网络星型拓扑结构,星型组网方式
随着信息技术的迅猛发展，私人信息和商业信息传输对无线通信网络的依赖性正 明显增强，由此衍生的通信系统自身安全问题的关注度也在迅速提高。如图1所示，基于开 放系统互连7层协议，传统通信系统的信息安全机制是建立在网络层及其以上各层，其核心 技术是密钥加密机制，前提是协议底层的物理层已提供畅通且无错的传输链路，但是物理 层信息安全问题并未引起足够重视。然而，由于电磁信号传输环境的开放性和通用性，在发 射功率的有效覆盖范围内，任何拥有合适设备的第三方都可悄然接入网络窃取他人信息， 给无线通信的私密性和安全性带来极大威胁。随着无线数据传输的高速化、无线业务的多 样化以及无线应用的广泛化，信息窃取带来的危害和损失难以估量。因此，相比于物理传输 介质相对封闭的有线网络，无线通信网络的物理层信息安全问题更加严重，对其研究与改 进迫在眉睫。
在星型拓扑结构中，网络中的各节点通过点到点的方式连接到一个中央节点上，由该中央节点向目的节点传送信息。星型网络拓扑如下图所示：
1、星型网中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点控制。因此，中央节点的主要功能有三项
（1） 当要求通信的站点发出通信请求后，控制器要检查中心节点是否有空闲的通路，被叫设备是否空闲，从而决定是否能建立双方的物理连接；
（2）在两台设备通信过程中要维持这一通路，保证数据传输的可靠性；
（3） 当通信完成或者不成功要求拆线时，中央转接站应能拆除上述通道。
星型组网相较于环形组网中一个节点故障，将会造成全网瘫痪以及对分支节点故障定位较难的不同，星型组网便于集中控制，因为终端节点之间的通信必须经过中心节点。由于这一特点，也带来了易于维护和安全等优点。终端节点设备因为故障而停机时也不会影响其它端用户间的通信。网络延迟时间较小，系统的可靠性较高。
2、星型拓扑结构的主要优点有
（1）管理维护容易。由于所有的数据通信都要经过中心节点，中心节点可以收集到所有的通信状况。
（2）节点扩展、结构简单、移动方便，相较于其他网络拓扑结构而言，星型拓扑结构管理和维护容易。节点扩展时只需要与中心节点设备建立连接即可，而不会像环型网络那样“牵其一而动全局”。
（3）易于故障的诊断与隔离。由于各终端分节点都与中心节点相连，故便于从中心节点对每一个节点进行测试，也便于将故障节点和系统分离。
由于星型组网具有以上优点，因此它成为组网方式中广泛而又首选使用的网络拓扑设计之一，但如何避免星型网络中多节点间的通信冲突成为最主要的问题。
星型拓扑结构中，为有效避免各节点之间通信出现冲突，中心节点和终端节点的交互主要有以下两种常用的方式，一是主动轮询方式，二是被动时间片方式，这两种组网方式的简介和对比如下：
1、主动轮询方式
主动轮询方式中，每一个终端节点都有自己唯一的ID号，中心节点主动根据终端节点的ID号依次询问终端节点是否有数据需要发送，若某个终端节点有数据发送到中心节点，则中心节点开始处理接收到的数据。下图为主动轮询方式示意图：
优点
（1） 终端节点不用受到时间片的限制，更加自由；
（2） 在终端节点与中心节点交互不频繁时，理论上对传输数据的长度和时间没有要求；
（3） 网络稳定性较高，被动时间片方式对各个节点晶振的一致性要求较高，而主动轮询方式不会由于晶振的微小偏差而影响各节点的通信；
（4） 程序结构相比被动时间片方式要更加简单清晰，易于理解；
缺点
（1） 若一个终端节点一直连续不断的发送数据，会直接影响其他终端节点与中心节点的通信，可能导致其他终端节点无法正常与中心节点进行通信。
（2） 由于终端节点没有主动发送数据的功能，必须要经过中心节点询问后才能发送数据，因此，还没有被轮询到的终端节点即使有数据也不能立即发送。
（3） 若网络中的终端节点越多，中心节点轮询完一次终端节点所需要的时间越多，网络延迟越大。
2、被动时间片方式
被动时间片是指中心节点会定时同步网络中所有终端节点的时间，某个终端节点想要发数据只能在自己的时间片内，不能大于系统分配的时间长度，要保证任务在需要执行的时候能够进入该执行的任务中，
优点
（1） 被动时间片方式的通信效率更高，节省了主动轮询方式中，中心节点轮询所需要的时间。由于主动轮询方式在通信时是需要中心节点根据终端节点的ID号依次查询终端节点是否有数据要发送，以此保证各个节点的数据不会冲突，确保网络的可靠性，但查询的过程是没有有效的数据在进行交互的，站在数据传输的角度，查询的时间是“无效”的。
（2） 可设置各个终端节点的时间片，更加灵活；
（3） 由于采用时间片的机制，因此各个终端节点都相互独立，让数据交互更加有秩序；
缺点
（1） 在编写程序时，时间片需要合理的设置，各个终端节点与中心节点交互的时间是比较严格的。时间片设得太短会导致过多的中断和任务切换，降低了CPU效率；而设得太长又可能引起对终端节点交互请求的响应变差；
（2） 中心节点必须定时发送同步命令，避免各个终端节点间因晶振的偏差而导致各节点时间不同步的情况发生，若中心节点没有发送同步命令，可能会导致时间片混乱、数据传输错误甚至是网络崩溃的情况。
（3） 各个终端节点的数据只能在自己的时间片内发送，若在规定的时间片内没有将数据发送完成，只能等到下次继续发送。
总的来说，主动轮询方式适用于对实时性要求不高、每次数据传输量较大的场合，被动时间片方式更加适用于对实时性要求较高、数据传输量较小的场合。
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Wyner在1975提出了WTC-I模型，在WTC-I模型中，合法接收者与非法第三方被动窃听者同时收到发送方发送出的数据。如图2所示，在非法第三方被动窃听者信道质量劣于主信道，即合法通信双方的信道在质量上要具有优势的假设条件下，不依赖分享密钥，在传输速率不超过安全容量的前提下通过合理的安全编码方案即可实现完美秘密通信。此外，Maurer倡导的物理层有密钥安全传输技术需基于信道特征生成密钥，虽然可解决密钥分发和管理问题，但仍需结合上层加密技术才能实现安全通信，是一类跨层安全通信技术。[0004] ZigBee是基于IEEE802 .15 .4标准的低功耗局域网协议，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和网状网，可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构。如图3所示，当采用星形拓扑结构(如无线智能家居系统和无线智能农业监控系统)时，所有的通信是建立在普通终端节点(如无线智能终端设备)与一个中央控制节点(如无线智能网关)之间，该中央控制节点即称为PAN协调器。中央控制节点是整个ZigBee网络的主要控制者，也是与外
部网络沟通的桥梁，其存储容量大，计算能力强，可通过稳定电源长期供电。终端节点和中央控制节点之间可进行上行和下行的数据传输，其成本低，存储空间小，计算能力弱，通过电池供电。且终端节点只能将采集到的有用信息发送给中央控制节点，或接收中央控制节点发送过来的控制信息，如果终端节点之间需数据传输则要通过中央控制节点来转发。[0005] 可见，ZigBee网络中心控制节点和终端节点在资源(如存储空间、计算能力和能量)供给上具有典型“非对称”的特性。其采用集中式通信控制策略，所有通信均由中央节点控制。终端节点到中心控制节点之间是双向通信。通常，终端节点到中心控制节点间的通信链路被称为上行链路；中心控制节点到终端节点的通信链路被称为下行链路。
关键词：串口服务器
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