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傳感器網(wǎng)絡(luò)標準方案

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作者: 時間:2007-07-06 來源:計算機世界報 收藏
低成本、低功耗、應(yīng)用簡單的IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的誕生為網(wǎng)絡(luò)及大量基于微控制的應(yīng)用提供了互聯(lián)互通的國際標準,也為這些應(yīng)用及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了一個契機。 

近兩年網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展,大量終端誕生。這些以和遠程控制為代表的無線應(yīng)用不需要較高的傳輸帶寬,而需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗,使用戶能擁有較長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單應(yīng)用的專用標準,對那些在功耗或網(wǎng)絡(luò)性能要求較高的個人無線應(yīng)用就顯得無能為力了。 

IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的出現(xiàn)正好解決了這一問題。 

核心內(nèi)容 

2003年10月,就在IEEE推出802.15.4協(xié)議標準的同時,ZigBee聯(lián)盟也開始醞釀與之相配套的網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)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(tǒng)推出一個標準的解決方案。 

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(yīng)用支持層所組成的,其突出的特點是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持極低成本、易實現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)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(xiàn)就引起了業(yè)界的廣泛重視,短短一年多的時間內(nèi)便有上百家集成電路、運營商等宣布支持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(jié)構(gòu):星型結(jié)構(gòu)(Star)、簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh),如圖1所示。協(xié)議定義了兩種相互配合使用的物理設(shè)備——全功能設(shè)備和削減功能設(shè)備: 



● 全功能設(shè)備(Full function device, FFD),可以支持任何一種拓撲結(jié)構(gòu),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(shè)備進行通信。 

● 削減功能設(shè)備(Reduced function device, RFD),只支持星型結(jié)構(gòu),不能成為任何協(xié)商者,可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進行通信,實現(xiàn)簡單。 

IEEE 802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要至少一個全功能設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者,終端節(jié)點一般使用削減功能設(shè)備來降低系統(tǒng)成本和功耗,提高電池使用壽命。另外所有設(shè)備必須使用一個64位的IEEE地址;可以使用16位短地址來減少數(shù)據(jù)包大小;尋址模式可以為網(wǎng)絡(luò)增加設(shè)備標識符的星型結(jié)構(gòu),以及源和目標標識符的點到點結(jié)構(gòu)兩種。 

物理層的設(shè)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現(xiàn)來說,直接序列(Direct Sequence)的應(yīng)用使得采用模擬電路變得非常簡單,具有更高的容錯性能;MAC層的設(shè)計不但使得多種拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得簡單,可以實現(xiàn)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(shè)備,由于其結(jié)構(gòu)簡單,不需要大量的Flash、ROM和RAM等存儲設(shè)備,從而保證了較長的電池壽命。MAC還進行了特別的設(shè)計,可以支持極大數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,而不需要對它們進行包裝處理;網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計支持網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在空間上的增長,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(shù)目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。 

主要特點 

● 低功耗、實現(xiàn)簡單。設(shè)備可以在電池的驅(qū)動下,運行數(shù)月甚至數(shù)年。低功耗意味著較高的可靠性和可維護性,更適合體積小的大量日常應(yīng)用。另外,非電池供電的設(shè)備同樣需要考慮能量的問題,因為功耗關(guān)系著成本等一系列問題。 

● 低成本。對用戶來說,低成本意味著較低的設(shè)備費用、安裝費用和維護費用。ZigBee設(shè)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(nèi)部自動可配置和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的冗余等方面的簡化更是提供了較低的維護費用。 

● 單個網(wǎng)絡(luò)中可容納更高密度的節(jié)點。ZigBee通過使用IEEE 802.15.4標準的PHY和MAC層,支持幾乎任意數(shù)目的設(shè)備,這對于大規(guī)模傳感器陣列和控制尤其重要。 

● 協(xié)議簡單,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(xiàn)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(jié)構(gòu) 

IEEE 802.15.4/ZigBee幀結(jié)構(gòu)的設(shè)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?shù)耐瑫r將網(wǎng)絡(luò)的復(fù)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(jié)構(gòu): 

● 信標幀,供協(xié)商者使用。 

● 數(shù)據(jù)幀,承載所有的數(shù)據(jù)。 

● 響應(yīng)幀,確認幀的順利傳送。 

● MAC命令幀,用來處理MAC對等實體之間的控制傳送。 

另外,IEEE 802.15.4標準,即LR-WPAN(低數(shù)據(jù)率的無線個人網(wǎng))標準還支持可選的超幀結(jié)構(gòu)。該超幀結(jié)構(gòu)的格式是由協(xié)商者來定義,綁定了網(wǎng)絡(luò)信標幀,并由協(xié)商者來使用。超幀被劃分為16個大小相等的時隙,信標幀在每一個超幀的第一個時隙中進行傳輸,如果協(xié)商者不希望使用超幀結(jié)構(gòu),可以關(guān)掉信標幀的傳輸。信標幀可以用來同步網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備,識別PAN并且描述超幀結(jié)構(gòu)。在沖突訪問階段,任何一個設(shè)備如果想進行通信,必須與其他設(shè)備使用CSMA-CA的機制,而且所有的事務(wù)必須在下一個網(wǎng)絡(luò)信標幀到來前完成。








對于低延遲或者有特殊數(shù)據(jù)帶寬要求的應(yīng)用,PAN的協(xié)商者可以利用部分活動的超幀結(jié)構(gòu)來做到,它們被稱為確保服務(wù)的同步時隙(Guaranteed Time Slot,GTS) ,這些時隙是由信道無競爭周期(Contention Free Period,CFP)組成。CFP一般出現(xiàn)在活動的超幀尾端,前面一般跟隨著一些信道競爭訪問周期(Contention Access Period,CAP)。一個PAN協(xié)商者可能包括少于7個的GTS,而每個GTS一般占用不止一個時隙。但是協(xié)商者中還必須保留一定的時隙作為其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備訪問或者一個新的設(shè)備訪問該網(wǎng)絡(luò)進行通信之用。正是由于標準中定義的這種超幀結(jié)構(gòu),才保證了該協(xié)議具有極低的功耗特性。 

安全性 

安全性一直是個人無線網(wǎng)絡(luò)中的極其重要的話題。IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議使用MAC層的安全機制,來保證MAC命令幀、信標幀和響應(yīng)幀的安全性。單跳的數(shù)據(jù)消息是通過對MAC層的安全來做到的,而多跳的消息報文一般是通過更上層(如網(wǎng)絡(luò)層)的安全機制來保證的。 

ZigBee的MAC層使用了一種被稱為高級加密標準(Advanced Encryption Standard,AES)的算法進行加密的,并且它基于AES算法生成一系列的安全機制,用來保證MAC層幀的機密性(Confidentiality)、一致性(Integrity)和真實性(Authenticity)。雖然這些安全性是在MAC層上進行處理的,但是上一層(網(wǎng)絡(luò)層)控制著安全性的整個過程,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)一個帶有安全性的幀時,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(yīng)的密鑰,然后利用該密鑰和相對的安全級別所對應(yīng)的安全機制來進行逆向處理。每一種安全機制都將對應(yīng)著一個密鑰,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(yīng)用中有一致性方面的要求,那么在傳輸一個幀時就可以利用MAC層的頭和凈荷來計算4字節(jié)、8字節(jié)或者16字節(jié)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,如果有真實性的要求,MAC層的左邊會被加入幀和序列記數(shù)器,用來對該凈荷進行加密,并保證其新穎性。當接收到包括了MIC的幀時,會對它進行一定的驗證;同樣如果接收到的幀的凈荷被加密,則需要進行一定的解密操作。 

MAC層的安全性有三種模式:利用了AES進行加密的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,被稱為CCM模式。 



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