ZigBee 網(wǎng)絡層規(guī)范

1．網(wǎng)絡層參考模型及實現(xiàn)

網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)節(jié)點加入、離開、路由查找和傳送數(shù)據(jù)等功能。目前 ZigBee 網(wǎng)絡層主要支持兩種路由算法，即樹路由（Cluster-Tree）和網(wǎng)狀網(wǎng)路由。支持星狀（Star）、樹狀（Cluster-Tree）、網(wǎng)格（Mesh）等多種拓撲結構，如圖 所示。

在這些拓撲結構中一般包括三種設備：協(xié)調(diào)器、路由器和末端節(jié)點。

協(xié)調(diào)器也稱為全功能設備（Full-Function Device，F(xiàn)FD），相當于蜂群結構中的蜂后，是唯一的，是 ZigBee 網(wǎng)絡啟動或建立網(wǎng)絡的設備。一旦網(wǎng)絡建立，該協(xié)調(diào)器就如同一個路由器，在網(wǎng)絡中提供數(shù)據(jù)交換，建立安全機制，建立網(wǎng)絡中綁定等路由功能。

網(wǎng)絡中的其他操作并不依賴該協(xié)調(diào)器，因為 ZigBee 網(wǎng)絡是分布式網(wǎng)絡。路由器相當于雄蜂，數(shù)目不多，需要一直處于工作狀態(tài)，需要主干線供電。但在樹狀拓撲網(wǎng)絡模式中，允許路由器周期地運行操作，所以可以采用電池供電。路由器的功能主要包括作為普通設備加入網(wǎng)絡，實現(xiàn)多跳路由，輔助其他的子節(jié)點完成通信。

末端節(jié)點則相當于數(shù)量最多的工蜂，也稱為精簡功能設備（Reduced-Function Device，RFD），只能傳送數(shù)據(jù)給 FFD 或從 FFD 接收數(shù)據(jù)，該設備需要的內(nèi)存較少（特別是內(nèi)部 RAM）。

為了維持網(wǎng)絡最基本的運行，末端節(jié)點沒有指定的責任，沒有必不可缺少性，可以根據(jù)自己的功能需要休眠或喚醒，一般可由電池供電。樹路由把整個網(wǎng)絡看作是以協(xié)調(diào)器為根的一棵樹，樹狀路由不需要路由表，節(jié)省存儲資源，缺點是不靈活，浪費了大量的地址空間，路由效率低。網(wǎng)狀網(wǎng)的路由算法是無線自組網(wǎng)按需平面距離矢量路由算法（Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV）的

一個簡化版本。在 AODV 中，一個網(wǎng)絡節(jié)點要建立連接時才廣播一個連接建立的請求，其他的 AODV 節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)這個請求消息，并記錄源節(jié)點和回到源節(jié)點的臨時路由。當接收連接請求的節(jié)點知道到達目的節(jié)點的路由時，就把這個路由信息按照先前記錄的回到源節(jié)點的臨時路由發(fā)回源節(jié)點。

源節(jié)點和目的節(jié)點之間使用這個經(jīng)由其他節(jié)點并且有最短跳數(shù)的路由進行數(shù)據(jù)傳輸。當鏈路斷掉，路由錯誤回送源節(jié)點，源節(jié)點就重新發(fā)起路由查找的過程。它可以用于較大規(guī)模的網(wǎng)絡，需要節(jié)點維護一個路由表，耗費一定的存儲資源，但往往能達到最優(yōu)的路由效率，而且使用靈活。

除了這幾種路由方法，ZigBee 還可以進行鄰居表路由，其實鄰居表可以看作是特殊的路由表，只不過只需要一跳就可以發(fā)送到目的節(jié)點。

2．網(wǎng)絡層規(guī)范概述

ZigBee 協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層負責拓撲結構的建立和維護、命名和綁定服務，它們協(xié)同完成尋址、路由、傳送數(shù)據(jù)及安全這些不可或缺的任務，支持星狀（Star）、樹狀（Cluster-Tree）、網(wǎng)格（Mesh）等多種拓撲結構。

為了滿足應用層的要求，ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡層劃分為網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體（NLDE）和網(wǎng)絡層管理實體（NLME），NLDE 提供相關的 SAP 的數(shù)據(jù)傳輸服務，而 NLME 則提供經(jīng)由相關的 SAP 的管理服務。

網(wǎng)絡層必須從功能上為 MAC 子層提供支持，并為應用層提供合適的服務接口。為了

實現(xiàn)與應用層的接口，網(wǎng)絡層從邏輯上分為兩個具有不同功能的服務實體，即數(shù)據(jù)實體（NLDE）和管理實體（NLME）。數(shù)據(jù)實體通過和它相連的 NLDE-SAP 服務存取點提供數(shù)據(jù)管理服務；而網(wǎng)絡層管理實體（NLME）則通過和它相連的 NLME-SAP 服務存取點提供管理服務。NLME 使用 NLDE 完成一些管理任務，并維護一個被稱作網(wǎng)絡信息中心（NIB）的數(shù)據(jù)庫對象。

NLDE 提供如下服務：

（1）產(chǎn)生網(wǎng)絡層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU）。

（2）提供基于拓撲結構的路由策略。

NLME 提供如下服務：

（1）配置新設備。

（2）建立網(wǎng)絡。

（3）加入和離開網(wǎng)絡。

（4）尋址。

（5）鄰居發(fā)現(xiàn)。

（6）路由發(fā)現(xiàn)。

（7）接收控制。

3．網(wǎng)絡層服務規(guī)范

網(wǎng)絡層提供了兩種服務，可以通過兩個服務存取點（SAP）分別進行訪問。這兩個服

務是網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)服務和網(wǎng)絡層管理服務。前者可以通過網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體服務存取點

（NLDE-SAP）進行訪問，后者則可以通過網(wǎng)絡層管理服務實體服務存取點（NLME-SAP）進行訪問。這兩個服務與 MCPS-SAP 和 MLME-SAP 一起組成了應用層和 MAC 子層間的接口。除了這些外部接口，在網(wǎng)絡層內(nèi)部，NLME 和 NLDE 之間也存在一個接口，NLME可以通過它訪問網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)服務。

4．網(wǎng)絡層幀結構

網(wǎng)絡層的幀是由網(wǎng)絡層幀頭和網(wǎng)絡負載組成的。幀頭部分域的順序是固定的，但是根

據(jù)具體情況，其他所有域不一定必須包含。如圖所示。

5．網(wǎng)絡層功能

網(wǎng)絡層負責拓撲結構的建立和維護網(wǎng)絡連接，主要功能包括設備連接和斷開網(wǎng)絡時所

采用的機制，以及在幀信息傳輸過程中所采用的安全性機制。此外，還包括設備的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護及轉(zhuǎn)交。并且，網(wǎng)絡層完成對一跳（one-hop）鄰居設備的發(fā)現(xiàn)和相關節(jié)點信息的存儲。一個 ZigBee 協(xié)議器創(chuàng)建一個新網(wǎng)絡，為新加入的設備分配短地址等。并且，網(wǎng)絡層還提供一些必要的函數(shù)，確保 ZigBee 的 MAC 層正常工作，并且為應用層提供合適的服務接口。

網(wǎng)絡層的主要功能包括以下 8 個方面：

（1）通過添加恰當?shù)膮f(xié)議頭能夠從應用層生成網(wǎng)絡層的 PDU，即 NPDU。

（2）確定網(wǎng)絡的拓撲結構。

（3）配置一個新的設備，可以是網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，也可以向存在的網(wǎng)絡中加入設備。

（4）建立并啟動無線網(wǎng)絡。

（5）加入或離開網(wǎng)絡。

（6）ZigBee 的協(xié)調(diào)器和路由能為加入網(wǎng)絡的設備分配地址。

（7）發(fā)現(xiàn)并記錄鄰居表、路由表。

（8）信息的接收控制，同步 MAC 子層或直接接收信息。

ZigBee 應用層規(guī)范

ZigBee 協(xié)議棧的層結構包括 IEEE 802.15.4 媒體接入控制層（MAC）和物理層（PHY），以及 ZigBee 網(wǎng)絡層。每一層通過提供特定的服務完成相應的功能。其中，ZigBee 應用層包

APS 子層、ZDO（包括 ZDO 管理層）以及用戶自定義的應用對象。APS 子層的任務包括維護綁定表和綁定設備間的消息傳輸。所謂的綁定指的是根據(jù)兩個設備所提供的服務和它們的需求而將兩個設備關聯(lián)起來。

ZDO 的任務包括界定設備在網(wǎng)絡中的作用，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的設備并檢查它們能夠提供哪些應用服務，產(chǎn)生或者回應綁定請求，并在網(wǎng)絡設備間建立安全的通信。

ZigBee 應用層有三個組成部分，包括應用支持子層（Application Support Sub-Layer，APS）、應用框架（Application Framework，AF）、ZigBee 設備對象（ZigBee Device Object，ZDO）。它們共同為各應用開發(fā)者提供統(tǒng)一的接口，規(guī)定了與應用相關的功能，如端點（Endpoint）的規(guī)定，綁定（Binding）、服務發(fā)現(xiàn)和設備發(fā)現(xiàn)等。

1．應用支持子層

APS 主要作用包括：協(xié)議數(shù)據(jù)單元 APDU 的處理，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，并維護管理對象的數(shù)據(jù)庫。APS 是網(wǎng)絡層（NWK）和應用層（APL）之間的接口。

該接口包括一系列可以被 ZDO和用戶自定義應用對象調(diào)用的服務。這些服務由兩個實體提供：APS 數(shù)據(jù)實體（APSDE）通過 APSDE 服務接入點（APSDE-SAP），APS 管理實體（APSME）通過 APSME 服務接入點（APSME-SAP）。APSDE 在同一個網(wǎng)絡中的兩個和多個設備提供傳輸應用 PDU 的數(shù)據(jù)傳輸服務。APSME 提供設備發(fā)現(xiàn)和設備綁定服務，并維護一個管理對象的數(shù)據(jù)庫，也就是 APS 信息庫（AIB）。

2．應用框架

在 ZigBee 應用中，應用框架提供了兩種標準服務類型。一種是鍵值對（Key Value Pair，KVP）服務類型，另一種是報文（message，MSG）服務類型。KVP 服務用于傳輸規(guī)范所定義的特殊數(shù)據(jù)。它定義了屬性（attribute）、屬性值（value）以及用于 KVP 操作的命令：Set、Get、Event。其中，Set 用于設置一個屬性值；

Get 用于獲取一個屬性值；Event 用于通知一個屬性已經(jīng)發(fā)生改變。KVP 消息主要用于傳輸一些較為簡單的變量格式。由于ZigBee 的很多應用領域中的消息較為復雜，并不適用于 KVP 格式，因此 ZigBee 協(xié)議規(guī)范定義了 MSG 服務類型。MSG 服務對數(shù)據(jù)格式不作要求，適合任何格式的數(shù)據(jù)傳輸。因此可以用于傳送數(shù)據(jù)量大的消息。

應用框架AF為每個應用對象提供了鍵值對（KVP）服務和報文（MSG）服務。KVP

命令幀的格式如圖3.6所示。MSG命令幀格式如圖所示。

3．ZigBee設備對象

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、其他節(jié)點的網(wǎng)絡地址和狀態(tài)以及其他節(jié)點的類型和提供的服務等信息。

端點是應用對象存在的地方，ZigBee 允許多個應用同時位于一個節(jié)點上，ZigBee 定義了幾種描述符，對設備以及提供的服務進行描述，可以通過這些描述符來尋找合適的服務或者設備。

此外，ZigBee 協(xié)議棧還提供了安全組件，如采用了 AES128 的算法對網(wǎng)絡層和應用層的數(shù)據(jù)進行加密保護；設立信任中心的角色，用于管理密鑰和管理設備，可以執(zhí)行設置的安全策略。

從以上分析可知，ZigBee 協(xié)議套件簡單緊湊，因而與之兼容的硬件要求也比較簡單，8 位微處理器 80C51 就可以滿足要求，全功能協(xié)議軟件需要 32KB 的 ROM，最小功能協(xié)議軟件需求大約 4KB 的 ROM。

目前，飛思卡爾、得州儀器 TI 等國際巨頭已推出了比較成熟的 ZigBee 開發(fā)平臺，如 TI 推出基于 CC2420 收發(fā)器和 TI MSP430 超低功耗單片機的平臺，CC2430 的 SOC 平臺 C51RF-3-PK 等。

ZigBee 設備配置層提供標準的 ZigBee 配置服務，它定義和處理描述符請求。在

ZigBee 設備配置層中定義了稱為 ZigBee 設備對象的特殊軟件對象，在其他服務中提供綁定服務。遠程設備可以通過 ZDO 接口請求任何標準的描述符信息。當接收到這些請求時，ZDO 會調(diào)用配置對象以獲取相應的描述符值。在目前的 ZigBee 協(xié)議版本中，還沒有完全實現(xiàn)設備配置層。ZDO 是特殊的應用對象，它在端點（end-point）0 上實現(xiàn)。

ZigBee 安全服務規(guī)范

ZigBee 設備之間的通信使用 IEEE 802.15.4 無線標準，該標準指定物理層（PHY）和媒介存取控制層（MAC）兩層規(guī)范。而 ZigBee 規(guī)范了網(wǎng)絡層（NWK）和應用層（APL）標準，各層規(guī)范功能分別如下。

PHY：提供基本的物理無線通信能力。

MAC：提供設備間的可靠性授權和一跳通信連接服務。

NWK：提供用于構建不同網(wǎng)絡拓撲結構的路由和多跳功能。

APL：包括一個應用支持子層、ZigBee 設備對象和應用。

在安全服務規(guī)范方面，協(xié)議棧分別在 MAC、NWK 和 APS 三層具有安全機制，保證各層數(shù)據(jù)幀的安全傳輸。同時，APS 提供建立和保持安全關系的服務。ZDO 管理安全性策略和設備的安全性結構。

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