傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)方案

低成本、低功耗、應(yīng)用簡(jiǎn)單的IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的誕生為無(wú)線傳感器網(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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，也為這些應(yīng)用及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)契機(jī)。 

近兩年無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，大量無(wú)線終端誕生。這些以傳感器和遠(yuǎn)程控制為代表的無(wú)線應(yīng)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，使用戶能擁有較長(zhǎng)的電池壽命和較多的器件陣列。藍(lán)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(yīng)用的專用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)那些在功耗或網(wǎng)絡(luò)性能要求較高的個(gè)人無(wú)線應(yīng)用就顯得無(wú)能為力了。 

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

核心內(nèi)容 

2003年10月，就在IEEE推出802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，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(xiàng)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。 

IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議是由IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持極低成本、易實(shí)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(biāo)準(zhǔn)一出現(xiàn)就引起了業(yè)界的廣泛重視，短短一年多的時(shí)間內(nèi)便有上百家集成電路、運(yùn)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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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(jìn)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(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。 

IEEE 802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要至少一個(gè)全功能設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者，終端節(jié)點(diǎn)一般使用削減功能設(shè)備來(lái)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(gè)64位的IEEE地址；可以使用16位短地址來(lái)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(biāo)識(shí)符的星型結(jié)構(gòu)，以及源和目標(biāo)標(biāo)識(shí)符的點(diǎn)到點(diǎn)結(jié)構(gòu)兩種。 

物理層的設(shè)計(jì)是面向低成本和更高層次的集成需求的，對(duì)大部分較低端的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，直接序列(Direct Sequence)的應(yīng)用使得采用模擬電路變得非常簡(jiǎn)單，具有更高的容錯(cuò)性能；MAC層的設(shè)計(jì)不但使得多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得簡(jiǎn)單，可以實(shí)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(jiǎn)單，不需要大量的Flash、ROM和RAM等存儲(chǔ)設(shè)備，從而保證了較長(zhǎng)的電池壽命。MAC還進(jìn)行了特別的設(shè)計(jì)，可以支持極大數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而不需要對(duì)它們進(jìn)行包裝處理；網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)支持網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在空間上的增長(zhǎng)，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(fù)載的條件下可以支持更大數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 

主要特點(diǎn) 

● 低功耗、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。設(shè)備可以在電池的驅(qū)動(dòng)下，運(yùn)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(hù)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(wèn)題，因?yàn)楣年P(guān)系著成本等一系列問(wèn)題。 

● 低成本。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，低成本意味著較低的設(shè)備費(fèi)用、安裝費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。ZigBee設(shè)備可以在標(biāo)準(zhǔn)電池供電的條件下(低成本)工作，而不需要任何重?fù)Q電池或充電操作(低成本、易安裝)，ZigBee在內(nèi)部自動(dòng)可配置和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的冗余等方面的簡(jiǎn)化更是提供了較低的維護(hù)費(fèi)用。 

● 單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可容納更高密度的節(jié)點(diǎn)。ZigBee通過(guò)使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的PHY和MAC層，支持幾乎任意數(shù)目的設(shè)備，這對(duì)于大規(guī)模傳感器陣列和控制尤其重要。 

● 協(xié)議簡(jiǎn)單，國(guó)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(duì)低成本、可交互性和可維護(hù)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(jì)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(shí)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(biāo)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(rèn)幀的順利傳送。 

● MAC命令幀，用來(lái)處理MAC對(duì)等實(shí)體之間的控制傳送。 

另外，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，即LR-WPAN(低數(shù)據(jù)率的無(wú)線個(gè)人網(wǎng))標(biāo)準(zhǔn)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(lái)定義，綁定了網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)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(biāo)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(jié)構(gòu)，可以關(guān)掉信標(biāo)幀的傳輸。信標(biāo)幀可以用來(lái)同步網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，識(shí)別PAN并且描述超幀結(jié)構(gòu)。在沖突訪問(wèn)階段，任何一個(gè)設(shè)備如果想進(jìn)行通信，必須與其他設(shè)備使用CSMA-CA的機(jī)制，而且所有的事務(wù)必須在下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀到來(lái)前完成。








對(duì)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(dòng)的超幀結(jié)構(gòu)來(lái)做到，它們被稱為確保服務(wù)的同步時(shí)隙(Guaranteed Time Slot，GTS) ，這些時(shí)隙是由信道無(wú)競(jìng)爭(zhēng)周期（Contention Free Period，CFP）組成。CFP一般出現(xiàn)在活動(dòng)的超幀尾端，前面一般跟隨著一些信道競(jìng)爭(zhēng)訪問(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(shè)備訪問(wèn)或者一個(gè)新的設(shè)備訪問(wèn)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信之用。正是由于標(biāo)準(zhǔn)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(gè)人無(wú)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(jī)制，來(lái)保證MAC命令幀、信標(biāo)幀和響應(yīng)幀的安全性。單跳的數(shù)據(jù)消息是通過(guò)對(duì)MAC層的安全來(lái)做到的，而多跳的消息報(bào)文一般是通過(guò)更上層(如網(wǎng)絡(luò)層)的安全機(jī)制來(lái)保證的。 

ZigBee的MAC層使用了一種被稱為高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard，AES）的算法進(jìn)行加密的，并且它基于AES算法生成一系列的安全機(jī)制，用來(lái)保證MAC層幀的機(jī)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)控制著安全性的整個(gè)過(guò)程，主要包括密鑰的產(chǎn)生和安全級(jí)別的使用。當(dāng)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(biāo)地址(源地址)，并檢索到和該目標(biāo)地址(源地址)相對(duì)應(yīng)的密鑰，然后利用該密鑰和相對(duì)的安全級(jí)別所對(duì)應(yīng)的安全機(jī)制來(lái)進(jìn)行逆向處理。每一種安全機(jī)制都將對(duì)應(yīng)著一個(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(jī)制。 

如果應(yīng)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(jì)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(shí)性的要求，MAC層的左邊會(huì)被加入幀和序列記數(shù)器，用來(lái)對(duì)該凈荷進(jìn)行加密，并保證其新穎性。當(dāng)接收到包括了MIC的幀時(shí)，會(huì)對(duì)它進(jìn)行一定的驗(yàn)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，被稱為CCM模式。