關(guān)于zigbee協(xié)議棧各層的系統分析

　　隨著(zhù)傳感器網(wǎng)絡(luò )的大肆應用；隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)概念的爆發(fā)；隨著(zhù)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們提出了在自身附近幾米范圍內通信的要求，這樣就出現了個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )PAN（Personal Area Network）和無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )WPAN（Wireless Personal Area Network）的概念。WPAN網(wǎng)絡(luò )為近距離范圍內的設備建立無(wú)線(xiàn)連接，把幾米到幾十米范圍內的多個(gè)設備通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式連接在一起，使他們可以相互通信甚至接入LAN或者Internet。

　　2001年8月成立的zigbee聯(lián)盟就是一個(gè)針對WPAN網(wǎng)絡(luò )而成立的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。該聯(lián)盟致力于近距離、低復雜度、低數據速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。他們開(kāi)發(fā)的技術(shù)被稱(chēng)為zigbee技術(shù)，該技術(shù)希望被部署到商用電子、住宅及建筑自動(dòng)化、工業(yè)設備監測、PC外設、醫療傳感設備、玩具以及游戲等其他無(wú)線(xiàn)傳感和控制領(lǐng)域當中。

　　1.1 IEEE802.15.4標準

　　zigbee聯(lián)盟已于2005年6月27日公布了第一份zigbee規范“zigbee SpecificaTIon V1.0”。這標準定義了在IEEE 802.15.4-2003物理層和標準媒體接入控制層上的網(wǎng)絡(luò )層及支持的應用服務(wù)。zigbee聯(lián)盟的長(cháng)期目標是能夠建立基于互操作平臺和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎架構。

　　1.1.1 IEEE802.15.4協(xié)議框架

　　IEEE802.15.4標準采用分層結構。每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)：數據實(shí)體提供數據傳輸服務(wù)，管理實(shí)體則提供所有其他的服務(wù)。所有的服務(wù)實(shí)體都通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)SAP（Service Access Point）為上層提供一個(gè)接口，每個(gè)SAP都支持一定數量的服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現所需的功能。

　　IEEE 802.15.4標準堆棧架構是在OSI七層模型的基礎上根據市場(chǎng)和應用的實(shí)際需要定義了，如圖2-1。其中，IEEE 802.15.4標準定義了底層：物理層PHY（Physical Layer）和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制子層MAC（Medium Access Control Sub-Layer）層。zigbee聯(lián)盟在此基礎上定義了網(wǎng)絡(luò )層NWK（Network Layer），應用層APL（ApplicaTIon Layer）架構。其中應用層包括應用支持子層APS（ApplicaTIon Support Sub-Layer），應用框架AF（ApplicaTIon Framework），zigbee設備對象ZDO（zigbee Device Objects）以及用戶(hù)定義應用對象（Manufacturer-Defined Application Objects ）。［16］

　　IEEE 802.15.4工作在工業(yè)科學(xué)醫療ISM（Industrial、Scientific and Medical）頻段，定義了兩個(gè)物理層PHY，分別工作在兩個(gè)頻段上：868/915 MHz和2.4GHz。其中低頻段物理層覆蓋了868MHz的歐洲頻段和915MHz的美國與澳大利亞等國的頻段。高頻段2.4GHz則全球通用。

　　IEEE 802.15.4 MAC層采用避免沖突多載波信道接入CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式，主要負責傳輸信標幀，同步以及提供可信賴(lài)的傳輸機制。

　　1.1.2 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)類(lèi)型

　　在W-PAN中有三種網(wǎng)絡(luò )角色：PAN網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器、協(xié)調器和設備。這三種角色在IEEE 802.15.4規范中分別對應zigbee協(xié)調器ZC（zigbee Coordinator）、zigbee路由器ZR（zigbee Router）和終端設備ZED（zigbee End Device）。

　　協(xié)調器和路由器只能是全功能器件FFD。一個(gè)PAN的網(wǎng)絡(luò )中，至少要有一個(gè)全功能器件成網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器，它可以看作是一個(gè)PAN的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)（SINK節點(diǎn)），它是網(wǎng)絡(luò )建立的起點(diǎn)，負責PAN網(wǎng)絡(luò )的初始化，確定PAN的ID號和PAN操作的物理信道并統籌短地址分配，充當信任中心和儲存安全密鑰，與其他網(wǎng)絡(luò )的連接等。協(xié)調器在加入網(wǎng)絡(luò )之后獲得一定的短地址空間。這個(gè)空間內，他有能力允許其他節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )，并分配短地址。當然協(xié)調器還具備路由和數據轉發(fā)的功能。在任何一個(gè)拓撲網(wǎng)絡(luò )上，所有設備都有一個(gè)唯一的64位IEEE長(cháng)地址，該地址可以在PAN中用于直接通信?；蛘弋斔性O備之間都已經(jīng)存在連接時(shí)，可以將其轉變?yōu)?6位的網(wǎng)絡(luò )短地址分配給PAN設備。因此在設備發(fā)起連接時(shí)采用的是64位的長(cháng)地址，只有連接成功后，系統分配了PAN的標志符后，才能采用16位的短地址來(lái)通信。路由器可以只運行一個(gè)存放有路由協(xié)議的精簡(jiǎn)協(xié)議棧，負責網(wǎng)絡(luò )數據的路由，實(shí)現數據中轉功能。

　　在網(wǎng)絡(luò )中最基本的節點(diǎn)就是終端節點(diǎn)ZED，一個(gè)終端節點(diǎn)可以是全功能器件FFD或者是精簡(jiǎn)功能器件RFD。

　　1.2.1 IEEE 802.15.4

　　IEEE802.15.4包括用于低速無(wú)線(xiàn)個(gè)人域網(wǎng)LR-WPAN的物理層PHY和媒體接入控制層MAC兩個(gè)規范。圖2-4給出了IEEE 802.15.4的分層參考模型。

　　1.2.1.1 IEEE 802.15.4 PHY層

　　物理層的作用主要是利用物理介質(zhì)為數據鏈路層提供物理連接，負責處理數

　　據傳輸率并架空數據出錯率，以便透明低傳送比特流。zigbee協(xié)議的物理層主要負責以下任務(wù)：

　?。?）啟動(dòng)和關(guān)閉RF收發(fā)器。

　?。?）信道能量檢測。

　?。?）對接收到的數據報進(jìn)行鏈路質(zhì)量指示LQI（Link Quality Indication）。

　?。?）為CSMA/CA算法提供空閑信道評估CCA（Clear Channel Assessment）。

　?。?）對通信信道頻率進(jìn)行選擇。

　?。?）數據包的傳輸和接收

　　IEEE 802.15.4的物理層定義了物理信道和MAC子層間的接口，提供數據服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數據服務(wù)從無(wú)線(xiàn)物理信道上收發(fā)數據，物理層管理服務(wù)維護一個(gè)物理層相關(guān)數據組成的數據庫。

　　1.2.1.2 IEEE 802.15.4 MAC層

　　IEEE 802.15.4媒體介入控制層的沿用了傳統無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的帶沖突避免的載波多路偵聽(tīng)訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)CSMA/CA方式，以提高系統的兼容性。這種設計，不但使多種拓撲結構網(wǎng)絡(luò )的應用變得簡(jiǎn)單，還可以實(shí)現非常有效的功耗管理。

　　MAC層完成的具體任務(wù)如下：

　?。?）協(xié)調器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀（Beacon）。

　?。?）普通設備根據協(xié)調器的信標幀與協(xié)調器同步。

　?。?）支持PAN網(wǎng)絡(luò )的關(guān)聯(lián)（Association）和取消關(guān)聯(lián)（Disassociation）操作。

　?。?）為設備的安全性提供支持。

　?。?）使用CSMA-CA機制共享物理信道。

　?。?）處理和維護時(shí)隙保障GTS（Guaranteed Time Slot）機制。

　?。?）在兩個(gè)對等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的數據鏈路。

　　在IEEE 802.15.4的MAC層中引入了超幀結構和信標幀的概念。這兩個(gè)概念的引入極大了方便了網(wǎng)絡(luò )管理，我們可以選用以超幀為周期組織LR-WPAN網(wǎng)絡(luò )內設備間的通信。每個(gè)超幀都以網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器發(fā)出信標幀為始，在這個(gè)信標幀中包含了超幀將持續的時(shí)間以及對這段時(shí)間的分配等信息。網(wǎng)絡(luò )中的普通設備接收到超幀開(kāi)始時(shí)的信標幀后，就可以根據其中的內容安排自己的任務(wù)，例如進(jìn)入休眠狀態(tài)直到這個(gè)超幀結束。

　　MAC子層提供兩種服務(wù)：MAC層數據服務(wù)和MAC層管理服務(wù)（MAC sub-layer management entity，MLME）。前者保證MAC協(xié)議數據單元在物理層數據服務(wù)中正確收發(fā)，后者維護一個(gè)存儲MAC子層協(xié)議相關(guān)信息的數據庫。

　　1.3 zigbee協(xié)議分析

　　1.3.1 zigbee協(xié)議

　　zigbee的協(xié)議棧結構是由一系列稱(chēng)為層的協(xié)議塊所組成的。每個(gè)層為上一層提供一系列特定的服務(wù)。數據入口提供數據傳輸的服務(wù)，管理入口提供其余的所有服務(wù)。每個(gè)服務(wù)接口都通過(guò)SAP（Service Access Point）接口與上一層進(jìn)行數據交換，每個(gè)SAP都支持一系列的服務(wù)原語(yǔ)。

　　zigbee協(xié)議棧是基于OSI（Open Systems Interconnection）標準的，但只定義了所需要的那些層。主要由物理層PHY，媒體接入層MAC，網(wǎng)絡(luò )層以及應用框架層組成，框架圖如圖所示。其中，PHY層和MAC層采用了IEEE 802.15.4協(xié)議標準。

　　zigbee網(wǎng)絡(luò )層主要用于zigbee的無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)WPAN網(wǎng)的組網(wǎng)連接，數據管理以及網(wǎng)絡(luò )安全等。

　　zigbee應用框架層主要為zigbee技術(shù)的實(shí)際應用提供一些應用框架模型等，以便對zigbee技術(shù)的開(kāi)發(fā)應用，在不同的應用場(chǎng)合，其開(kāi)發(fā)應用框架不同，從目前來(lái)看，不同廠(chǎng)商提供的應用框架是有差異的。

　　1.3.2 zigbee網(wǎng)絡(luò )層

　　網(wǎng)絡(luò )層需要在功能上保證與IEEE 802.15.4標準兼容，同時(shí)也需要上層提供合適的功能接口。

　　對于網(wǎng)絡(luò )層，其完成和提供的主要功能如下：

　?。?）產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò )層的數據包：當網(wǎng)絡(luò )層接受到來(lái)自應用子層的數據包，網(wǎng)絡(luò )層對數據包進(jìn)行解析，然后加上適當的網(wǎng)絡(luò )層包頭向MAC傳輸。

　?。?）網(wǎng)絡(luò )拓撲的路由功能：網(wǎng)絡(luò )層提供路由數據包的功能，如果包的目的節點(diǎn)是本節點(diǎn)的話(huà)，將該數據包向應用子層發(fā)送。如果不是，則將該數據包轉發(fā)給路由表中下一結點(diǎn)。

　?。?）配置新的器件參數：網(wǎng)絡(luò )層能夠配置合適的協(xié)議，比如建立新的協(xié)調器并發(fā)起建立網(wǎng)絡(luò )或者加入一個(gè)已有的網(wǎng)絡(luò )。

　?。?）建立PAN網(wǎng)絡(luò )

　?。?）連入或脫離PAN網(wǎng)絡(luò )：網(wǎng)絡(luò )層能提供加入或脫離網(wǎng)絡(luò )的功能，如果節點(diǎn)是協(xié)調器或者是路由器，還可以要求子節點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò )。

　?。?）分配網(wǎng)絡(luò )地址：如果本節點(diǎn)是協(xié)調器或者是路由器，則接入該節點(diǎn)的字節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )地址由網(wǎng)絡(luò )層控制。

　?。?）鄰居節點(diǎn)的發(fā)現：網(wǎng)絡(luò )層能發(fā)現維護網(wǎng)絡(luò )鄰居信息。

　?。?）建立路由：網(wǎng)絡(luò )層提供路由功能。

　?。?）控制接收：網(wǎng)絡(luò )層能控制接收器的接受時(shí)間和狀態(tài)。

　　zigbee網(wǎng)絡(luò )層的結構

　　為了向應用層提供接口，網(wǎng)絡(luò )層提供了兩個(gè)功能服務(wù)實(shí)體，分別為數據服務(wù)實(shí)體NLDE和管理服務(wù)實(shí)體NLME。NLDE通過(guò)NLDE-SAP為應用層提供數據傳輸服務(wù)，NLME通過(guò)NLME-SAP為應用層提供網(wǎng)絡(luò )管理服務(wù)，并且，NLME還完成對網(wǎng)絡(luò )信息庫NIB的維護和管理。

　　1.3.3 zigbee應用層

　　zigbee應用層包括應用支持子層APS、應用框架AF、zigbee設備對象ZDO。它們共同為各應用開(kāi)發(fā)者提供統一的接口。

　　1.3.3.1 應用支持子層APS

　　APS層主要功能：

　?。?）APS層協(xié)議數據單元APDU的處理。

　?。?）APSDE提供在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的應用實(shí)體之間的數據傳輸機制。

　?。?）APSME提供多種服務(wù)給應用對象，這些服務(wù)包括安全服務(wù)何綁定設備，并維護管理對象的數據庫，也就是我們常說(shuō)的AIB。

　　1.3.3.2 應用框架AF

　　應用框架（Application Framework）為各個(gè)用戶(hù)自定義的應用對象提供了模板式的活動(dòng)空間，為每個(gè)應用對象提供了鍵值對KVP服務(wù)和報文MSG服務(wù)兩種服務(wù)供數據傳輸使用。

　　每個(gè)節點(diǎn)除了64位的IEEE地址，16位的網(wǎng)絡(luò )地址，每個(gè)節點(diǎn)還提供了8位的應用層入口地址，對應于用戶(hù)應用對象。端點(diǎn)0為ZDO接口，端點(diǎn)1至240供用戶(hù)自定義用于對象使用，端點(diǎn)255為廣播地址，端點(diǎn)241 -254保留將來(lái)使用。每一個(gè)應用都對應一個(gè)配置文件（Profile）。配置文件包括：設備ID（Device ID），事務(wù)集群ID（cluster ID），屬性ID（Attribute ID）等。AF可以通過(guò)這些信息來(lái)決定服務(wù)類(lèi)型。

　　1.3.3.3 zigbee設備對象ZDO

　　ZDO是一個(gè)特殊的應用層的端點(diǎn)（Endpoint）。它是應用層其他端點(diǎn)與應用子層管理實(shí)體交互的中間件。它主要提供的功能如下：

　?。?）初始化應用支持子層，網(wǎng)絡(luò )層。

　?。?）發(fā)現節點(diǎn)和節點(diǎn)功能。在無(wú)信標的網(wǎng)絡(luò )中，加入的節點(diǎn)只對其父節點(diǎn)可見(jiàn)。而其他節點(diǎn)可以通過(guò)ZDO的功能來(lái)確定網(wǎng)絡(luò )的整體拓撲結構已經(jīng)節點(diǎn)所能提供的功能。

　?。?）安全加密管理：主要包括安全key的建立和發(fā)送，已經(jīng)安全授權。

　?。?）網(wǎng)絡(luò )的維護功能。

　?。?）綁定管理：綁定的功能由應用支持子層提供，但是綁定功能的管理卻是由ZDO提供，它確定了綁定表的大小，綁定的發(fā)起和綁定的解除等功能。

　?。?）節點(diǎn)管理：對于網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器和路由器，ZDO提供網(wǎng)絡(luò )監測、獲取路由和綁定信息、發(fā)起脫離網(wǎng)絡(luò )過(guò)程等一系列節點(diǎn)管理功能。

　　ZDO實(shí)際上是介于應用層端點(diǎn)和應用支持子層中間的端點(diǎn)，其主要功能集中在網(wǎng)絡(luò )管理和維護上。應用層的端點(diǎn)可以通過(guò) ZDO提供的功能來(lái)獲取網(wǎng)絡(luò )或者是其他節點(diǎn)的信息，包括網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構、其它幾點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )地址和狀態(tài)以及其他幾點(diǎn)的類(lèi)型和提供的服務(wù)等信息。

　　1.4 zigbee網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

　　zigbee網(wǎng)絡(luò )支持多種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，最典型的網(wǎng)絡(luò )結構是星型網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構。對于星型網(wǎng)絡(luò )，由一個(gè)協(xié)調器和多個(gè)終端節點(diǎn)組成。在星型網(wǎng)絡(luò )中，所有的通信都是通過(guò)協(xié)調器轉發(fā)。這樣的網(wǎng)絡(luò )結構有三個(gè)缺點(diǎn)：一是會(huì )增加協(xié)調器的負載，對協(xié)調器的性能要求很高；二是協(xié)調協(xié)作都通過(guò)協(xié)調器轉發(fā)的話(huà)，會(huì )極大的增加系統的延時(shí)，使得系統的實(shí)時(shí)性受到影響；三是單一節點(diǎn)的破壞造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的癱瘓，降低了網(wǎng)絡(luò )的魯棒性。

　　除了支持星型網(wǎng)絡(luò )以外，zigbee還支持樹(shù)狀（Tree）和網(wǎng)狀（Mesh）等對等網(wǎng)絡(luò )，如圖2-11。在對等網(wǎng)絡(luò )中，也存在一個(gè)PAN協(xié)調器（Coordinator），但是它已經(jīng)不是網(wǎng)絡(luò )的主控制器，而是主要起到發(fā)起網(wǎng)絡(luò )和組網(wǎng)的作用。在對等網(wǎng)絡(luò )中，一個(gè)設備在另一設備的通信范圍之內，他們就可以互相通信。因此，對等網(wǎng)絡(luò )拓撲結構統一構成較為復雜的網(wǎng)絡(luò )結構。對等網(wǎng)絡(luò )拓撲結構主要在工業(yè)檢測和控制，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，供應物資跟蹤，農業(yè)智能化以及安全監控方面都有廣泛的應用。在網(wǎng)絡(luò )中，各個(gè)設備之間發(fā)送消息時(shí)，使用了多跳傳輸，以增大網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍。其中，組網(wǎng)的路由協(xié)議是采用了無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)按需平面距離矢量AODV路由協(xié)議（Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing），無(wú)論是星型拓撲還是對等拓撲，每個(gè)獨立的PAN都有一個(gè)唯一的標志符PAN ID，用以同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )之內節點(diǎn)的互相識別和通信。