Z-Wave技術(shù)的五大協(xié)議介紹（物理、MAC、傳輸、路由及應用層）

　　z-wave協(xié)議是一種低速率，半雙工的可靠，健壯的無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議，適用于低成本的網(wǎng)狀控制網(wǎng)絡(luò )。協(xié)議的主要目的是以可靠的方式從一個(gè)控制單元到一個(gè)或多個(gè)節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )傳輸短控制消息。z-wave協(xié)議不是用來(lái)傳輸大量數據或者傳輸任何類(lèi)型的流或臨界時(shí)間的數據。

　　協(xié)議由下至上分為5層：物理層、MAC層、傳輸層、路由層和應用層。MAC層負責設備間無(wú)線(xiàn)數據鏈路的建立、維護和結束。同時(shí)控制信道接入，進(jìn)行幀校驗，并預留時(shí)隙管理。為了提高數據傳輸的可靠性，當有節點(diǎn)進(jìn)行數據傳送時(shí)，媒體介質(zhì)層還采用了載波偵聽(tīng)多址、沖突避免(CSMA/CA)機制以防止其他節點(diǎn)傳送信號。

　　傳輸層主要用于提供節點(diǎn)之間的可靠的數掘傳輸，主要功能包括重新傳輸、幀校驗、幀確認以及實(shí)現流量控制等。路由層控制節點(diǎn)間數據幀的路由、確保數據幀在不同節點(diǎn)間能夠多次重復傳輸、掃描網(wǎng)絡(luò )拓撲和維持路由表等。應用層負責Z-Wave網(wǎng)絡(luò )中的譯碼和指令的執行，主要功能包括曼徹斯特譯碼、指令識別、分配HomeID和Node ID、實(shí)現網(wǎng)絡(luò )中控制器的復制以及對于傳送和接收幀的有效荷載進(jìn)行控制等。

　　Z-Wave技術(shù)的五大協(xié)議介紹

　　1)物理層

　　Z-Wave是一種低速率無(wú)線(xiàn)技術(shù)，專(zhuān)注于低速率應用，有9.6Kbit/s和40Kbit/s兩種傳輸速率，前者用來(lái)傳輸控制命令綽綽有余，而后者可以提供更為高級的網(wǎng)絡(luò )安全機制。它的工作頻段靈活，處于900MHz (ISM (Industrial ScienTIfic Medical)頻帶)、868.42MHz(歐洲)、908.42MHz(美國)，工作在這些頻帶上的設備相對較少，而ZigBee或藍牙所使用的2.4GHz頻帶正變得日益擁擠，相互之間的干擾不可避免，因此Z-Wave技術(shù)更能保證通信的可靠性。

　　Z-Wave的功耗極低。它使用了頻移鍵控(Frequency-Shift Keying，FSK)無(wú)線(xiàn)通方式，適合智能家居網(wǎng)絡(luò )使用，電池供電節點(diǎn)通常保持在睡眠狀態(tài)，每隔一段時(shí)間喚醒一次，監聽(tīng)是否有需要接收的數據，兩節普通7號電池可以使用長(cháng)達10年時(shí)間，免去了頻繁充電和更換電池的麻煩，保證了應用的長(cháng)久穩定。

　　Z-Wave的系統復雜性比ZigBee小， 比藍牙設備要小得多，協(xié)議簡(jiǎn)單，所要求的存儲空間很小。標準的Z-Wave模塊中設計了32KB的閃存用于存放協(xié)議，而同等功能的ZigBee模塊則至少需要128KB才能使用，藍牙則需要更多。所以Z-Wave模塊的成本要低于ZigBee或者藍牙設備。

　　Z-Wave網(wǎng)絡(luò )容量為單網(wǎng)絡(luò )最多232個(gè)節點(diǎn)，遠低于ZigBee的65535個(gè)。Z-Wave節點(diǎn)的典型覆蓋范圍為室內30m以及室外100m，最多支持4級路由。在應用的普適性方面差于ZigBee，不能使用單一技術(shù)建立大規模網(wǎng)絡(luò )。但對于智能家居應用來(lái)說(shuō)，已經(jīng)足以覆蓋到全部范圍。通過(guò)使用虛擬節點(diǎn)技術(shù)，Z-Wave網(wǎng)絡(luò )也可以與其他類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。

　　2) MAC層

　　Z-Wave的MAC層控制無(wú)線(xiàn)媒介。數據流采用曼徹斯特編碼，數據幀包含了前碼、幀頭、幀數據、幀尾。幀數據是幀傳遞給傳輸層的部分。所有數據都通過(guò)小端模式傳輸。MAC層獨立無(wú)線(xiàn)媒介、頻率和調制方法，但是要求接收到數據時(shí)能從曼徹斯特編碼比特流或解碼比特流獲得幀數據或整個(gè)二進(jìn)制信號。數據通過(guò)8bit據塊傳輸，第—位是最高有效位(Most Significant Bit，MSB)，數據經(jīng)過(guò)曼徹斯特編碼，以便得到一個(gè)無(wú)直流的信號。

　　MAC層具有沖突避免機制，防止節點(diǎn)在其他節點(diǎn)發(fā)送數據時(shí)開(kāi)始數據的傳輸。沖突避免機制通過(guò)以下方法實(shí)現：讓不在傳輸數據的節點(diǎn)進(jìn)入接收模式，如果MAC層正處于接收數據階段則延遲傳輸，沖突避免機制在所有類(lèi)型的節點(diǎn)上都被激活。當媒介正忙時(shí)，幀的傳輸延遲一個(gè)隨機的毫秒數。

　　MAC層沖突避免機制的核心是CSMA/CA，包括載波監聽(tīng)、幀間間隔和隨機退避機制。每=個(gè)節點(diǎn)使用載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)(Carrier Sense MulTIple Access，CSMA)機制的分布接入算法，讓各個(gè)節點(diǎn)爭用信道來(lái)獲取發(fā)送權。CSMA/CA方式采用兩次握手機制，即ACK (Acknowledgement)機制：當接收方正確地接收幀后，就會(huì )立即發(fā)送確認幀ACK，發(fā)送方收到該確認幀，。就知道該幀已經(jīng)成功發(fā)送。如果媒介閑時(shí)間大于等于幀間隔，就傳輸數據，否則將延時(shí)傳輸。

　　CSMA/CA的基礎是載波監聽(tīng)。物理載波監聽(tīng)在物理層完成，通過(guò)對天線(xiàn)接收的有效信號進(jìn)行檢測，若探測到這樣的有效信號，物理載波監聽(tīng)認為信道忙，MAC載波監聽(tīng)在MAC層完成，通過(guò)檢測MAC幀中的持續間域完成。信道空閑時(shí)才能發(fā)送數據，如果信道繁忙，就執行退避算法，然后重新檢測信道，避免共享介質(zhì)碰撞。介質(zhì)繁忙狀態(tài)剛剛結束的時(shí)間是碰撞發(fā)生的高峰時(shí)刻，許多節點(diǎn)郡在等待介質(zhì)，介質(zhì)空閑的第一時(shí)間所有節點(diǎn)都試圖發(fā)送，會(huì )導致大量碰撞，所以CSMA/CA采用隨機退避時(shí)間控制各個(gè)節點(diǎn)幀的發(fā)送。

　　3)傳輸層

　　傳輸層主要用于提供節點(diǎn)之間可靠的數據傳輸，主要功能包括重新傳輸、幀校驗、幀確認和實(shí)現流量控制等。傳輸層幀共有三種類(lèi)型。

　　單播幀：?jiǎn)尾蛞粋€(gè)指定的節點(diǎn)發(fā)送，如果目標節點(diǎn)成功收到此幀，將會(huì )回復一個(gè)應答幀ACK，如果單播幀或者應答幀丟失或損壞，單播幀將被重發(fā)。為了避免與其他系統的碰撞，重傳幀將會(huì )有一個(gè)隨機延遲。隨機延遲必須與傳輸最大幀長(cháng)和接收應答幀所花費的時(shí)間一致。單播幀在不需要可靠傳輸的系統中可以選擇關(guān)閉應答機制。應答幀是Z-Wave單播幀的一種類(lèi)型，其數據域的長(cháng)度是o。

　　多播幀：多播幀將傳輸給網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)1到節點(diǎn)232中的若干個(gè)。多播幀目標地址指定了所有的目標節點(diǎn)，而不用向每個(gè)節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)獨立的幀。多播沒(méi)有應答，所以這種類(lèi)型的幀不能用在需要可靠傳輸的系統中，如果多播幀一定要求可靠性，則需要在多播幀之后跟著(zhù)發(fā)送單播幀。

　　廣播幀：廣播幀將傳輸給網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)，任何節點(diǎn)都不對該幀進(jìn)行應答。和多播幀一樣，它也不能用于需要可靠傳輸的系統中，和多播幀一樣，如果廣播幀一定要求可靠性，則需要在廣播幀之后跟著(zhù)發(fā)送單播幀。

　　4)路由層

　　路由層控制一個(gè)節點(diǎn)向另—個(gè)節點(diǎn)的幀的路由?？刂破骱凸濣c(diǎn)都參與幀的路由。它們總是處在監聽(tīng)狀態(tài)并且有一個(gè)固定的位置。該層負責通過(guò)一個(gè)正確的轉發(fā)表來(lái)發(fā)送幀，同時(shí)也保證幀在節點(diǎn)與節點(diǎn)之間轉發(fā)。路由層也要掃描網(wǎng)絡(luò )拓撲結構并且維護控制器中的路由表。

　　Z- Wave技術(shù)的路由層采用了動(dòng)態(tài)源路由(Dynamic Source RouTIng，DSR)協(xié)議。DSR協(xié)議是一種按需路由協(xié)議，它允許節點(diǎn)動(dòng)態(tài)發(fā)現到達目標節點(diǎn)的路由，每個(gè)數據幀的頭部附加有到達目標節點(diǎn)之前所需經(jīng)過(guò)的節點(diǎn)列表，即數據分組中包含到達目標節點(diǎn)的完整路由。與傳統的路由方法不同，傳統路由方法如按需距離矢量(AdHoc On-demand Distance Vector RouTIng，AODV)協(xié)議在分組中只包含下一跳節點(diǎn)和目的節點(diǎn)地址，所以DSR不需要周期性廣播網(wǎng)絡(luò )拓撲信息，避免網(wǎng)絡(luò )大規模更新，能有效減少網(wǎng)絡(luò )帶寬開(kāi)銷(xiāo)，節約能量消耗。

　　在發(fā)現路由時(shí)，源節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)含有源路由列表的路由請求幀，此時(shí)路由列表只有源節點(diǎn)，收到該幀的節點(diǎn)繼續向前發(fā)送該幀，并在路由列表中加入自己的節點(diǎn)地址，直到到達目標節點(diǎn)。每個(gè)節點(diǎn)都有一個(gè)用于保存最近收到路由請求的存儲區，

　　因此可以不重復轉發(fā)已經(jīng)收到的請求幀。部分節點(diǎn)(如果它們有額外的外部存儲空間)會(huì )將已經(jīng)獲得的源路由表存儲下來(lái)以減少路由開(kāi)銷(xiāo)。當收到請求幀時(shí)，先查看存儲的路由表中是否存在合適路由，如果有就不再轉發(fā)，直接返回該路由至源節點(diǎn)，如果請求被轉發(fā)到了目標節點(diǎn)，那么目標節點(diǎn)就將返回一個(gè)返回路由。

　　當源節點(diǎn)要與目標節點(diǎn)通信時(shí)，源節點(diǎn)首先廣播一個(gè)具有唯-一ID的RREQ消息，被源節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)覆蓋范圍內一個(gè)或多個(gè)具有到目標節點(diǎn)路由信息的中間節點(diǎn)接收，返回該路由信息至源節點(diǎn)。每個(gè)節點(diǎn)的路由緩沖區都會(huì )記錄該節點(diǎn)偵聽(tīng)到的路由信息。當一個(gè)節點(diǎn)收到RREQ消息時(shí)，如果在該節點(diǎn)最近的請求中包含該請求，則丟棄該請求;如果RREQ路由記錄中包含當前節點(diǎn)的地址，則不進(jìn)行處理，防止形成環(huán)路;如果當前節點(diǎn)就是目標節點(diǎn)，則發(fā)送返回路由給源節點(diǎn);其他情況下，該節點(diǎn)在RREQ中添加自己的地址，并將該幀廣播出去。

　　當路由列表上的一個(gè)節點(diǎn)移動(dòng)或掉電時(shí)，網(wǎng)絡(luò )拓撲會(huì )發(fā)生變化，路由不可用。當上游節點(diǎn)通過(guò)MAC層協(xié)議發(fā)現連接不可用時(shí)，就會(huì )向上游所有節點(diǎn)發(fā)送RERR。源節點(diǎn)收到該RERR后，會(huì )從路由存儲區中刪除無(wú)效路由，如果需要的話(huà)源節點(diǎn)會(huì )重新發(fā)起路由發(fā)現過(guò)程來(lái)建立新路由。

　　DSR協(xié)議不需要周期性地交換路由信息，可以減少網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)，節點(diǎn)可以進(jìn)入休眠模式，節省電池電量。數據幀中含有完整的路由信息，節點(diǎn)可以獲取完整路由中所包含的部分有用信息，如A到B到C的路由中包含了B到C的路由信息，B節點(diǎn)不需要發(fā)起對C的路由發(fā)現，從而節省了路由發(fā)現所需的開(kāi)銷(xiāo)。同時(shí)，DSR協(xié)議網(wǎng)絡(luò )的規模受到了限制，因為數據包中有很多都帶有路由信息，過(guò)長(cháng)的路由表會(huì )大幅增加網(wǎng)絡(luò )分組開(kāi)銷(xiāo)，鑒于一個(gè)Z-Wave網(wǎng)絡(luò )中最多232個(gè)節點(diǎn)的限定和最多支持4跳路由，DSR協(xié)議的額外開(kāi)銷(xiāo)并不至于十分嚴重，增強型節點(diǎn)類(lèi)型也有更大的外部存儲空間可以存儲最近使用的路由信息，也以硬件開(kāi)銷(xiāo)彌補網(wǎng)絡(luò )性能。

　   5)應用層

　　應用層負責Z-Wave網(wǎng)絡(luò )中的譯碼和指令的執行，主要功能包括曼徹斯特譯碼、指令識別、分配Home ID和Node ID、實(shí)現網(wǎng)絡(luò )中控制器的復制以及對于傳送和接收幀的有效荷載進(jìn)行控制等。Z-Wave技術(shù)關(guān)注設備的互操作性和廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)的方便性，在應用層中引入了相關(guān)機制以實(shí)現這一點(diǎn)。

　　為了實(shí)現智能家居控制系統中眾多子系統的相互作用，加強各個(gè)領(lǐng)域廠(chǎng)商產(chǎn)品的相互操作性，Z-Wave提供了標準化的方法來(lái)實(shí)現設備和設備之間的相互作用。這允許從某一個(gè)廠(chǎng)商制造的遙控器提供照明子系統的調光功能，對另一個(gè)廠(chǎng)商制造的燈光節點(diǎn)進(jìn)行控制。這樣所有的廠(chǎng)商只需要集中精力開(kāi)發(fā)其所擅長(cháng)的產(chǎn)品，它們可以很好地工作在一個(gè)Z-Wave網(wǎng)絡(luò )中，而不需要自己包辦整套智能家居系統，給廠(chǎng)商的開(kāi)發(fā)提供了便捷。