概述

    无线网络的拓扑结构指的是网络组件的布置方式。包括无线设备、路由器和网关的物理排列方式，以及数据在他们之间的传输路径。

    本课程中您将会学到三种常用于工厂内部无线现场网络的无线拓扑结构形式――星状、网状和簇－树状拓扑结构。 了解每种结构的优缺点会帮助您确定到底哪种结构最适合您特有的应用情况。

   在课程的末尾您会发现一个简短的测验，帮助您确认学到的知识――并获得宝贵的奖励点数。 

 提示：

在您阅读本课程内容的同时，请别忘了留意下面这些问题的答案：
 
最常见的无线拓扑结构是哪一种？
 
哪种拓扑结构用电最省？ 最多？
 
各种拓扑结构都是如何处理信号传输路径中断故障的？
 
哪种拓扑结构可以应用于自组网络？

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下一节：星状拓扑结构

星状拓扑结构
星状拓扑结构是一种点对点结构形式，在其中单个的无线设备，或节点直接与处于中央位置的“集线器”或网关进行通信。
 

星状拓扑结构中的设备只与网关进行通信――而彼此之间不能通信。

网关然后将数据发送到中央数据采集点，例如一个控制室――通过直接方式，或连接到其他网络。网关也会从中央数据点收到数据，然后将它们转发到相应的无线设备。

由于每个设备都直接同网关进行通信，有时星状拓扑结构也被描述为“点对点”或“视线”结构。

星状结构简单直接的无线连接方式使它可以应用于相对简单或低功率的应用中，这是因为在所有的结构中星状拓扑结构潜在的能耗最少。 然而这种结构的数据传输距离（从无线设备到网关）也十分有限：通常为从30到100米不等，这还是特别选用低功率无线设备以便延长电池寿命时的情况。

假如有什么东西挡在了无线设备和它的网关之间，对于这种直接，靠视线传输的路径来说，将很容易被阻塞并造成数据丢失。工厂里有很多东西都会造成这种不良后果：例如无线射频干扰，实体结构如容器、管道和设备等。即使暂时性障碍，例如卡车、建筑设备或脚手架也可能个会导致通信中断，而环境因素，雨，雾，潮湿等等也有同样的破坏作用。
 

在星状拓扑结构中，当有某种物体处于设备和网关之间，挡住了视线传输路径的时候，可能导致通信中断。

这就是为什么基于星状拓扑结构的无线网络作为安装计划的一部分而需要进行的现场勘测十分重要的原因。通过勘测可以确定无线设备放置在哪个位置可以为到网关的视线传输（和适当范围）提供最大的成功的可能性。
不幸的是，现场勘测费用高昂，并且只能维持于一时。因为这种勘测不能预测未来的变化――例如新建筑的起立或其他的环境变化――而这些变化会打断信号的视线传输。
当这些变化对通信造成干扰的时候，您会有三种选择：
 
移动设备――这可能会导致测量质量或数据可靠性的降低。
 
移动网关――如果网关是通过有线连接来进行通信和接通电源，或者移动网关会中断到其他设备的通信路径，移动将会十分困难。
 
增加设备信号的强度――这样会降低电池寿命，而提供的信号强度可能仍然不足以克服干扰。（这也是为何传统的点对点无线设备经常电池寿命短于一年的原因）。
当拓扑结构允许提供设备到网关之间的多条通信路径的时候，这些局限性大部分都可以克服。
下一节：网状拓扑结构

网状拓扑结构

与星状拓扑结构不同，星状结构中每个设备都只能同网关对话，但是在网状结构中却可以同网络中其他的节点对话。 在网状拓扑结构中，信号可以从一个节点“跳”到另外一个节点，直到抵达分配的网关为止――这种能力称作多跳频。

网状结构中的无线设备可以同任何处于发射范围中的其他网络节点进行通信。

同星状拓扑结构相比，这种布局既有优点，亦有缺点。

便于扩展。当网络扩张时，无需增加新的网关，或者对现有的网关重新定位。只要新增加的设备处于任何一个已有的节点发射范围内，就可以在网络上进行通信。

更高的容错率。每台无线设备都有多条通向网关和其他节点的传输路径。如果一条路径堵塞－或者一个中间节点失灵――信号仍然可以通过其他路径前进。 这就提供了冗余度。

网状拓扑结构的多传输路径和多跳频能力使信号可以“绕过”障碍或者失灵的节点。
潜在功耗更高。 传统的网状拓扑结构要求传感器节点持续“听取”来自于其他设备的信号，这种“一直待命”的工作周期降低了电池的寿命。

新型的网络技术可以避免这种缺点，方法是，只有当需要发送或接收信号时方才激活各个设备。

网络等待时间。 随着设备要求发送信号需要的跳频次数变化，等待时间也随之变化。每次跳频都会增加等待时间，但是测量数据的更新经常每分钟才进行一次，所以这个等待的时间是可以容忍的。
下一节：簇－树状拓扑结构

簇－树状拓扑结构

簇－树状拓扑结构是星状和网状结构的混血儿。其中无线设备以星状连接（点对点）簇拥在路由器或中继器周围，而路由器或中继器则同网关进行网状连接（一点对多点），彼此之间进行通信。

簇－树状拓扑结构结合了设备到路由器之间的点对点连接方式和路由器到网关之间的一点对多点连接方式。
这种方式试图融合两种拓扑结构的优点：星状拓扑的潜在的低功耗优势，和网状部分的更大的扩展范围以及更高的容错能力。

如果从路由器到网关之间的直接的、单跳频传输路径中断，信号则通过多跳频通过其他路由器抵达目的地。
然而，星状拓扑的缺点仍然存在。仍然需要现场勘测来保证每个末端的设备到他们分配的路由器之间有一条清晰无碍的视线路径，仍然在出现变化或干扰时没有设备到路由器之间的备用路径。

下一节：选择正确的拓扑结构

选择正确的拓扑结构

到此为止您已经学到了每种拓扑结构的独特优势和面临的挑战。那么到底哪种结构适合您呢?
答案很简单：若其特性最适合于应用中最重要的要求，那就是最好的。
 
在相对简单的应用场合，通信即使中断也不会阻止您获得需要的结果，这时候星状拓扑结构可以接受。
 
如果数据可靠性极其重要，那么网状拓扑结构最适合。既可以保护数据不丢失，信号不会减弱，又可以方便扩展，带来额外的收获。
 
如果您想在网络中的不同部分应用不同的拓扑结构，那么可以选择簇－树状结构。例如，由电池供电的测量设备可以按照星状结构连接到由电网电源供电的路由器，而路由器则可以连接成网状拓扑结构。
但是，假如您又想得到很高的数据可靠度，方便的网络扩展，又想要很长的电池寿命，该怎么办呢？

下一节：自组网络

自组网络

由于过程工业的环境是动态的，任何单一的拓扑结构都不可能总是最适合于某个应用。但是自组网络具有内置式的智能和灵活性，可以自动地选用星状、网状或者簇－树状拓扑结构――或者三种都用――根据需要在任何给定的时刻提供最大工作效率。
在自组网络中，所有的无线设备和网关都具有作为路由器为附近设备提供服务的能力。但是并不是所有的设备都在所有时间内同其他所有的设备进行通信。这些设备和网关会协同工作，通过鉴别为每条信息选用效率最高的通信路径。
 
如果设备处于网关发射范围以内，直接的点对点传输将降低功耗（尤其当结合其他技术，减少通信再试需求的时候）。
 
网络扩展很容易。新设备可以同最近的已有的设备或网关进行通信――这些已有设备可以将新设备认作网络上的授权节点，并知道何时接收和发送信息。
 
当通信路径中断时，网络通过“自愈” 的能力自动为信号寻找下一条最优路径。
这种能够动态地自行重新配置，选择效率最高的路径的能力――不需要手动干预，也不会打断数据传输过程――将自组网络同过程自动化无线应用的其他技术方案区别开来。 自组网络带来的好处包括整体功耗更低，信号等待时间减少，数据可靠性更高和无线网络的性能更强劲等等。

关于这个话题的更多内容，请参考自组网络课程。
 
下一节：总结

总结

您在本课程中学到， 星状、网状和簇－树状拓扑结构都有各自的优缺点，哪一种单一的结构都不能在所有的应用中做到最合适。您还学到自组网络具有灵活地自动选择拓扑结构的能力 ――或者同时使用三种结构形式――来创建可升级的可靠的无线网络。自组网络可以有效地自行做出决定，以提供可能的最可靠的网络形式。
要点：
 
星状拓扑结构的潜在功耗较低，但是需要进行现场勘测以确定视线通信路径。
 
网状拓扑结构提供多条传输路径，容错能力高，易扩展。
 
簇－树状拓扑结构仍然需要现场勘测以便于无线设备的布置。
 
自组网络可以利用所有的三种结构形式，自动进行重新配置以利用最有效的通信路径，获得最佳数据可靠性和最小功耗。

下一节：测验

测验

下列问题可以帮助您回顾在本课程中学到的知识。

每个问题都只有一个正确答案。 每回答正确一次，您会赢得一个宝贵的奖励点数。

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下一节：问题1
测验――问题1

星状或“视线”拓扑结构还被称作：

 点对点结构
 多跳频结构
 自组结构
 以上都不是

 在选择答案之后，点击“＞”图标继续。
正确！/对不起，正确答案是“点对点”。

星状拓扑结构是基于一点（设备）到另一点（设备分配的路由器）之间的直接连接。这个连接是两点之间的唯一的通信路径。

测验――问题2

星状拓扑结构中，导致数据损失的原因是：

  射频干扰
  实物障碍
 传输距离过长
  以上都是
 以上都不是

在选择答案之后，点击“＞”图标继续。
正确！/对不起，正确答案是“以上都是”。

星状拓扑结构依赖于单跳频、视线传输的方式。 过长的发送距离可导致信号减弱，射频干扰可使信号失真，实物障碍可使阻止信号最终抵达目的地。
测验――问题3

哪种拓扑结构中每个设备都可以同所有其他设备进行通信？
 簇－树状
 星状
 网状

在选择答案之后，点击“＞”图标继续。
正确！/对不起，正确答案是“网状”.

每个设备都可以同其他设备通信的能力允许信号在通信路径中断时选择其他路径。
测验――问题4

正确与否： 自组网络在任何时候都支持星状、簇－树状和网状拓扑结构。

 正确
 错误

在选择答案之后，点击“＞”图标继续。
正确！/对不起，正确答案是“正确”

自组网络可以灵活选用一个或多个拓扑结构组成一个可升级的可靠的网络。

无线拓扑结构
15 分钟
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