zigbee协议规范及发时间

zigbee 协议规范及发时间篇一：zigbee 协议规范zigbee 协议概述 堆栈层 ZigBee 堆栈是在 IEEE 标准基础上建立的，定义了协议的 MAC 和 PHY 层。ZigBee 设备应该包括(该标准定义了RF 射频以及与相邻设备之间的通信)的 PHY 和 MAC 层，以及ZigBee 堆栈层：网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层。图 1-1 给出了这些组件的概况。 图 1-1 zigbe 堆栈框架 每个 ZigBee 设备都与一个特定模板有关，可能是公共模板或私有模板。这些模板定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的簇。公共模板可以确保不同供应商的设备在相同应用领域中的互操作性。 设备是由模板定义的，并以应用对象(Application Objects)的形式实现(见图 1-1)。每个应用对象通过一个端点连接到 ZigBee 堆栈的余下部分，它们都是器件中可寻址的组件从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接(例如，一个带开关组件的设备与带一个或多个灯组件的远端设备进行通信，目的是将这些灯点亮)。 端点之间的通信是通过称之为簇的数据结构实现的。这些簇是应用对象之间共享信息所需的全部属性的容器，在特殊应用中使用的簇在模板中有定义。图 1-1-2 就是设备及其接口的一个例子： 每个接口都能接收(用于输入)或发送(用于输出)簇格式的数据。一共有二个特殊的端点，即端点 0 和端点 255。端点 0 用于整个 ZigBee 设备的配置和管理。应用程序可以通过端点 0 与 ZigBee 堆栈的其它层通信，从而实现对这些层的初始化和配置。附属在端点 0 的对象被称为 ZigBee 设备对象(ZD0)。端点 255 用于向所有端点的广播。端点 241到 254 是保留端点。 所有端点都使用应用支持子层(APS)提供的服务。APS 通过网络层和安全服务提供层与端点相接，并为数据传送、安全和绑定提供服务，因此能够适配不同但兼容的设备，比如带灯的开关。 APS 使用网络层(NWK)提供的服务。NWK 负责设备到设备的通信，并负责网络中设备初始化所包含的活动、消息路由和网络发现。应用层可以通过 ZigBee 设备对象(ZDO)网络 层参数进行配置和访问。于服务接入点 ZigBee 协议栈体系包含一系列的层元件，其中有 XX标准中的 MAC 层和 PHY 层，当然也包括 ZigBee 组织设计的NWK 层和应用层。每个层的元件有其特定的服务功能。 ZigBee 的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。ZigBee 堆栈的大多数层有两个接口：数据实体接口和管理实体接口。数据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务。管理实体接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。每个服务实体通过相应的服务接入点(SAP)为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。 中原语的概念 原语是层与层之间信息交互的接口，交互的信息就是原语的参数。原语只有四种类型：请求原语：Request,确认原语：Confirm,指示原语：Indication,响应原语：Response，其中 Request 和 Response 是从上层到下层的，Confirm 和 Indication 是从下层到上层的。 举例：假如上层请求下层打开接收机，给下层一个 request，下层完成请求的功能后，给上层一个 Confirm，告诉上层正确完成了，或者出什么错了； 假如上层请求下层发送数据到 Remote 端，给下层一个数据发送的 request,下层完成数据发送任备后，给上层一个 Confirm 告诉上层结果；在对端，对应的下层收到数据后，需要通过 indication 把收到的数据传给上层! 假如节点 A 要请求节点 B 的对等层的一个服务，给自己下层一个请求，下层将信息发送到节点 B 的对等层之后，节点 B 的下层用 indication 告诉上层，上层做出影响后，用 Response 给到下层，节点 B 再发送到节点 A 的对等层，节点 A 的下层再用 confirm 原语要得到的信息返回给上层。设备类型和角色 IEEE 无线网络协议中定义了两种设备类型：全功能设备(FFD)和半功能设备(RFD)。FFD 可以执行 IEEE 标准中的所有功能，并且可以在网络中扮演任何角色，那反过来讲，RFD 就有功能限制。比如 FFD 能与网络中的任何设备通信，而 RFD 就只能和 FFD 通信。RFD 设备的用途是为了做一些简单功能的应用，比如做个开关之类的。而其功耗与内存大小都比 FFD 要小很多。 在 Zigbee 网络中，节点分为三种角色：协调器、路由器和终端节点。其中 Zigbee 协调者（coord）为协调者节点，每各 Zigbe 网络必须有一个。他的主要作用是初始化网络信息。Zigbee 路由器（router）为路由节点，他的作用是提供路由信息。Zigbee 终端节点（rfd 为终端节点） ，它没有没有路由功能，完成的是整个网络的终端任务。其中 FFD 可以扮演任何一个角色，而 RFD 只能扮演终端节点的角色。 图 zigbee 节点类型和角色zigbee 网络拓扑结构 ZigBee 技术网络有两种网络拓扑结构：星型的拓扑结构和对等的拓扑结构。 Zigbee 网络拓扑结构 星型拓扑网络结构有一个叫做 PAN 主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须为一个完整功能的设备，从设备既可为完整功能设备也可为简化功能设备，在实际应用中，应根据具体应用情况，采用不同功能的设备，合理的构造通信网络。在网络通信中，通常将这些设备分为起始设备或者终端设备，PAN 主协调器既可作为起始设备、终端设备，也可以作为路由器，它是 PAN 网络的主要控制器。在任何一个拓扑网络上，所有设备都有唯一的64 位长地址码，该地址码可以在 PAN 中用于直接通信，或者当设备发起连接时，可 以将其转变为 16 位的短地址码分配给 PAN 设备，因此，在设备发起连接时，应采用 64 位的长地址码，只有在连接成功后，系统分配了 PAN 的标识符后，才能采用 16 位的短地址进行连接，因此，短地址吗是一个相对地址码，长地址码是一个绝对地址码。在 ZigBee 技术应用中，PAN 主协调器是主要的耗能设备，而其他从设备均采用电池供电，ZigBee 技术的星型拓扑结构通常在家庭自动化、PC 外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查等方面得到应用。对等的拓扑网络机构中，同样也存在一个 PAN 主设备，但该网络不同于星型拓扑网络结构，在该网络中的任何一个设备只要是在它的通信范围内，就可以和其它设备进行通信。对等拓扑网络结构能够构成较为复杂的网络结构，例如，网孔拓扑网络结构，这种对等拓扑网络结构在工业监测和控制、无线传感器网路偶、供应物资跟踪、农业智能化，以及安全监控等方面都有广泛的应用。一个对等网络的路由协议可以是基于 Ad hoc 技术的，也可以是自组织式的和自恢复的，并且，在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间设备中继的方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。其中，组网的路由协议，在 ZigBee 网络层中没有给出，这样为用户的使用提供了更为灵活的组网方式。 无论是星型拓扑结构，还是对对等拓扑网络结构，每个独立的 PAN 都有一个唯一的标识符，利用该 PAN 标识符，可采用 16 位的短地址码进行网络设备间的通信，并且可激活 PAN 网络设备间的通信。 各网络结构的组网特点 1、星型网络结构的形成 当一个具有完整功能的设备（FFD）第一次被激活后，它就会建立一个自己的网络，将自身成为一个 PAN 主协调器。所有星型网络的操作独立于当前其它星型网络的操作，这就说明了在星型网络结构中只有一个唯一的 PAN 主协调器，通过选择一个 PAN 标识符确保网络的唯一性，目前，其它无线通信技术的星型网络没有用这种方式。因此，一旦选定了一个 PAN 标识符，PAN 主协调器就会允许其它从设备加入到它的网络中，无论是具有完整功能的设备，还是简化功能的设备都可以加入到这个网络中。 2、对等网络的形成 在对等拓扑结构中，每一个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信。任何一个设备都可定义为 PAN 主协调器，例如，可将信道中第一个通信的设备定义为 PAN 主协调器。未来的网络结构很可能不仅仅局限为对等的拓扑结构，而是在构造网络的过程中，对拓扑结构进行某些限制。 例如，树簇拓扑结构是对等网络拓扑结构的一种应用形式，在对等网络中的设备可以为完整功能设备，也可以为简化功能设备。而在树簇中的大部分设备为 FFD，RFD 只能作为树枝末尾处的叶节点上，这主要是由于 RFD 一次只能连接一个 FFD。任何一个 FFD 都可以作为主协调器，并且，为其它从设备或主设备提供同步服务。在整个 PAN 中，只要该设备相对于 PAN 中其它设备具有更多计算资源，比如具有更快的计算能力、更大的存储空间以及更多的供电能力等，这样的设备都可以成为该 PAN 的主协调器，通常称该设备为 PAN 主协调器。在建立一个 PAN 时，首先，PAN 主协调器将其自身设置成一个簇标识符（CID）为 0 的簇头（CLH） ，选择一个没有使用的 PAN 标识符，并向临近的其他设备以广播的形式发送信标帧，从而形成第一簇网络。接收到信标帧的候选设备可以在簇头中请求加入该网络，如果 PAN 主协调器允许该设备加入，那么主协调器会将该设备作为子节点加到她的临近表中，同时，请求加入的设备将 PAN 主协调器作为它的父节点加到邻近列表中，成为该网络中的一个从设备；同样，其他的所有候选设备都按照同样的方式，可请求加入到该网络中，作为网络的从设备。如果原始的候选设备不能加入到该网络中，那么它将寻找其它的父节点。 在树簇网络中，最简单的网络结构是只有一个簇的网络，但是多数网络结构由多个相邻的网 络构成。一旦第一簇网络满足预定的应用或网络需求时，PAN 主协调器将会指定一个从设备为另一簇网络的簇头，使得该从设备成为另一个 PAN 的主协调器，随后其他的从设备将逐个加入，并形成一个多簇网络。多簇网络结构的优点在于可以增加网络的覆盖范围，而随之产生的缺点是会增加传输信息的延迟时间（星型连接的相对优点） 。 ZigBee 堆栈容量 根据 ZigBee 堆栈规定的所有功能和支持，我们很容易推测 ZigBee 堆栈实现需要用到设备中的大量存储器资源。不过 ZigBee 规范定义了三种类型的设备，每种都有自己的功能要求：ZigBee 协调器是启动和配置网络的一种设备。协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，支持关联，同时还能设计信任中心和执行其它活动。一个 ZigBee 网络只允许有一个 ZigBee 协调器。 ZigBee 路由器是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其它设备。ZigBee 网格或树型网络可以有多个 ZigBee路由器。ZigBee 星型网络不支持 ZigBee 路由器。 ZigBee 端终设备可以执行它的相关功能，并使用ZigBee 网络到达其它需要与其通信的设备。它的存储器容量要求最少。然而需要特别注意的是，网络的特定架构会戏剧性地影响设备所需的资源。NWK 支持的网络拓扑有星型、树型和网格型。在这几种网络拓扑中，星型网络对资源的要求最低。 ZigBee 堆栈应该可以提供 ZigBee 规范要求的所有功能，因此制造商的重点工作是开发实际的应用。为了更加容易实现，如果制造商使用某种公共模板，那么可用大多数现成的配置。如果没有合适的公共模板，则可以充分利用其它模板已经做过的工作创建自己的模板。 ZigBee 的安全性 安全机制由安全服务提供层提供。然而值得注意的是，系统的整体安全性是在模板级定义的，这意味着模板应该定义某一特定网络中应该实现何种类型的安全。 每一层(MAC、网络或应用层)都能被保护，为了降低存储要求，它们可以分享安全钥匙。SSP 是通过 ZDO 进行初始化和配置的，要求实现高级加密标准(AES)。ZigBee 规范定义了信任中心的用途。信任中心是在网络中分配安全钥匙的一种令人信任的设备。 2 协议栈各层功能概述 物理层（PHY） 物理层定义了物理无线信道和 MAC 子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层采用DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum,直接序列扩频)技术。共有三个频段，可提供 27 个信道用于数据收发。都采用相位调制技术，采用较高阶的 QPSK 调制技术以达到250kbit/s 的速率，并降低工作时间，以减少功率消耗。而在 915MHz 和 868MHz 方面，则采用 BPSK 的调制技术。 篇二：zigbee 协议描述描述 ZigBee 网络的路由协议及路由发现过程 一.ZigBee 路由协议概述 ZigBee 路由协议指的是 ZigBee 规范中规定的与路由相关的功能和算法部分，主要包括不同网络拓扑结构下ZigBee 协议数据单元的路由方式，路由发现和路由维护等内容。 IEEE 802154ZigBee 规范中定义了星状、树状、网状三种网 络拓扑结构，以及 ZigBee 协调器(ZigBee Coordinator)、ZigBee 路由器(ZigBeeRouter)和 Zigbee 终端设备(ZigBee End Device)三种网络设备。 ZigBee 星状网络是简单的一对多通信 树状网络中，每个全功能设备都可以成为父节点，简化功能设备只能作为子节点树状网络采用一种等级树路由(Hierarchical Routing)机制。 网状网络中除了允许父节点和子节点之间的通信，也允许通信范围之内具有路由能力的非父子关系的邻居节点之间进行通信。网状网络采用一种无线自组织按需距离矢量(AODv)与等级树路由相结合的混合路由方式。 AODV 路由算法是一种按需路由协议，根据节点的需求发起路由发现过程，网络拓扑结构和路由表内容也是按需建立的，路由表中不需保存网络内各个节点的路径。因此，AODV 路由算法不需要周期性的广播路由信息，节省了一定的网络资源。AODV 的路由发现和路由维护过程中使用的命令帧有：路由请求命令帧(RREQ)、路由回复命令 帧(RREP)、路由修复命令帧(RERR)、HELLO 帧，命令帧采用逐跳转发的方式，每个中间节点隐式保存了路由请求和回复的结果。HELLO 帧获取邻居节点的信息，RREO 发起路由请求，RREP 进行路由应答，RERR 表示链路出现问题。AODV 路由方式中，在需要发送数据分组时，如果没有到目的节点的路由，节点就要临时启动路由发现过程来寻找路由，因此数据分组的发送有一定时间的延迟。路由发现过程通常采用全网洪泛的方式发送 RREQ 帧进行路由搜索。由于 AODV 路由基于双向信道的网络，因此含有到目的节点路由的中间节点或者目的节点本身在收到 RREO 帧后，可以沿着路由请求的反方向发送 RREP 到发起路由请求的节点，从而使发起路由请求的节点获得请求的路由。AODV 路由采用逐跳的方式转发分组，路由表中记录了到目的节点的下一跳地址，因此不需要在数据帧中携带完整的路由信息。AODV 路由比较适合于节点依靠电池 供电、能量受限的网络环境。 需要指出的是，ZigBee 路由中使用的 AODV 路由算法与无线自组织网络中的 AODV 路由算法略有区别。如无线自组织网络中的 AODV 路由是基于最少跳数的，即当接收到多个 RREP 时，总是选择跳数较少的路由，而 ZigBee 中的AODV 路由选择则是基于路径损耗(当路径损耗设置为ZigBee 规范中所指定的常数 7 时，ZigBee 的 AODV 路由算法总是寻找最短路径)为了说明方便，下文中用 Z-AODV表示 zigsee 规范采用的 AODV 路由算法。 等级树路由也可以简称为树路由，等级树路由机制包括树地址分配和树路由两部分ZigBee 协调器建立网络时将给自身分配网络地址 0 和设置自身的深度 Depth0 为 0。 节点 i 加入网络并连接到节点 k 时，节点 k 将成为节点 i 的父节点，并根据自身的网络地址 Ak 和深度眈 Depthk给节点 i 分配一个网络地址 Ai 以及深度，其深度为： Depthi=Depthk+1 () 式中，深度 Depthi 表示了节点 i 到协调器的跳数。 图说明了 ZigBee 等级树结构，其中 cM 表示一个路由器或者协调器节点可容纳的最大子节点数，RM 表示子节点中可以是路由器的数目。对于一个网络的不同节点，CM 和RM 一般是定值。 对于深度为 Depth=d 的节点 k，将给其新加入的无路由能力的第 n 个 RFD 子节点 i 分配网络地址； Ai=Ak+Cskip(d)Rm+n ()对于有路由能力的 FFD 子节点分配地址： Ai=Ak+1+(n-1)Cskip(d) () 式中， otherwise （）通过这样的地址分配机制，每个路由器节点都把包含Cskip(d)个地址的地址块分配给自己有路由能力的子节点，保证了数据帧发送节点总是能够根据目的节点地址来判断目的节点是否是本节点的后代节点。 利用等级树路由传送数据帧时，目的节点网络地址为D，则当深度为 d，网络地址为 A 的路由节点转发此数据帧时，将首先根据下式判断目的节点是否是本节点的后代节点：， A 如果满足式()，则数据帧的下一跳地址 N 为： （） 即如果目的节点的地址是与本节点相连的子节点则直接发送，否则就发送到目的节点地址所在地址块的路由器节点。如果目的节点不 是本节点的后代节点，下一跳地址 N 为本节点的父节点，即向上寻找目的节点所在的地址块。二.ZigBee 路由过程 先说明一下路由能力(Routing Capacity)的概念。节点的路由能力指节点同时具备路由表能力和路由发现表能力。 满足以下条件的节点设备称为具有路由表能力的节点设备： (1)设备是一个协调器或者路由器； (2)设备维护了一张路由表，路由表的具体格式见表；(3)该设备有一个空闲的路由表条目，或者已经有一个存在的与目标节点相对应的路由表条目； (4)该设备保留了一些路由条目在路由修复时使用。 满足以下条件的节点设备称为具有路由发现表能力的节点设备： (1)设备维护了一张路由发现表，路由发现表的具体格式见表； 篇三：Zigbee 物理层协议规范 在不同的国家和地区，ZigBee 技术所允许使用的工作频率是不同的，而对于不同的应用频率范围，其调制方式。传输速率均不同，众所周知，蓝牙技术在世界多数国家都采用统一的频率范围，其范围为的 ISM 频段上，调制采用快速跳频扩频技术，而 ZigBee 技术不同，对于不同的国家和地区，为其提供的工作频率范围是不同的，ZigBee 所使用的频率范围主要分为 868/915MHz 和 2.4Ghz ISM 频段，各个具体的频段的频率范围如下表所示: 由于各个国家的地区采用的工作频率范围不同，为提高数据传输速率，规范标准对于不同的频率范围，规定了不同的调制方式，因而在不同的频率段上，其数据传输速率不同，具体调制和传输速率如下所示： 从上面可以看出 ZigBee 使用了 3 个工作频段，每一个频段宽度不同，其分配信道的个数也不相同，在规范标准定义了 27 个物理信道，信道编号从 0 到 26，在不同的频段其带宽不同，其中 2450MHz 频段定义了 16 个信道，915MHz 频段定义了 10 个信道，868MHz 频段定义了 1 个信道。这些信道的中心频率定义如下： ZigBee 物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从 MAC 层以物理层无线信道的接口。在物理层中，包含一个物理层管理实体（PLME） ，该实体通过调用物理层的管理功能函数，为物理层管理服务提供其接口，同时，还负责维护由物理层所管理的目标数据库，该 数据库包含有物理层个域网络的基本信息。 ZigBee 物理层的结构及接口如下图:图 1 物理层结构模型 从图中可以看出，在物理层中，存在有数据服务接入点和物理层实体服务接入点，通过这两个服务接入点提供如下两种服务，它们是：（1）通过物理层数据服务接入点（PD-SAP）为物理层数据提供服务（2）通过物理层管理实体（PLME）服务的接入点（PLME-SAP）为物理层管理提供服务。 物理层的数据服务和管理服务都是通过各种的原语操作完成的，这里就不介绍各种原语的用法和功能了。在以后用到时再结合的具体的实例。 ZigBee 协议数据单元的结构 ZigBee 协议数据单元（PPDU）数据包的格式。在PPDU 数据包结构中，最左边的字段优先发送和接收。在多个字节的字段中，优先发送或接收最低有效字节，而在每一个字节中优先发送最低有效位（LSB） ，同样在物理层与MAC 层之间数据字段的传送也遵循这一规则。每个 PPDU 数据包由以下几个基本的部分组成： ? 同步包头 SHR：允许接收设备锁定在比特流上，并且与该比特流保持同步 ? ? 物理层包头 PHR：包含帧长度的信息 ? ? 物理层净荷：长度变化的净荷，携带 MAC 层的帧信息 ? PPDU 数据包的格式如下图所示： PPDU 数据包的格式1前同步码 收发机根据前同步码引入