛应用，但动态点对点设计(允许在目标节点之间切换)在某些情况下可以提供解决方案。然而，总的来说，点对点模型严重限制了物联网，物联网通常倾向于广播信息，而不是单一的单向或双向连接。
公共汽车,对于布局设计人员来说，总线拓扑结构非常熟悉，它使用一条所有节点都连接到的中央传输线。这确保了消息传递到网络中的所有节点(防止中断)，但是网络的两个主要限制是网络的物理连通性(减少了范围和可伸缩性)以及在电缆故障的情况下缺乏冗余。
菊花链- - - - - -所有节点都是串联的，可以采用两种形式。第一个是线性的，由于方向性，它的用处不大:在最坏的情况下，如果从一个端点到另一个端点，信号必须通过整个网络的长度。更有价值的实现是环形变体，其中端点彼此连接。这不仅将网络中最长的线性行走时间缩短了一半，而且作为两个节点之间的单个中断，网络的可靠性提高了，有效地将网络恢复到线性菊花链。
明星,星型拓扑将所有外围节点连接到一个中心节点，中心节点充当通信的纽带。由于每个额外的外围节点只添加一个连接，因此星型网络具有高度可伸缩性，并且在外围节点之间缺乏直接路径是一个安全特性。缺点是，网络中心的高负载会导致拥塞。
网-一个完整的网状网络将每个节点连接到每个其他节点;通信可以在网络中的任何两点之间以最快的可用路径进行跳跃。这种饱和网络的优点是，任何一个链路的中断都可以通过节点之间更迂回的路径来克服，使这种网络风格高度可靠。然而，对于大型网络来说，这种拓扑结构变得非常紧张，一旦节点总数达到可观的数量，就会使真正的网状结构变得笨拙。此外，网格需要在相对较短的距离上密集分布，以保持节点之间的信号强度，但这可以通过低功耗和在整个网络中快速传播数据的能力来弥补。网格的部分变化有助于规避全网格布局的一些缺点，专注于连接关键节点或在类似于星形布局的设置中绕过长距离行走。

还可以通过组合两种风格的基本布局来混合拓扑。其中包括树(由中央总线连接的单个恒星网络)、星环(在单个恒星网络的中心节点之间形成的环)和线性雏菊链恒星。这些还可以包括自杂交网络，如分布式总线(总线中的总线)或星中的星。甚至还有强调节点连接的分布方法，例如网格布局，它是雏菊链的超集，可以进一步推广到更高的维度。在维度大于1的情况下，网络不需要在连接的每个交叉点上都充满节点;换句话说，每个节点至少有两个相邻的邻居，尽管邻居之间的步行距离是可变的。

集中化的成本价值分析

还可以根据其中包含的集中化或去中心化级别来评估拓扑。在极端的一端，一个完整的网状网络代表一个完美的去中心化网络，而一个星形网络表示完全的中心化。大多数网络的集中化存在于这两种情况之间。

引导连通性的反作用力包括网络冗余和可伸缩性。星形网络代表零冗余:节点之间信号的损坏或中断导致该特定路径的隔离。更令人担忧的是，集线器代表了网络的单一故障点;一个高度集成的节点相对于它的邻居代表了连接的效率，但在冗余方面是一个负担。另一方面，在完全去中心化的网络中，节点之间的连接数量以2倍的速度增长，即使在中等规模的物联网网络中，连接数量也会迅速变得难以控制。系统设计人员需要平衡连接的健壮性和约束。

拓扑结构	相关的	优点	缺点	集中
点对点	N/A	简单的直接	有限的物联网应用	N/A
公共汽车	树分布式	广播到所有节点	单点故障	高
菊花链	环线性网格	冗余性好(环) 改进的路径(环形)	增加步行路径(线性) 可靠性(线性)	低
明星	树 Star-ring	最小化冗余以提高成本效率	单点故障中心节点带宽高	最大
网	完整的部分	高冗余，提高可靠性	成本范围设计的复杂性	最小(全) 低(部分)