簡(jiǎn)述ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范

1．網(wǎng)絡(luò)層參考模型及實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入、離開、路由查找和傳送數(shù)據(jù)等功能。目前 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖 所示。

在這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中一般包括三種設(shè)備：協(xié)調(diào)器、路由器和末端節(jié)點(diǎn)。

協(xié)調(diào)器也稱為全功能設(shè)備（Full-Function Device，F(xiàn)FD），相當(dāng)于蜂群結(jié)構(gòu)中的蜂后，是唯一的，是 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)或建立網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。一旦網(wǎng)絡(luò)建立，該協(xié)調(diào)器就如同一個(gè)路由器，在網(wǎng)絡(luò)中提供數(shù)據(jù)交換，建立安全機(jī)制，建立網(wǎng)絡(luò)中綁定等路由功能。

網(wǎng)絡(luò)中的其他操作并不依賴該協(xié)調(diào)器，因?yàn)?ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是分布式網(wǎng)絡(luò)。路由器相當(dāng)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?fù)渚W(wǎng)絡(luò)模式中，允許路由器周期地運(yùn)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(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多跳路由，輔助其他的子節(jié)點(diǎn)完成通信。

末端節(jié)點(diǎn)則相當(dāng)于數(shù)量最多的工蜂，也稱為精簡(jiǎn)功能設(shè)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(shè)備需要的內(nèi)存較少（特別是內(nèi)部 RAM）。

為了維持網(wǎng)絡(luò)最基本的運(yùn)行，末端節(jié)點(diǎn)沒(méi)有指定的責(zé)任，沒(méi)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(gè)網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)資源，缺點(diǎn)是不靈活，浪費(fèi)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(wú)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(gè)簡(jiǎn)化版本。在 AODV 中，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要建立連接時(shí)才廣播一個(gè)連接建立的請(qǐng)求，其他的 AODV 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)請(qǐng)求消息，并記錄源節(jié)點(diǎn)和回到源節(jié)點(diǎn)的臨時(shí)路由。當(dāng)接收連接請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)知道到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，就把這個(gè)路由信息按照先前記錄的回到源節(jié)點(diǎn)的臨時(shí)路由發(fā)回源節(jié)點(diǎn)。

源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間使用這個(gè)經(jīng)由其他節(jié)點(diǎn)并且有最短跳數(shù)的路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)鏈路斷掉，路由錯(cuò)誤回送源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)就重新發(fā)起路由查找的過(guò)程。它可以用于較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，需要節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)路由表，耗費(fèi)一定的存儲(chǔ)資源，但往往能達(dá)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(jìn)行鄰居表路由，其實(shí)鄰居表可以看作是特殊的路由表，只不過(guò)只需要一跳就可以發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。

2．網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范概述

ZigBee 協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)、命名和綁定服務(wù)，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(wù)，支持星狀（Star）、樹狀（Cluster-Tree）、網(wǎng)格（Mesh）等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

為了滿足應(yīng)用層的要求，ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層劃分為網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體（NLDE）和網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體（NLME），NLDE 提供相關(guān)的 SAP 的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，而 NLME 則提供經(jīng)由相關(guān)的 SAP 的管理服務(wù)。

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

實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用層的接口，網(wǎng)絡(luò)層從邏輯上分為兩個(gè)具有不同功能的服務(wù)實(shí)體，即數(shù)據(jù)實(shí)體（NLDE）和管理實(shí)體（NLME）。數(shù)據(jù)實(shí)體通過(guò)和它相連的 NLDE-SAP 服務(wù)存取點(diǎn)提供數(shù)據(jù)管理服務(wù)；而網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體（NLME）則通過(guò)和它相連的 NLME-SAP 服務(wù)存取點(diǎn)提供管理服務(wù)。NLME 使用 NLDE 完成一些管理任務(wù)，并維護(hù)一個(gè)被稱作網(wǎng)絡(luò)信息中心（NIB）的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象。

NLDE 提供如下服務(wù)：

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

（2）提供基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由策略。

NLME 提供如下服務(wù)：

（1）配置新設(shè)備。

（2）建立網(wǎng)絡(luò)。

（3）加入和離開網(wǎng)絡(luò)。

（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(luò)層服務(wù)規(guī)范

網(wǎng)絡(luò)層提供了兩種服務(wù)，可以通過(guò)兩個(gè)服務(wù)存取點(diǎn)（SAP）分別進(jìn)行訪問(wèn)。這兩個(gè)服

務(wù)是網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)。前者可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)存取點(diǎn)

（NLDE-SAP）進(jìn)行訪問(wèn)，后者則可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)實(shí)體服務(wù)存取點(diǎn)（NLME-SAP）進(jìn)行訪問(wèn)。這兩個(gè)服務(wù)與 MCPS-SAP 和 MLME-SAP 一起組成了應(yīng)用層和 MAC 子層間的接口。除了這些外部接口，在網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)部，NLME 和 NLDE 之間也存在一個(gè)接口，NLME可以通過(guò)它訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)服務(wù)。

4．網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)層的幀是由網(wǎng)絡(luò)層幀頭和網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(luò)層功能

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，主要功能包括設(shè)備連接和斷開網(wǎng)絡(luò)時(shí)所

采用的機(jī)制，以及在幀信息傳輸過(guò)程中所采用的安全性機(jī)制。此外，還包括設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)及轉(zhuǎn)交。并且，網(wǎng)絡(luò)層完成對(duì)一跳（one-hop）鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的存儲(chǔ)。一個(gè) ZigBee 協(xié)議器創(chuàng)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，為新加入的設(shè)備分配短地址等。并且，網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能包括以下 8 個(gè)方面：

（1）通過(guò)添加恰當(dāng)?shù)膮f(xié)議頭能夠從應(yīng)用層生成網(wǎng)絡(luò)層的 PDU，即 NPDU。

（2）確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（3）配置一個(gè)新的設(shè)備，可以是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，也可以向存在的網(wǎng)絡(luò)中加入設(shè)備。

（4）建立并啟動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

（5）加入或離開網(wǎng)絡(luò)。

（6）ZigBee 的協(xié)調(diào)器和路由能為加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)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(yīng)用層規(guī)范

ZigBee 協(xié)議棧的層結(jié)構(gòu)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(luò)層。每一層通過(guò)提供特定的服務(wù)完成相應(yīng)的功能。其中，ZigBee 應(yīng)用層包

APS 子層、ZDO（包括 ZDO 管理層）以及用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象。APS 子層的任務(wù)包括維護(hù)綁定表和綁定設(shè)備間的消息傳輸。所謂的綁定指的是根據(jù)兩個(gè)設(shè)備所提供的服務(wù)和它們的需求而將兩個(gè)設(shè)備關(guān)聯(lián)起來(lái)。

ZDO 的任務(wù)包括界定設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的作用，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備并檢查它們能夠提供哪些應(yīng)用服務(wù)，產(chǎn)生或者回應(yīng)綁定請(qǐng)求，并在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間建立安全的通信。

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

1．應(yīng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用實(shí)體之間的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，APSME 提供多種服務(wù)給應(yīng)用對(duì)象，并維護(hù)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)。APS 是網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)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(yīng)用對(duì)象調(diào)用的服務(wù)。這些服務(wù)由兩個(gè)實(shí)體提供：APS 數(shù)據(jù)實(shí)體（APSDE）通過(guò) APSDE 服務(wù)接入點(diǎn)（APSDE-SAP），APS 管理實(shí)體（APSME）通過(guò) APSME 服務(wù)接入點(diǎn)（APSME-SAP）。APSDE 在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)和多個(gè)設(shè)備提供傳輸應(yīng)用 PDU 的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。APSME 提供設(shè)備發(fā)現(xiàn)和設(shè)備綁定服務(wù)，并維護(hù)一個(gè)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)，也就是 APS 信息庫(kù)（AIB）。

2．應(yīng)用框架

在 ZigBee 應(yīng)用中，應(yīng)用框架提供了兩種標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)類型。一種是鍵值對(duì)（Key Value Pair，KVP）服務(wù)類型，另一種是報(bào)文（message，MSG）服務(wù)類型。KVP 服務(wù)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(shè)置一個(gè)屬性值；

Get 用于獲取一個(gè)屬性值；Event 用于通知一個(gè)屬性已經(jīng)發(fā)生改變。KVP 消息主要用于傳輸一些較為簡(jiǎn)單的變量格式。由于ZigBee 的很多應(yīng)用領(lǐng)域中的消息較為復(fù)雜，并不適用于 KVP 格式，因此 ZigBee 協(xié)議規(guī)范定義了 MSG 服務(wù)類型。MSG 服務(wù)對(duì)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(yīng)用框架AF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)。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(shè)備對(duì)象

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)，其主要功能集中在網(wǎng)絡(luò)

管理和維護(hù)上。應(yīng)用層的端點(diǎn)可以通過(guò) ZDO 提供的功能來(lái)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)、其他節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址和狀態(tài)以及其他節(jié)點(diǎn)的類型和提供的服務(wù)等信息。

端點(diǎn)是應(yīng)用對(duì)象存在的地方，ZigBee 允許多個(gè)應(yīng)用同時(shí)位于一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，ZigBee 定義了幾種描述符，對(duì)設(shè)備以及提供的服務(wù)進(jìn)行描述，可以通過(guò)這些描述符來(lái)尋找合適的服務(wù)或者設(shè)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(duì)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)；設(shè)立信任中心的角色，用于管理密鑰和管理設(shè)備，可以執(zhí)行設(shè)置的安全策略。

從以上分析可知，ZigBee 協(xié)議套件簡(jiǎn)單緊湊，因而與之兼容的硬件要求也比較簡(jiǎn)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(guó)際巨頭已推出了比較成熟的 ZigBee 開發(fā)平臺(tái)，如 TI 推出基于 CC2420 收發(fā)器和 TI MSP430 超低功耗單片機(jī)的平臺(tái)，CC2430 的 SOC 平臺(tái) C51RF-3-PK 等。

ZigBee 設(shè)備配置層提供標(biāo)準(zhǔn)的 ZigBee 配置服務(wù)，它定義和處理描述符請(qǐng)求。在

ZigBee 設(shè)備配置層中定義了稱為 ZigBee 設(shè)備對(duì)象的特殊軟件對(duì)象，在其他服務(wù)中提供綁定服務(wù)。遠(yuǎn)程設(shè)備可以通過(guò) ZDO 接口請(qǐng)求任何標(biāo)準(zhǔn)的描述符信息。當(dāng)接收到這些請(qǐng)求時(shí)，ZDO 會(huì)調(diào)用配置對(duì)象以獲取相應(yīng)的描述符值。在目前的 ZigBee 協(xié)議版本中，還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)設(shè)備配置層。ZDO 是特殊的應(yīng)用對(duì)象，它在端點(diǎn)（end-point）0 上實(shí)現(xiàn)。

ZigBee 安全服務(wù)規(guī)范

ZigBee 設(shè)備之間的通信使用 IEEE 802.15.4 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)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(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）標(biāo)準(zhǔn)，各層規(guī)范功能分別如下。

PHY：提供基本的物理無(wú)線通信能力。

MAC：提供設(shè)備間的可靠性授權(quán)和一跳通信連接服務(wù)。

NWK：提供用于構(gòu)建不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由和多跳功能。

APL：包括一個(gè)應(yīng)用支持子層、ZigBee 設(shè)備對(duì)象和應(yīng)用。

在安全服務(wù)規(guī)范方面，協(xié)議棧分別在 MAC、NWK 和 APS 三層具有安全機(jī)制，保證各層數(shù)據(jù)幀的安全傳輸。同時(shí)，APS 提供建立和保持安全關(guān)系的服務(wù)。ZDO 管理安全性策略和設(shè)備的安全性結(jié)構(gòu)。

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