傳感器網(wǎng)絡(luò)標準方案
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近兩年無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，大量無線終端誕生。這些以傳感器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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