Point-to-Point, Star and Mesh Networksپەیوەندیی خاڵ بۆ خاڵ، ڕایەڵەی ئەستێرەیی و ڕایەڵەی چنراو

A network topology defines the way the components of a network communicate with each other: which device talks to which. In IoT the components are mostly sensor nodes and gateways, and the links are usually radio links. Topologies vary greatly in security, power consumption, cost and complexity, so the choice shapes the whole system.

تۆپۆلۆجیی ڕایەڵە ئەو شێوەیە دیاری دەکات کە پێکهاتەکانی ڕایەڵەیەک (Network) پێی پەیوەندی بە یەکترەوە دەکەن: کام ئامێر لەگەڵ کام ئامێر قسە دەکات. لە IoTـدا بەشەکان زۆربەیان نۆدەکانی هەستەوەر (Sensor node) و دەروازەکانی ڕایەڵەـن و پەیوەندییەکان زۆرجار ڕادیۆیین. تۆپۆلۆجییەکانی ڕایەڵە لە ئاسایش، بەکارهێنانی وزە (Power consumption)، تێچوو و ئاڵۆزیدا زۆر جیاوازن، بۆیە هەڵبژاردنەکە هەموو سیستەمەکە دادەڕێژێت.

The classic shapes (bus, ring, star, mesh, tree) are taught in Network Topologies, and the physical and logical maps of a network in One network, two maps. Radio has no cables to draw, so an IoT topology is mostly a logical map: who talks to whom. IoT networks use three shapes: point-to-point, star and mesh. From left to right they cost more, but they survive failures better.

شێوە کلاسیکییەکان (ڕایەڵەی هێڵی (Bus topology)، ڕایەڵەی ئەڵقەیی (Ring topology)، ڕایەڵەی ئەستێرەیی، ڕایەڵەی چنراو، ڕایەڵەی هەرەمی (Tree topology)) لە تۆپۆلۆجییەکانی ڕایەڵە دەخوێندرێن و دوو نەخشە فیزیکی و لۆجیکییەکەی ڕایەڵەیەک لە یەک ڕایەڵە، دوو نەخشە. ڕادیۆ کێبڵی نییە تا بیکێشیت، بۆیە تۆپۆلۆجیی ڕایەڵەی IoT زۆرتر نەخشەیەکی لۆجیکییە: کێ لەگەڵ کێ قسە دەکات. ڕایەڵەکانی IoT سێ شێوە بەکار دەهێنن: پەیوەندیی خاڵ بۆ خاڵ، ڕایەڵەی ئەستێرەیی و ڕایەڵەی چنراو. لە چەپەوە بۆ ڕاست تێچوویان زیاترە، بەڵام باشتر بەرگەی تێکچوون دەگرن.

Reliability is a network’s ability to function without failure, even if some of its components fail (how reliability is measured). Two factors decide it:

پشتپێبەستراوی توانای ڕایەڵەیەکە بۆ ئەوەی بەبێ تێکچوون کار بکات، تەنانەت ئەگەر هەندێک لە بەشەکانی تێک بچن (پشتپێبەستراوی چۆن دەپێورێت). دوو هۆکار دیاری دەکەن:

So a mesh scores high reliability thanks to its many connections, while a star is only as reliable as its central node. That is why the gateway of a star often gets a backup battery, or a second gateway covers the same area.

کەواتە ڕایەڵەی چنراو بەهۆی پەیوەندییە زۆرەکانییەوە پشتپێبەستراویی بەرزی هەیە، بەڵام ڕایەڵەی ئەستێرەیی تەنیا ئەوەندە پشتپێبەستراوە کە نۆدە ناوەندییەکەی پشتپێبەستراوە. بۆیە دەروازەی ڕایەڵەکە لە ڕایەڵەیەکی ئەستێرەییدا زۆرجار پاترییەکی (Battery) یەدەگی بۆ دادەنرێت، یان دەروازەیەکی ڕایەڵەی دووەم هەمان ناوچە دادەپۆشێت.

Mesh and star networks connect many things; a point-to-point link connects just two. It is much simpler: the link simply tunnels (sends) a flow of data between the two points, either one way (unidirectional, like a doorbell button that only sends to its chime) or both ways (bidirectional, like a sensor node that sends readings and receives new settings). These are the transmission modes simplex, half duplex and full duplex.

ڕایەڵەی چنراو و ڕایەڵەی ئەستێرەیی زۆر شت پێکەوە دەبەستن؛ پەیوەندیی خاڵ بۆ خاڵ تەنیا دوو شت پێکەوە دەبەستێت. زۆر سادەترە: پەیوەندییەکە تەنیا لێشاوێکی دراوە لە نێوان دوو خاڵەکەدا دەنێرێت، یان بە یەک ئاراستە (وەک دوگمەی زەنگی دەرگا کە تەنیا بۆ زەنگەکەی دەنێرێت) یان بە هەردوو ئاراستە (وەک نۆدێکی هەستەوەر کە خوێندنەوە دەنێرێت و ڕێکخستنی نوێ وەردەگرێت). ئەمانە شێوازەکانی ناردنـن: یەکلایەنە (Simplex)، دوولایەنەی نۆرەیی (Half duplex) و دوولایەنەی هاوکات (Full duplex).

Its weakness for IoT is also its strength: it joins only two devices, while a real IoT system has tens or thousands of things, so point-to-point is rarely useful on its own. But it is the building block of the others: every link of a star is a one-hop point-to-point link to the gateway, and a mesh is many of them (point-to-point in IT).

لاوازییەکەی بۆ IoT هەمان بەهێزییەکەیەتی: تەنیا دوو ئامێر دەبەستێت، لە کاتێکدا سیستەمێکی ڕاستەقینەی IoT دەیان یان هەزاران شتی هەیە، بۆیە پەیوەندیی خاڵ بۆ خاڵ بە تەنیا خۆی کەم جار بەسوودە. بەڵام بەردی بناغەی ئەوانی ترە: هەموو هێڵێکی ڕایەڵەی ئەستێرەیی پەیوەندیی خاڵ بۆ خاڵە بە یەک باز بۆ دەروازەی ڕایەڵە و ڕایەڵەی چنراویش لە زۆر دانەی ئەوان پێک دێت (پەیوەندیی خاڵ بۆ خاڵ لە IT).

In a star topology each node is connected directly to a central gateway: a one-hop, point-to-point connection. It is simpler and less expensive to build than a mesh. Network security improves too: the end nodes work independently of each other, so if one node is attacked, the rest of the network stays intact.

لە ڕایەڵەی ئەستێرەییدا هەر نۆدێک ڕاستەوخۆ بە دەروازەیەکی ڕایەڵەی ناوەندییەوە بەستراوە: پەیوەندیی خاڵ بۆ خاڵ بە یەک باز. دروستکردنی لە ڕایەڵەی چنراو سادەتر و هەرزانترە. ئاسایشی ڕایەڵەکەش باشتر دەبێت: نۆدە کۆتاییەکان بە جیا لە یەکتر کار دەکەن، بۆیە ئەگەر هێرش بکرێتە سەر نۆدێک، بەشەکانی تری ڕایەڵەکە سەلامەت دەمێننەوە.

Its main disadvantage is size: the network’s footprint is limited to the maximum transmission range between the devices and the gateway. Each device must be close enough to send its signal straight to the centre; a device that is too far away cannot join. To cover more ground you need a longer-range radio or more gateways.

لاوازییە سەرەکییەکەی قەبارەیە: ناوچەی ڕایەڵەکە بە زۆرترین مەودای سیگناڵی نێوان ئامێرەکان و دەروازەی ڕایەڵەدا سنووردارە. هەر ئامێرێک دەبێت ئەوەندە نزیک بێت کە سیگناڵەکەی (Signal) ڕاستەوخۆ بگاتە ناوەندەکە؛ ئامێرێک کە زۆر دوورە ناتوانێت بەشدار بێت. بۆ داپۆشینی ناوچەی زیاتر پێویستت بە ڕادیۆیەکی دوورمەوداتر یان دەروازەی ڕایەڵەی زیاتر هەیە.

Most IoT radios form stars. A Wi-Fi access point is the centre of its devices, and a phone is the centre of its Bluetooth LE gadgets. Low-power wide-area networks (LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT and LTE-M) are stars too: each device connects straight to a gateway or a cell tower, often kilometres away.

زۆربەی ڕادیۆکانی IoT ڕایەڵەی ئەستێرەیی پێک دەهێنن. خاڵێکی دەستڕاگەیشتنی (Access point) وای‌فای (Wi-Fi) ناوەندی ئامێرەکانی خۆیەتی و مۆبایلێک ناوەندی ئامێرە بچووکەکانی بلووتووسی کەموزەی (Bluetooth Low Energy) خۆیەتی. ڕایەڵە فراوانە کەموزەکان (Low-power wide-area network) (LoRaWAN، Sigfox، NB-IoT و LTE-M)یش ڕایەڵەی ئەستێرەیین: هەر ئامێرێک ڕاستەوخۆ بە دەروازەیەکی ڕایەڵە یان تاوەرێکی مۆبایلەوە دەبەسترێت، زۆرجار لە چەند کیلۆمەتر دوورەوە.

Big networks join many stars into a star of stars. In LoRaWAN every gateway in range hears a device’s message and forwards it to one network server, which keeps one copy. End devices never relay for others, so they can sleep most of the time and run for years on a battery (an LPWAN is a star, LoRaWAN).

ڕایەڵە گەورەکان زۆر ڕایەڵەی ئەستێرەیی پێکەوە دەبەستن و ئەستێرەی ئەستێرەکان پێک دەهێنن. لە LoRaWANـدا هەر دەروازەی ڕایەڵەیەک کە لە ناو مەودای سیگناڵی ئامێرێکدا بێت پەیامەکەی دەبیستێت و بۆ یەک ڕاژەکاری (Server) ڕایەڵە دەنێرێت، کە تەنیا یەک کۆپی هەڵدەگرێت. ئامێرە کۆتاییەکان هەرگیز پەیام بۆ ئامێری تر ناگوازنەوە، بۆیە دەتوانن زۆربەی کات بخەون و چەند ساڵ بە یەک پاتری کار بکەن (ڕایەڵەی فراوانی کەموزە ڕایەڵەی ئەستێرەییە، LoRaWAN).

In a mesh, a message hops (jumps) from one device to another until it reaches its destination, usually a gateway. So a sensor node in a mesh has two jobs: it is an endpoint that captures and transmits its own data, and a repeater that relays (passes on) data from other nodes, just like Chappe’s towers.

لە ڕایەڵەی چنراودا پەیامێک لە ئامێرێکەوە بۆ ئامێرێکی تر باز دەدات تا دەگاتە شوێنی مەبەست، کە زۆرجار دەروازەی ڕایەڵەیە. کەواتە نۆدی هەستەوەر لە ڕایەڵەی چنراودا دوو کاری هەیە: خاڵی کۆتایییە کە دراوەی خۆی کۆ دەکاتەوە و دەینێرێت، هەروەها دووپاتەکەرەوەیە (Repeater) کە دراوەی نۆدەکانی تر دەگوازێتەوە، ڕێک وەک بورجەکانی Chappe.

The gain: each radio only needs to reach its nearest neighbour, not the gateway. A phone that is far from a smart bulb can still reach it, because the message passes through another bulb on the way.

سوودەکەی: هەر ڕادیۆیەک تەنیا پێویستە بگاتە دراوسێ نزیکەکەی، نەک دەروازەی ڕایەڵە. مۆبایلێک کە لە گڵۆپێکی هۆشمەند دوورە هێشتا دەتوانێت پێی بگات، چونکە پەیامەکە لە ڕێگادا بە گڵۆپێکی تردا تێدەپەڕێت.

In a partial mesh, only selected nodes have the repeater (relaying) function and are connected to more than one other node; the other sensor nodes talk to one relay only. In a full mesh, all nodes are homogeneous (alike) and fully interconnected: every node is linked to every other node.

لە ڕایەڵەی چنراوی بەشەکیدا تەنیا هەندێک نۆدی هەڵبژێردراو کاری دووپاتەکەرەوە (گواستنەوە)یان هەیە و بە زیاتر لە یەک نۆدی ترەوە بەستراون؛ نۆدەکانی هەستەوەری تر تەنیا لەگەڵ یەک گوازەرەوە قسە دەکەن. لە ڕایەڵەی چنراوی تەواودا هەموو نۆدەکان وەک یەکن و بە تەواوی پێکەوە بەستراون: هەموو نۆدێک بە هەموو نۆدێکی ترەوە بەستراوە.

A full mesh needs many links: with n nodes, $\frac{n(n-1)}{2}$, so 6 nodes need 15 links and 50 nodes need 1,225 (counting mesh links, the price of a full mesh). Radio needs no cables, but every node must then be in range of every other, which only happens in a small space. So most IoT meshes are partial.

ڕایەڵەی چنراوی تەواو پەیوەندیی زۆری دەوێت: بۆ n نۆد $\frac{n(n-1)}{2}$، کەواتە 6 نۆد ⁦15⁩ پەیوەندی و ⁦50⁩ نۆد ⁦1,225⁩ پەیوەندییان دەوێت (ژماردنی پەیوەندییەکانی ڕایەڵەی چنراو، نرخی ڕایەڵەی چنراوی تەواو). ڕادیۆ کێبڵی ناوێت، بەڵام ئەو کاتە هەموو نۆدێک دەبێت لە ناو مەودای سیگناڵی هەموو نۆدەکانی تردا بێت، کە تەنیا لە شوێنێکی بچووکدا ڕوو دەدات. بۆیە زۆربەی ڕایەڵە چنراوەکانی IoT بەشەکین.

A mesh has a self-healing capability: if one repeater node fails, the data is re-routed along another path and the network keeps working. This makes it robust: strong and hard to break. The routing protocol, for example in Zigbee or Thread, notices that a neighbour no longer answers and picks a new route by itself, before anyone repairs anything.

ڕایەڵەی چنراو توانای خۆچاککردنەوەی هەیە: ئەگەر نۆدێکی دووپاتەکەرەوە تێک بچێت، دراوەکە بە ڕێگایەکی تردا دەنێردرێت و ڕایەڵەکە بەردەوام کار دەکات. ئەمە بەهێزی دەکات و تێکشکاندنی زەحمەت دەکات. پرۆتۆکۆڵی (Protocol) ڕێدۆزی (Routing)، بۆ نموونە لە Zigbee یان Threadـدا، هەست دەکات کە دراوسێیەک چیتر وەڵام ناداتەوە و خۆی ڕێگایەکی نوێ هەڵدەبژێرێت، پێش ئەوەی هیچ کەسێک شتێک چاک بکاتەوە.

Mesh is widely used to extend the coverage of short-range wireless technologies such as Zigbee, Z-Wave and WirelessHART, and today also Thread and Bluetooth Mesh. Each radio reaches only tens of metres, but a mesh of them can cover large areas, such as an entire industrial campus or a commercial building.

ڕایەڵەی چنراو بە بەرفراوانی بۆ درێژکردنەوەی ناوچەی داپۆشینی تەکنەلۆجیا بێتەلە (Wireless) کورتمەوداکان بەکار دێت، وەک Zigbee، Z-Wave و WirelessHART، هەروەها ئەمڕۆ Thread و Bluetooth Meshـیش. هەر ڕادیۆیەک تەنیا چەند دە مەترێک دەگات، بەڵام ڕایەڵەیەکی چنراو لەوان دەتوانێت ناوچەی گەورە دابپۆشێت، وەک هەموو ناوچەیەکی پیشەسازی یان باڵەخانەیەکی بازرگانی.

Smart lights are a good example: every mains-powered bulb is also a relay, so a house full of bulbs becomes its own network. These protocols are compared in RFID, Zigbee and other mesh protocols. Home Wi-Fi can be a mesh of access points too (ad hoc and mesh Wi-Fi).

گڵۆپە هۆشمەندەکان نموونەیەکی باشن: هەموو گڵۆپێک کە بە کارەبای پلاک کار دەکات گوازەرەوەشە، بۆیە ماڵێکی پڕ لە گڵۆپ خۆی دەبێتە ڕایەڵە. ئەم پرۆتۆکۆڵانە لە RFID، Zigbee و پرۆتۆکۆڵەکانی تری ڕایەڵەی چنراو بەراورد دەکرێن. وای‌فایی ماڵەوەش دەکرێت ڕایەڵەیەکی چنراو بێت لە خاڵەکانی دەستڕاگەیشتن (ad hoc و وای‌فایی چنراو).

A mesh has costs too. It is expensive to install: the range between two nodes is short, so the number of repeaters grows quickly with distance. Often extra nodes must be added not to capture data but only to reach the desired coverage, devices that measure nothing and only pass messages on.

ڕایەڵەی چنراو تێچووشی هەیە. دامەزراندنی گرانە: مەودای سیگناڵی نێوان دوو نۆد کورتە، بۆیە ژمارەی دووپاتەکەرەوەکان بە زیادبوونی دووری زوو زیاد دەکات. زۆرجار دەبێت نۆدی زیادە دابنرێن، نەک بۆ کۆکردنەوەی دراوە، بەڵکو تەنیا بۆ گەیشتن بە ناوچەی داپۆشینی پێویست؛ ئامێرانێک کە هیچ ناپێون و تەنیا پەیام دەگوازنەوە.

So many devices and connections make setup, management and maintenance hard, like a city with too many roads, where signs, repairs and traffic control all become difficult. This complexity greatly hampers (blocks) scalability, the ability to grow. And although each radio sends with low power, relaying makes the total power consumption high.

ئەم هەموو ئامێر و پەیوەندییە ڕێکخستن، بەڕێوەبردن و چاککردنەوە قورس دەکەن، وەک شارێک کە شەقامی زۆر زۆری هەبێت و تێیدا نیشانەکان، چاککردنەوە و کۆنترۆڵی هاتوچۆ هەموویان قورس دەبن. ئەم ئاڵۆزییە ڕێگری لە توانای فراوانبوون (Scalability) دەکات، واتە توانای گەورەبوون. هەرچەندە هەر ڕادیۆیەک بە وزەی کەم دەنێرێت، گواستنەوە بەکارهێنانی وزەی گشتی بەرز دەکاتەوە.

A relay cannot sleep: it must constantly be awake and listen, in case a message needs relaying. When much traffic flows through one node, for example the node next to the gateway, its battery drains quickly, like a worker who is given everyone’s extra jobs and gets tired first.

گوازەرەوە ناتوانێت بخەوێت: دەبێت هەمیشە بە ئاگا بێت و گوێ بگرێت، نەوەک پەیامێک پێویستی بە گواستنەوە هەبێت. کاتێک هاتوچۆیەکی زۆر بە یەک نۆددا تێدەپەڕێت، بۆ نموونە ئەو نۆدەی لە تەنیشت دەروازەی ڕایەڵەوەیە، پاترییەکەی زوو بەتاڵ دەبێت، وەک کرێکارێک کە کاری زیادەی هەمووانی پێ دەسپێردرێت و پێش هەمووان ماندوو دەبێت.

Modern mesh protocols solve this with roles. In Zigbee and Thread only the router nodes relay, and they are usually mains-powered devices such as bulbs and smart plugs. Battery sensors join as sleepy end devices: they sleep most of the time and wake briefly to send a reading and to ask their parent router for waiting messages, so they still run for years.

پرۆتۆکۆڵەکانی نوێی ڕایەڵەی چنراو ئەمە بە دابەشکردنی ڕۆڵ چارەسەر دەکەن. لە Zigbee و Threadـدا تەنیا نۆدەکانی ڕێدۆز پەیام دەگوازنەوە و ئەوانیش زۆرجار ئامێری کارەبای پلاکن، وەک گڵۆپ و پلاکە هۆشمەندەکان (Smart plug). هەستەوەرەکان (Sensor) کە پاترییان هەیە وەک ئامێری کۆتایی خەوتوو بەشدار دەبن: زۆربەی کات دەخەون و بۆ ماوەیەکی کەم بەخەبەر دێن بۆ ناردنی خوێندنەوەیەک و بۆ پرسیارکردن لە ڕێدۆزی سەرووی خۆیان لەبارەی پەیامی چاوەڕوانکراو، بۆیە هێشتا چەند ساڵ کار دەکەن.

Every node of a mesh is a possible way in. The larger the network, the more repeaters it has, and the more possible points of attack: a bigger attack surface. An attacker who takes over one repeater can read or drop the messages that pass through it, or use it to attack its neighbours.

هەموو نۆدێکی ڕایەڵەی چنراو ڕێگایەکی ئەگەریی چوونە ژوورەوەیە. تا ڕایەڵەکە گەورەتر بێت، دووپاتەکەرەوەی زیاتری هەیە و خاڵی ئەگەریی هێرشی زیاتری هەیە: ڕووبەری هێرش گەورەتر. هێرشبەرێک کە دەست بەسەر دووپاتەکەرەوەیەکدا دەگرێت، دەتوانێت ئەو پەیامانەی بە ناویدا تێدەپەڕن بخوێنێتەوە یان فڕێیان بدات، یان بەکاری بهێنێت بۆ هێرشکردنە سەر دراوسێکانی.

A star is easier to protect: its end nodes work independently and never relay, so an attacked node does not affect the others, and the gateway is the one place to guard carefully. More in IoT security and privacy.

پاراستنی ڕایەڵەی ئەستێرەیی ئاسانترە: نۆدە کۆتاییەکانی بە جیا کار دەکەن و هەرگیز پەیام ناگوازنەوە، بۆیە نۆدێکی هێرشکراو کار ناکاتە سەر ئەوانی تر و دەروازەی ڕایەڵەکە ئەو یەک شوێنەیە کە دەبێت بە وردی بپارێزرێت. زیاتر لە ئاسایش و تایبەتێتیی IoT.