傳感器網(wǎng)絡(luò )標準方案
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近兩年無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的飛速發(fā)展，大量無(wú)線(xiàn)終端誕生。這些以傳感器和遠程控制為代表的無(wú)線(xiàn)應用不需要較高的傳輸帶寬，而需要較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗，使用戶(hù)能擁有較長(cháng)的電池壽命和較多的器件陣列。藍牙技術(shù)在這方面有很大的發(fā)展空間，但它不是一種符合傳感器和低端面向控制等簡(jiǎn)單應用的專(zhuān)用標準，對那些在功耗或網(wǎng)絡(luò )性能要求較高的個(gè)人無(wú)線(xiàn)應用就顯得無(wú)能為力了。
IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的出現正好解決了這一問(wèn)題。
核心內容
2003年10月，就在IEEE推出802.15.4協(xié)議標準的同時(shí)，ZigBee聯(lián)盟也開(kāi)始醞釀與之相配套的網(wǎng)絡(luò )層及應用層的協(xié)議，目的并不是為了推出一項具體的技術(shù)，而是為了給傳感器網(wǎng)絡(luò )和控制系統推出一個(gè)標準的解決方案。
IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議是由IEEE 802.15.4標準的PHY和MAC層再加上ZigBee的網(wǎng)絡(luò )和應用支持層所組成的，其突出的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )系統支持極低成本、易實(shí)現、可靠的數據傳輸、短距離操作、極低功耗、各層次的安全性等。該標準一出現就引起了業(yè)界的廣泛重視，短短一年多的時(shí)間內便有上百家集成電路、運營(yíng)商等宣布支持IEEE 802.15.4/ZigBee，并且很快在全球自發(fā)成立了若干聯(lián)盟。
IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議中明確定義了三種拓撲結構：星型結構(Star)、簇狀結構(Cluster tree)和網(wǎng)狀結構(Mesh)，如圖1所示。協(xié)議定義了兩種相互配合使用的物理設備——全功能設備和削減功能設備：
● 全功能設備(Full function device, FFD)，可以支持任何一種拓撲結構，可以作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設備進(jìn)行通信。
● 削減功能設備(Reduced function device, RFD)，只支持星型結構，不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡(luò )協(xié)商者進(jìn)行通信，實(shí)現簡(jiǎn)單。
IEEE 802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò )需要至少一個(gè)全功能設備作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)商者，終端節點(diǎn)一般使用削減功能設備來(lái)降低系統成本和功耗，提高電池使用壽命。另外所有設備必須使用一個(gè)64位的IEEE地址；可以使用16位短地址來(lái)減少數據包大??；尋址模式可以為網(wǎng)絡(luò )增加設備標識符的星型結構，以及源和目標標識符的點(diǎn)到點(diǎn)結構兩種。
物理層的設計是面向低成本和更高層次的集成需求的，對大部分較低端的實(shí)現來(lái)說(shuō)，直接序列(Direct Sequence)的應用使得采用模擬電路變得非常簡(jiǎn)單，具有更高的容錯性能；MAC層的設計不但使得多種拓撲結構網(wǎng)絡(luò )的應用變得簡(jiǎn)單，可以實(shí)現非常有效的功耗管理，而不需要在很多管理模式之間切換。MAC層可以使用一種削減功能設備，由于其結構簡(jiǎn)單，不需要大量的Flash、ROM和RAM等存儲設備，從而保證了較長(cháng)的電池壽命。MAC還進(jìn)行了特別的設計，可以支持極大數目的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，而不需要對它們進(jìn)行包裝處理；網(wǎng)絡(luò )層的設計支持網(wǎng)絡(luò )規模在空間上的增長(cháng)，而不需要使用高功耗的中繼器，而且網(wǎng)絡(luò )層在較少網(wǎng)絡(luò )負載的條件下可以支持更大數目的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。
主要特點(diǎn)
● 低功耗、實(shí)現簡(jiǎn)單。設備可以在電池的驅動(dòng)下，運行數月甚至數年。低功耗意味著(zhù)較高的可靠性和可維護性，更適合體積小的大量日常應用。另外，非電池供電的設備同樣需要考慮能量的問(wèn)題，因為功耗關(guān)系著(zhù)成本等一系列問(wèn)題。
● 低成本。對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，低成本意味著(zhù)較低的設備費用、安裝費用和維護費用。ZigBee設備可以在標準電池供電的條件下(低成本)工作，而不需要任何重換電池或充電操作(低成本、易安裝)，ZigBee在內部自動(dòng)可配置和網(wǎng)絡(luò )設備的冗余等方面的簡(jiǎn)化更是提供了較低的維護費用。
● 單個(gè)網(wǎng)絡(luò )中可容納更高密度的節點(diǎn)。ZigBee通過(guò)使用IEEE 802.15.4標準的PHY和MAC層，支持幾乎任意數目的設備，這對于大規模傳感器陣列和控制尤其重要。
● 協(xié)議簡(jiǎn)單，國際通用。ZigBee協(xié)議棧平均只有Bluetooth或其他IEEE 802.11的1/4，這種簡(jiǎn)化對低成本、可交互性和可維護性非常重要。IEEE 802.15.4的PHY層的使用可以支持歐洲的868MHz的頻段、全球美洲和澳大利亞的915MHz的頻段和現在已經(jīng)被廣泛使用的2.4GHz的頻段，使該協(xié)議具有更旺盛的生命力。
幀結構
IEEE 802.15.4/ZigBee幀結構的設計原則是保證網(wǎng)絡(luò )在有噪音的信道上以足夠健壯的傳輸的同時(shí)將網(wǎng)絡(luò )的復雜性降到最低。每一后繼的協(xié)議層都是在其前一層添加或者剝除了幀頭和幀尾而形成，IEEE 802.15.4的MAC層定義了4種基本幀結構:
● 信標幀，供協(xié)商者使用。
● 數據幀，承載所有的數據。
● 響應幀，確認幀的順利傳送。
● MAC命令幀，用來(lái)處理MAC對等實(shí)體之間的控制傳送。
另外，IEEE 802.15.4標準，即LR-WPAN(低數據率的無(wú)線(xiàn)個(gè)人網(wǎng))標準還支持可選的超幀結構。該超幀結構的格式是由協(xié)商者來(lái)定義，綁定了網(wǎng)絡(luò )信標幀，并由協(xié)商者來(lái)使用。超幀被劃分為16個(gè)大小相等的時(shí)隙，信標幀在每一個(gè)超幀的第一個(gè)時(shí)隙中進(jìn)行傳輸，如果協(xié)商者不希望使用超幀結構，可以關(guān)掉信標幀的傳輸。信標幀可以用來(lái)同步網(wǎng)絡(luò )中的設備，識別PAN并且描述超幀結構。在沖突訪(fǎng)問(wèn)階段，任何一個(gè)設備如果想進(jìn)行通信，必須與其他設備使用CSMA-CA的機制，而且所有的事務(wù)必須在下一個(gè)網(wǎng)絡(luò )信標幀到來(lái)前完成。
對于低延遲或者有特殊數據帶寬要求的應用，PAN的協(xié)商者可以利用部分活動(dòng)的超幀結構來(lái)做到，它們被稱(chēng)為確保服務(wù)的同步時(shí)隙(Guaranteed Time Slot，GTS) ，這些時(shí)隙是由信道無(wú)競爭周期（Contention Free Period，CFP）組成。CFP一般出現在活動(dòng)的超幀尾端，前面一般跟隨著(zhù)一些信道競爭訪(fǎng)問(wèn)周期（Contention Access Period，CAP）。一個(gè)PAN協(xié)商者可能包括少于7個(gè)的GTS，而每個(gè)GTS一般占用不止一個(gè)時(shí)隙。但是協(xié)商者中還必須保留一定的時(shí)隙作為其他網(wǎng)絡(luò )設備訪(fǎng)問(wèn)或者一個(gè)新的設備訪(fǎng)問(wèn)該網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信之用。正是由于標準中定義的這種超幀結構，才保證了該協(xié)議具有極低的功耗特性。
安全性
安全性一直是個(gè)人無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的極其重要的話(huà)題。IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議使用MAC層的安全機制，來(lái)保證MAC命令幀、信標幀和響應幀的安全性。單跳的數據消息是通過(guò)對MAC層的安全來(lái)做到的，而多跳的消息報文一般是通過(guò)更上層(如網(wǎng)絡(luò )層)的安全機制來(lái)保證的。
ZigBee的MAC層使用了一種被稱(chēng)為高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）的算法進(jìn)行加密的，并且它基于A(yíng)ES算法生成一系列的安全機制，用來(lái)保證MAC層幀的機密性(Confidentiality)、一致性(Integrity)和真實(shí)性(Authenticity)。雖然這些安全性是在MAC層上進(jìn)行處理的，但是上一層(網(wǎng)絡(luò )層)控制著(zhù)安全性的整個(gè)過(guò)程，主要包括密鑰的產(chǎn)生和安全級別的使用。當MAC層傳輸(接收)一個(gè)帶有安全性的幀時(shí)，它首先檢查該幀的目標地址(源地址)，并檢索到和該目標地址(源地址)相對應的密鑰，然后利用該密鑰和相對的安全級別所對應的安全機制來(lái)進(jìn)行逆向處理。每一種安全機制都將對應著(zhù)一個(gè)密鑰，而在MAC層幀頭中有一位直接指明該幀是否使用安全機制。
如果應用中有一致性方面的要求，那么在傳輸一個(gè)幀時(shí)就可以利用MAC層的頭和凈荷來(lái)計算4字節、8字節或者16字節的消息完整性代碼（Message Integrity Code，MIC），如圖2所示，MIC直接被加到MAC層凈荷的后面，如果有真實(shí)性的要求，MAC層的左邊會(huì )被加入幀和序列記數器，用來(lái)對該凈荷進(jìn)行加密，并保證其新穎性。當接收到包括了MIC的幀時(shí)，會(huì )對它進(jìn)行一定的驗證；同樣如果接收到的幀的凈荷被加密，則需要進(jìn)行一定的解密操作。
MAC層的安全性有三種模式：利用了AES進(jìn)行加密的CTR模式(Counter mode)、利用了AES保證一致性的CBC-MAC模式(Cipher Block Chaining密碼分組鏈接)，以及以上兩者均使用的CTR和CBC-MAC模式，被稱(chēng)為CCM模式。
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