關(guān)于zigbee協(xié)議棧的隔層分析

1、隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的人肆應(yīng)用；隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的爆發(fā)；隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們 提出了在自身附近幾米范i韋i內(nèi)通信的要求，這樣就出現(xiàn)了個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)pan (personal area network)和無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò) wpan (wireless personal area network)的概念。wpan 網(wǎng) 絡(luò)為近距離范圍內(nèi)的設(shè)備建立無線連接，把幾米到幾十米范圍內(nèi)的多個(gè)設(shè)備通過無線方式連 接在一起，使他們可以相互通信其至接入lan或者intemeto2001年8月成立的zigbee聯(lián)盟就是一個(gè)針對(duì)wpan網(wǎng)絡(luò)而成立的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。該聯(lián)盟致 力于近距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

2、。他們開發(fā)的技術(shù)被稱為zigbee 技術(shù)，該技術(shù)希塑被部署到商用電子、住宅及建筑自動(dòng)化、工業(yè)設(shè)備監(jiān)測(cè)、pc外設(shè)、醫(yī)療 傳感設(shè)備、玩具以及游戲等其他無線傳感和控制領(lǐng)域當(dāng)中。1.1 ieee802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)zigbcc 聯(lián)盟已于 2005 年 6 刀 27 口 公布 了第一份 zigbcc 規(guī)范"zigbcc specification v1.0 ”。 這標(biāo)準(zhǔn)定義了在ieee 802.15.4-2003物理層和標(biāo)準(zhǔn)媒體接入控制層上的網(wǎng)絡(luò)層及支持的應(yīng)用 服務(wù)。zigbee聯(lián)盟的長(zhǎng)期冃標(biāo)是能夠建立棊于互操作平臺(tái)和配置文件的可伸縮、低成本嵌入 式基礎(chǔ)架構(gòu)。圖1ieee 802.15.4及

3、zigbee協(xié)議棧架憶zigbee聯(lián)盟ieee802.15.4用戶1.1.1 ieee802.15.4 協(xié)議框架ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)。每一層為上層提供一系列特姝的服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供 數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)休則提供所有其他的服務(wù)。所有的服務(wù)實(shí)體都通過服務(wù)接入點(diǎn)sap (service access point)為上層提供一個(gè)接口，每個(gè)sap都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn) 所需的功能。ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)堆棧架構(gòu)是在0si七層模型的基砒上根據(jù)市場(chǎng)和應(yīng)用的實(shí)際需耍定 義了，如圖21。其中，ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了底層：物理層phy (physical laye

4、r)和媒 體訪問控制子層mac (medium access control sub-layer)層。zigbee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義 了網(wǎng)絡(luò)層nwk (network layer),應(yīng)用層apl (application layer)架構(gòu)。其中應(yīng)用層包括 應(yīng)用支持了層 aps (application support sub-layer),應(yīng)用框架 af (application framework), zigbee 設(shè)備對(duì)象 zdo (zigbee device objects)以及用戶定義應(yīng)用對(duì)象(manufacture.defined applicationobjects )。16iee

5、e 802.15.41 作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療 ism (industriak scientific and medical)頻段，定 義了兩個(gè)物理層phy,分別工作在兩個(gè)頻段上：868/915 mhz和2.4ghz。其屮低頻段物理 層覆蓋了 868mhz的歐洲頻段和915mhz的美國(guó)與澳大利亞等國(guó)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(fù)貴傳輸信標(biāo)幀，同步以及提供信賴的傳輸 機(jī)制。1.1.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)

6、點(diǎn)類型協(xié)咖赫由il悴箱設(shè)*圖22 zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在w-pan中有三種網(wǎng)絡(luò)角色：pan網(wǎng)絡(luò)i辦調(diào)器、i辦調(diào)器和設(shè)備。這三種角色在ieee 802.15.4 規(guī)范中分別對(duì)應(yīng) zigbee 協(xié)調(diào)器 zc (zigbee coordinator)> zigbee 路由器 zr (zigbee router)和終端設(shè)備 zed (zigbee end device)o協(xié)調(diào)器和路由器只能是全功能器件ffd。一個(gè)pan的網(wǎng)絡(luò)中，至少要冇一個(gè)全功能器 件成網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，它可以看作是一個(gè)pan的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(sink節(jié)點(diǎn))，它是網(wǎng)絡(luò)建立的起 點(diǎn)，負(fù)責(zé)pan網(wǎng)絡(luò)的初始化，確定pan的id號(hào)和pan操作

7、的物理信道并統(tǒng)籌短地址分配, 充當(dāng)信任中心和儲(chǔ)存安全密鑰，與其他網(wǎng)絡(luò)的連接等。協(xié)調(diào)器在加入網(wǎng)絡(luò)z后獲得一定的短 地址空間。這個(gè)空間內(nèi)，他有能力允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并分配短地址。當(dāng)然協(xié)調(diào)器還具 備路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。在任何一個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)上，所有設(shè)備都有一個(gè)唯-的64位ieee 長(zhǎng)地址，該地址可以在pan中用于直接通信。或者當(dāng)所有設(shè)備z間都已經(jīng)存在連接吋，可 以將其轉(zhuǎn)變?yōu)?6位的網(wǎng)絡(luò)短地址分配給pan設(shè)備。因此在設(shè)備發(fā)起連接時(shí)采用的是64位 的長(zhǎng)地址，只有連接成功后，系統(tǒng)分配了 pan的標(biāo)志符后，才能采川16位的短地址來通信。 路山器可以只運(yùn)行一個(gè)存放有路山協(xié)議的粹簡(jiǎn)協(xié)議棧，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的路山，

8、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn) 功能。在網(wǎng)絡(luò)中最基本的節(jié)點(diǎn)就是終端節(jié)點(diǎn)zed, 個(gè)終端節(jié)點(diǎn)可以是全功能器件ffd或者 是精簡(jiǎn)功能器件rfdo1.2.1 ieee 802.15.41eee802.15.4包括用于低速無線個(gè)人域網(wǎng)lr-wpan的物理層phy和媒體接入控制層 mac兩個(gè)規(guī)范。圖2-4給出了 ieee 802.15.4的分層參考模型。121ieee 8025.4 phy 層物理層的作用主要是利用物理介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)傳輸率并架空數(shù)據(jù)出錯(cuò)率，以便透明低傳送比特流。zigbee協(xié)議的物理層主要負(fù)責(zé)以 下任務(wù)：(1) 啟動(dòng)和關(guān)閉rf收發(fā)器。(2) 信道能量檢測(cè)。(3) 対接收到的數(shù)據(jù)

9、報(bào)進(jìn)彳亍鏈路質(zhì)量指示lqi (link quality indication)o(4) 為 csma/ca 算法捉供空閑信道評(píng)估 cca (clear channel assessment)o(5) 對(duì)通信信道頻率進(jìn)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(wù)和物理層 管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)物理層相 關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。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)屮的帶沖突避免的載波多路偵 聽訪問技術(shù)c

10、sma/ca方式，以提高系統(tǒng)的兼容性。這種設(shè)計(jì)，不但使多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的 應(yīng)用變得簡(jiǎn)單，還可以實(shí)現(xiàn)非常有效的功耗管理。mac層完成的具體任務(wù)如下：(1) 協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀(beacon)。(2) 普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀協(xié)調(diào)器同步。(3) 支持pan網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)(association)和取消關(guān)聯(lián)(disassociation)操作。(4) 為設(shè)備的安全性提供支持。(5) 使用csma-ca機(jī)制共享物理信道。(6) 處理和維護(hù)時(shí)隙保障gts (guaranteed time slot)機(jī)制。(7) 在兩個(gè)對(duì)等的mac實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)鏈路。在ieee 802.15.4的mac層中

11、引入了超幀結(jié)構(gòu)和信標(biāo)幀的概念。這兩個(gè)概念的引入極 大了方便了網(wǎng)絡(luò)管理，我們可以選用以超幀為周期組織lr-wpan網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備間的通信。每 個(gè)超幀部以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出信標(biāo)幀為始，在這個(gè)信標(biāo)幀屮包含了超幀將持續(xù)的時(shí)間以及對(duì)這 段時(shí)間的分配等信息。網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備接收到超幀開始時(shí)的信標(biāo)幀后，就可以根據(jù)其中的 內(nèi)容安排自己的任務(wù)，例如進(jìn)入休眠狀態(tài)直到這個(gè)超幀結(jié)束。mac子層提供兩種服務(wù)：mac層數(shù)據(jù)服務(wù)和mac層管理服務(wù)(mac sub-layer management entity, mlme)。前者保證mac協(xié)議數(shù)據(jù)單丿匸在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中正確收發(fā)， 麻者維護(hù)一個(gè)存儲(chǔ)mac 了層協(xié)議相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。

12、1.3 zigbee協(xié)議分析1.3.1 zigbee 協(xié)議zigbee的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)是由一系列稱為層的協(xié)議塊所組成的。每個(gè)層為上一層提供一系列 特定的服務(wù)。數(shù)據(jù)入口提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)，管理入口捉供其余的所有服務(wù)。每個(gè)服務(wù)接口 部通過sap (service access point)接口與上一層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，每個(gè)sap都支持一系列的 服務(wù)原語。zigbee協(xié)議棧是基于0si (open systems interconnection)標(biāo)準(zhǔn)的，但只定義了所需耍的 那些層。主要山物理層phy,媒體接入層mac,網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用框架層組成，框架圖如圖 所示。其中,phy層和mac層釆jijt ieee

13、802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。zigbee網(wǎng)絡(luò)層主要用于zigbee的無線個(gè)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(luò)安全等。zigbee應(yīng)用框架層主要為zigbee技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等，以便對(duì) zigbee技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，其開發(fā)應(yīng)用框架不同，從目前來看，不同廠商 提供的應(yīng)用框架是有差界的。1.3.2 zigbee 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層需要在功能上保證與ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)兼容，同時(shí)也需要上層提供合適的功能 接口。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)層，其完成和提供的主要功能如下：(1) 產(chǎn)牛網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層接受到來白應(yīng)用子層的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)層對(duì)數(shù)據(jù)包 進(jìn)行解析，然后加上適當(dāng)?shù)?/p>

14、網(wǎng)絡(luò)層包頭向mac傳輸。(2) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆酚晒δ埽壕W(wǎng)絡(luò)層提供路由數(shù)據(jù)包的功能，如杲包的日的節(jié)點(diǎn)是木節(jié) 點(diǎn)的話，將該數(shù)據(jù)包向應(yīng)用子層發(fā)送。如果不是，則將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給路由表中下一結(jié)點(diǎn)。(3) 配置新的器件參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)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(luò)或者加入一個(gè)已有的網(wǎng)絡(luò)。(4) 建立pan網(wǎng)絡(luò)(5) 連入或脫離pan網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)層能提供加入或脫離網(wǎng)絡(luò)的功能，如果節(jié)點(diǎn)是協(xié)調(diào)器 或者是路由器，還可以要求子節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)。(6) 分配網(wǎng)絡(luò)地址：如果本節(jié)點(diǎn)是協(xié)調(diào)器或者是路市器，則接入該節(jié)點(diǎn)的字節(jié)點(diǎn)的網(wǎng) 絡(luò)地址由網(wǎng)絡(luò)層控制。(7) 鄰屈節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)：網(wǎng)絡(luò)層能發(fā)現(xiàn)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)鄰屈信息。(8)

15、建立路由：網(wǎng)絡(luò)層提供路由功能。(9) 扌空制接收：網(wǎng)絡(luò)丿zf能扌空制接收器的接受時(shí)間和狀態(tài)。zigbee網(wǎng)絡(luò)層的結(jié)構(gòu)為了向應(yīng)用層捉供接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)功能服務(wù)實(shí)體，分別為數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體nlde 和管理服務(wù)實(shí)體nlme。nlde通過nlde-sap為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，nlme通過 nlme-sap為應(yīng)用層提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，并且，nlme還完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)nib的維護(hù)和 管理。1.3.3 zigbee 應(yīng)用層zigbee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持了層aps、應(yīng)用框架af、zigbee設(shè)備對(duì)象zdo。它們共同 為各應(yīng)用開發(fā)者提供統(tǒng)一的接口。1.3.3.1應(yīng)用支持子層apsaps層主要功能：(1) a

16、ps層協(xié)議數(shù)據(jù)單元apdu的處理。(2 ) apsde提供在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)屮的應(yīng)用實(shí)體之間的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。(3) apsme提供多種服務(wù)給應(yīng)用對(duì)象，這些服務(wù)包括安全服務(wù)何綁定設(shè)備，并維護(hù) 管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)，也就是我們常說的aibo1.3.3.2應(yīng)用框架af應(yīng)川框架(application framework)為各個(gè)川戶自定義的應(yīng)川對(duì)象提供了模板式的活動(dòng) 空間，為每個(gè)應(yīng)用對(duì)象提供了鍵值對(duì)kvp服務(wù)和報(bào)文msg服務(wù)兩種服務(wù)供數(shù)據(jù)傳輸使用。每個(gè)節(jié)點(diǎn)除了 64位的ieee地址，16位的網(wǎng)絡(luò)地址，每個(gè)節(jié)點(diǎn)還提供了 8位的應(yīng)用層 入口地址，對(duì)應(yīng)于用戶應(yīng)用對(duì)象。端點(diǎn)0為zdo接口，端點(diǎn)1至240供用戶口定義用于

17、對(duì) 象使用，端點(diǎn)255為廣播地址，端點(diǎn)241254保留將來使用。毎一個(gè)應(yīng)用都對(duì)應(yīng)一個(gè)配置 文件(profile)o配置文件包括:設(shè)備id (device id),事務(wù)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(wù)類型。1.3.3.3 zigbcc 設(shè)備對(duì)象 zdozdo是一個(gè)特殊的應(yīng)用層的端點(diǎn)(endpoint)。它是應(yīng)用層其他端點(diǎn)與應(yīng)用子層管理實(shí) 體交互的中間件。它主要提供的功能如下：(1) 初始化應(yīng)用支持子層，網(wǎng)絡(luò)層。(2) 發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)功能。在無信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)屮，加入的節(jié)點(diǎn)只對(duì)其父節(jié)點(diǎn)可見。而其 他節(jié)點(diǎn)可以通過zdo的功能來確定

18、網(wǎng)絡(luò)的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)己經(jīng)節(jié)點(diǎn)所能提供的功能。(3) 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(quán)。(4) 網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)功能。(5) 綁定管理：綁定的功能rfl應(yīng)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。(6) 節(jié)點(diǎn)管理：對(duì)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器，zdo提供網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)、獲取路由和綁定信息、 發(fā)起脫離網(wǎng)絡(luò)過程等一系列節(jié)點(diǎn)管理功能。zdo實(shí)際上是介于應(yīng)用層端點(diǎn)和應(yīng)用支持子層中間的端點(diǎn)，其主耍功能集中在網(wǎng)絡(luò)管 理和維護(hù)上。應(yīng)用層的端點(diǎn)可以通過zdo提供的功能來獲取網(wǎng)絡(luò)或者是其他節(jié)點(diǎn)的信息， 包括網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、其它兒點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址和狀態(tài)以及其他兒點(diǎn)的類型和提供的服務(wù)等信 息。1.4 zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)zi