關于zigbee協(xié)議棧各層的系統(tǒng)分析

　　隨著傳感器網(wǎng)絡的大肆應用；隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的爆發(fā)；隨著通信技術的迅速發(fā)展，人們提出了在自身附近幾米范圍內(nèi)通信的要求，這樣就出現(xiàn)了個人區(qū)域網(wǎng)絡PAN（Personal Area Network）和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡WPAN（Wireless Personal Area Network）的概念。WPAN網(wǎng)絡為近距離范圍內(nèi)的設備建立無線連接，把幾米到幾十米范圍內(nèi)的多個設備通過無線方式連接在一起，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)盟就是一個針對WPAN網(wǎng)絡而成立的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。該聯(lián)盟致力于近距離、低復雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術。他們開發(fā)的技術被稱為zigbee技術，該技術希望被部署到商用電子、住宅及建筑自動化、工業(yè)設備監(jiān)測、PC外設、醫(yī)療傳感設備、玩具以及游戲等其他無線傳感和控制領域當中。

　　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(guī)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)絡層及支持的應用服務。zigbee聯(lián)盟的長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：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務，管理實體則提供所有其他的服務。所有的服務實體都通過服務接入點SAP（Service Access Point）為上層提供一個接口，每個SAP都支持一定數(shù)量的服務原語來實現(xiàn)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(jù)市場和應用的實際需要定義了，如圖2-1。其中，IEEE 802.15.4標準定義了底層：物理層PHY（Physical Layer）和媒體訪問控制子層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）以及用戶定義應用對象（Manufacturer-Defined Application Objects ）。［16］

　　IEEE 802.15.4工作在工業(yè)科學醫(yī)療ISM（Industrial、Scientific and Medical）頻段，定義了兩個物理層PHY，分別工作在兩個頻段上：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的傳輸機制。

　　1.1.2 網(wǎng)絡節(jié)點類型

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

　　協(xié)調(diào)器和路由器只能是全功能器件FFD。一個PAN的網(wǎng)絡中，至少要有一個全功能器件成網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，它可以看作是一個PAN的網(wǎng)關節(jié)點（SINK節(jié)點），它是網(wǎng)絡建立的起點，負責PAN網(wǎng)絡的初始化，確定PAN的ID號和PAN操作的物理信道并統(tǒng)籌短地址分配，充當信任中心和儲存安全密鑰，與其他網(wǎng)絡的連接等。協(xié)調(diào)器在加入網(wǎng)絡之后獲得一定的短地址空間。這個空間內(nèi)，他有能力允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡，并分配短地址。當然協(xié)調(diào)器還具備路由和數(shù)據(jù)轉發(fā)的功能。在任何一個拓撲網(wǎng)絡上，所有設備都有一個唯一的64位IEEE長地址，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，可以將其轉變?yōu)?6位的網(wǎng)絡短地址分配給PAN設備。因此在設備發(fā)起連接時采用的是64位的長地址，只有連接成功后，系統(tǒng)分配了PAN的標志符后，才能采用16位的短地址來通信。路由器可以只運行一個存放有路由協(xié)議的精簡協(xié)議棧，負責網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的路由，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉功能。

　　在網(wǎng)絡中最基本的節(jié)點就是終端節(jié)點ZED，一個終端節(jié)點可以是全功能器件FFD或者是精簡功能器件RFD。

　　1.2.1 IEEE 802.15.4

　　IEEE802.15.4包括用于低速無線個人域網(wǎng)LR-WPAN的物理層PHY和媒體接入控制層MAC兩個規(guī)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為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，負責處理數(shù)

　　據(jù)傳輸率并架空數(shù)據(jù)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：

　?。?）啟動和關閉RF收發(fā)器。

　?。?）信道能量檢測。

　?。?）對接收到的數(shù)據(jù)報進行鏈路質量指示LQI（Link Quality Indication）。

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

　?。?）對通信信道頻率進行選擇。

　　（6）數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。物理層數(shù)據(jù)服務從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務維護一個物理層相關數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)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(tǒng)無線局域網(wǎng)中的帶沖突避免的載波多路偵聽訪問技術CSMA/CA方式，以提高系統(tǒng)的兼容性。這種設計，不但使多種拓撲結構網(wǎng)絡的應用變得簡單，還可以實現(xiàn)非常有效的功耗管理。

　　MAC層完成的具體任務如下：

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

　?。?）普通設備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標幀與協(xié)調(diào)器同步。

　?。?）支持PAN網(wǎng)絡的關聯(lián)（Association）和取消關聯(lián)（Disassociation）操作。

　?。?）為設備的安全性提供支持。

　　（5）使用CSMA-CA機制共享物理信道。

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

　?。?）在兩個對等的MAC實體之間提供一個可靠的數(shù)據(jù)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。這兩個概念的引入極大了方便了網(wǎng)絡管理，我們可以選用以超幀為周期組織LR-WPAN網(wǎng)絡內(nèi)設備間的通信。每個超幀都以網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)出信標幀為始，在這個信標幀中包含了超幀將持續(xù)的時間以及對這段時間的分配等信息。網(wǎng)絡中的普通設備接收到超幀開始時的信標幀后，就可以根據(jù)其中的內(nèi)容安排自己的任務，例如進入休眠狀態(tài)直到這個超幀結束。

　　MAC子層提供兩種服務：MAC層數(shù)據(jù)服務和MAC層管理服務（MAC sub-layer management entity，MLME）。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務中正確收發(fā)，后者維護一個存儲MAC子層協(xié)議相關信息的數(shù)據(jù)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為層的協(xié)議塊所組成的。每個層為上一層提供一系列特定的服務。數(shù)據(jù)入口提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?，管理入口提供其余的所有服務。每個服務接口都通過SAP（Service Access Point）接口與上一層進行數(shù)據(jù)交換，每個SAP都支持一系列的服務原語。

　　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)絡層主要用于zigbee的無線個人區(qū)域網(wǎng)WPAN網(wǎng)的組網(wǎng)連接，數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡安全等。

　　zigbee應用框架層主要為zigbee技術的實際應用提供一些應用框架模型等，以便對zigbee技術的開發(fā)應用，在不同的應用場合，其開發(fā)應用框架不同，從目前來看，不同廠商提供的應用框架是有差異的。

　　1.3.2 zigbee網(wǎng)絡層

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

　　對于網(wǎng)絡層，其完成和提供的主要功能如下：

　?。?）產(chǎn)生網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)包：當網(wǎng)絡層接受到來自應用子層的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡層對數(shù)據(jù)包進行解析，然后加上適當?shù)木W(wǎng)絡層包頭向MAC傳輸。

　?。?）網(wǎng)絡拓撲的路由功能：網(wǎng)絡層提供路由數(shù)據(jù)包的功能，如果包的目的節(jié)點是本節(jié)點的話，將該數(shù)據(jù)包向應用子層發(fā)送。如果不是，則將該數(shù)據(jù)包轉發(fā)給路由表中下一結點。

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

　　（4）建立PAN網(wǎng)絡

　?。?）連入或脫離PAN網(wǎng)絡：網(wǎng)絡層能提供加入或脫離網(wǎng)絡的功能，如果節(jié)點是協(xié)調(diào)器或者是路由器，還可以要求子節(jié)點脫離網(wǎng)絡。

　　（6）分配網(wǎng)絡地址：如果本節(jié)點是協(xié)調(diào)器或者是路由器，則接入該節(jié)點的字節(jié)點的網(wǎng)絡地址由網(wǎng)絡層控制。

　?。?）鄰居節(jié)點的發(fā)現(xiàn)：網(wǎng)絡層能發(fā)現(xiàn)維護網(wǎng)絡鄰居信息。

　?。?）建立路由：網(wǎng)絡層提供路由功能。

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

　　zigbee網(wǎng)絡層的結構

　　為了向應用層提供接口，網(wǎng)絡層提供了兩個功能服務實體，分別為數(shù)據(jù)服務實體NLDE和管理服務實體NLME。NLDE通過NLDE-SAP為應用層提供數(shù)據(jù)傳輸服務，NLME通過NLME-SAP為應用層提供網(wǎng)絡管理服務，并且，NLME還完成對網(wǎng)絡信息庫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發(fā)者提供統(tǒng)一的接口。

　　1.3.3.1 應用支持子層APS

　　APS層主要功能：

　　（1）APS層協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU的處理。

　　（2）APSDE提供在同一個網(wǎng)絡中的應用實體之間的數(shù)據(jù)傳輸機制。

　?。?）APSME提供多種服務給應用對象，這些服務包括安全服務何綁定設備，并維護管理對象的數(shù)據(jù)庫，也就是我們常說的AIB。

　　1.3.3.2 應用框架AF

　　應用框架（Application Framework）為各個用戶自定義的應用對象提供了模板式的活動空間，為每個應用對象提供了鍵值對KVP服務和報文MSG服務兩種服務供數(shù)據(jù)傳輸使用。

　　每個節(jié)點除了64位的IEEE地址，16位的網(wǎng)絡地址，每個節(jié)點還提供了8位的應用層入口地址，對應于用戶應用對象。端點0為ZDO接口，端點1至240供用戶自定義用于對象使用，端點255為廣播地址，端點241 -254保留將來使用。每一個應用都對應一個配置文件（Profile）。配置文件包括：設備ID（Device ID），事務集群ID（cluster ID），屬性ID（Attribute ID）等。AF可以通過這些信息來決定服務類型。

　　1.3.3.3 zigbee設備對象ZDO

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

　?。?）初始化應用支持子層，網(wǎng)絡層。

　　（2）發(fā)現(xiàn)節(jié)點和節(jié)點功能。在無信標的網(wǎng)絡中，加入的節(jié)點只對其父節(jié)點可見。而其他節(jié)點可以通過ZDO的功能來確定網(wǎng)絡的整體拓撲結構已經(jīng)節(jié)點所能提供的功能。

　?。?）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(jié)點管理：對于網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和路由器，ZDO提供網(wǎng)絡監(jiān)測、獲取路由和綁定信息、發(fā)起脫離網(wǎng)絡過程等一系列節(jié)點管理功能。

　　ZDO實際上是介于應用層端點和應用支持子層中間的端點，其主要功能集中在網(wǎng)絡管理和維護上。應用層的端點可以通過 ZDO提供的功能來獲取網(wǎng)絡或者是其他節(jié)點的信息，包括網(wǎng)絡的拓撲結構、其它幾點的網(wǎng)絡地址和狀態(tài)以及其他幾點的類型和提供的服務等信息。

　　1.4 zigbee網(wǎng)絡拓撲結構

　　zigbee網(wǎng)絡支持多種網(wǎng)絡拓撲結構，最典型的網(wǎng)絡結構是星型網(wǎng)絡的拓撲結構。對于星型網(wǎng)絡，由一個協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點組成。在星型網(wǎng)絡中，所有的通信都是通過協(xié)調(diào)器轉發(fā)。這樣的網(wǎng)絡結構有三個缺點：一是會增加協(xié)調(diào)器的負載，對協(xié)調(diào)器的性能要求很高；二是協(xié)調(diào)協(xié)作都通過協(xié)調(diào)器轉發(fā)的話，會極大的增加系統(tǒng)的延時，使得系統(tǒng)的實時性受到影響；三是單一節(jié)點的破壞造成整個網(wǎng)絡的癱瘓，降低了網(wǎng)絡的魯棒性。

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