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第五章通信标准 内容提要 IEEE802 15 4标准ZigBee标准6LowPan草案主要参考文献 内容提要 IEEE802 15 4标准 1 1IEEE802 15 4标准概述 IEEE标准委员会在2000年12月份正式批准成立了802 15 4工作组 任务就是开发一个低数据率的WPAN 低数据率的WPAN LR WPAN lowratewirelesspersonalareaNetwork 具有复杂度低 实现成本小 设备功耗低等特点 能在低成本设备 固定 便携或可移动的 之间进行低数据率的传输 1 1IEEE802 15 4标准概述 IEEE802 15 4标准的主要特征 实现20kbps 40kbps 100kbps 250kbps四种不同的传输速率 支持星型和点到点两种拓扑结构 在网络中采取两种地址方式 16位地址和64位地址 其中16位地址是由协调器分配的 64位地址是全球唯一的扩展地址 采用可选的时槽保障 GuaranteedTimeSlots GTS 机制 采用带冲突避免的载波侦听多路访问 Carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance CSMA CA 的信道访问机制 支持ACK机制以保证可靠传输 低功耗机制 信道能量检测 EnergyDetection ED 链路质量指示 Linkqualityindication LQI 工作在ISM频段上 其中在2450MHz波段上有16个信道 在915MHz波段上有30个信道 在868MHz上有3个信道 数据安全策略 网络组成及拓扑结构 图5 1 星型和点到点拓扑结构FFD Full FunctionDevice 可以与所有其他FFD或RFD Reduced FunctionDevice 之间通信 而RFD只能与其关联的FFD进行通信 与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器 在整个网络中 有一个FFD充当网络的协调器 网络协调器除直接参与应用外 还需要完成成员身份管理 链路状态信息管理以及分组转发等任务 协议栈架构 图5 2 IEEE802 15 4协议栈架构 SSCS ServiceSpecificConvergenceSublayer特定服务聚合子层 LLC 逻辑链路控制子层 功能概述 IEEE802 15 4协议标准定义了 超帧结构数据传输模型MAC层帧结构数据可靠传输机制低功耗策略数据的安全服务 超帧结构 图5 3 超帧结构 超帧是指一种用来组织网络通信时间分配的逻辑结构 由网络协调器定义 包括活跃时段和非活跃时段 数据传输模型 LR WPAN中存在三种数据传输方式 设备发送数据给协调器 协调器发送数据给设备 对等设备之间的数据传输 星型拓扑网络中只存在前两种数据传输方式 因为只在协调器与设备之间交换数据 而在点到点拓扑网络中 三种数据传输方式都存在 同时标准还提供两种可以选择的通信方式 信标使能通信 beacon enabled 和无信标使能通信 nonbeacon enabled IEEE802 15 4标准MAC层帧结构 为了用最低复杂度实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输 802 15 4标准专门定义了四种类型的帧 信标帧 数据帧 确认帧和命令帧 其中 目前已定义好8种命令帧 关联请求帧 Associaterequest 关联响应帧 Associateresponse 取消关联通知帧 Disassociatenotification 数据请求帧 DataRequest 网络ID冲突帧 PANIDconflict 孤立指示帧 Orphannotification 信标请求 Beaconrequest 帧 协调器重置帧 Coordinaterealignment IEEE802 15 4标准数据可靠传输机制 802 15 4标准规定用CSMA CA机制 帧确认机制和帧校验机制来保证数据的可靠传输 CSMA CA是带冲突访问避免的载波侦听多路访问技术 通过随机退避减少数据发送冲突 依据采纳的信标使能方式选择基于时槽的CSMA CA和无时槽的CSMA CA 帧确认机制是一种可选机制 发送帧的设备可以通过设置应答域来要求接收方发送应答帧 如果采用了应答机制 设备在发送一帧后 如果在规定的时问内没有收到应答帧 将进行重发 另外 由于在无线信道中数据传输会出现比较高的误码率 在802 15 4标准中提出了两种机制解决误码问题 一种机制是使用短帧格式 小于128B 以减少单个帧出错的概率 另一种机制是利用MAC帧中的校验机制验证收到的数据是否出错 MAC帧的校验码长16位 使用ITU标准的16位CRC校验生成算法生成 IEEE802 15 4标准低功耗策略 在LR WPAN网络中 能量是一个需要慎重考虑的问题 802 15 4标准的制定充分考虑至低功耗的要求 在基于信标使能的网络中 超帧将每个信标帧周期划分为活跃时段与非活跃时段 其中非活跃时段设备可以采用睡眠来降低设备的功耗 不过这要求设备能够与协调器精确同步 IEEE802 15 4标准数据的安全服务 新的802 15 4协议标准在安全服务方面更新较多 它规定MAC子层为收发帧提供了三种安全服务 数据机密 dateconfidentiality 数据认证 dataauthenticity 和重放检测 replydetection 数据机密服务保证只有真正拥有密钥的接收者才能获得帧内容 数据认证服务确认信息来源的准确性 重放检测服务主要为了保证信息的新鲜性 实际上使用的帧安全服务级别往往根据应用的需求 密钥存储和密钥维护开销等多方面进行权衡考虑 具体加解密的操作采用的是CCM CCM的扩展形式 模式 IEEE802 15 4标准物理层规范 物理层的主要功能 在一条物理传输媒体上 实现数据链路实体之间透明地传输各种数据的比特流 IEEE802 15 4的物理层通过射频硬件和软件在MAC子层和射频信道之间提供接口 将物理层的主要功能分为数据服务和管理服务两个部分 数据服务主要负责数据的接收和发送 管理服务主要负责射频收发器的激活和休眠 信道能量检测 链路质量指示 空闲信道评估 信道的频段选择 物理层信息库的管理等 物理层规范信道分配及调制方式物理层帧格式物理层功能实现 IEEE802 15 4标准信道分配及调制方式 注 2 4GHzISM频段在全世界通用 868MHz和915MHz的ISM频段分别只在欧洲和北美使用 IEEE802 15 4标准物理层帧格式 图5 4 物理帧格式 物理层的数据帧称为物理层协议数据单元 PPDU PHYProtocolDataUnit 每个PPDU帧由同步头 物理帧头 物理帧负载组成 IEEE802 15 4标准物理层功能实现 图5 5 物理层参考模型 所有的物理层服务均是通过物理层服务访问接口实现的 数据服务通过PD SAP 物理层数据访问接口 管理服务通过PLME SAP 物理层管理实体访问接口 IEEE802 15 4标准物理层功能实现 1 数据的发送与接收标准专门定义了三个与传输数据相关的原语 数据请求原语 数据确认原语 数据指示原语 2 物理信道的能量检测 ED EnergyDetection PAN网络形成的时候 首先是一个FFD设备把自己设置为协调器 协调器在构建一个新的网络的时候 需要负责扫描所有的信道 然后为自己的网络选择一个空闲信道 这个过程在底层是借助物理信道的能量检测来完成的 3 射频收发器的激活与关闭在高层无数据收发的时候 可以选择关闭底层射频收发器 4 空闲信道评估 CCA clearchannelassessment 802 15 4标准的MAC子层采用的是CSMA CA机制访问信道 需要探测当前的物理信道是否空闲 物理层提供的CCA检测功能就是专门为此定义的 5 链路质量指示 LQI linkqualityindication 高层的协议往往需要依据底层的链路质量来选择路由 物理层在接收一个报文的时候 可以顺带返回当前的LQI值 物理层主要通过底层的射频硬件支持来获取LQI 6 物理层属性参数的获取与设置在协议栈里面 每一层协议都维护着一个信息库用于管理该层 里面具体存放着与该层相关的一些属性参数 如最大报文长度等 在高层可以通过原语获取或修改下一层的信息库里面属性参数 802 15 4物理层也同样维护着这样一个信息库 并提供了4个相关的原语 属性参数获取请求原语 属性参数获取确认原语 属性参数设置请求原语 属性参数设置确认原语 1 3IEEE802 15 4标准MAC子层规范 MAC子层规范MAC子层的信道访问方式MAC子层的帧格式MAC子层的功能实现 1 3IEEE802 15 4标准MAC子层规范 IEEE802 15 4标准的MAC子层功能 采用CSMA CA机制来访问物理信道 协调器对网络的建立与维护 支持PAN网络的关联 association 与取消关联 disassociation 协调器产生信标帧 普通设备根据信标帧与协调器同步 间接传输的实现 Transactionhandling 在两个MAC实体之间提供数据可靠传输 可选的GTS支持 支持安全机制 1 3IEEE802 15 4标准MAC子层规范 IEEE802 15 4根据网络配置分别采用两种信道访问机制 在无信标使能的网络中采用无时槽的CSMA CA机制 在信标使能的网络中采用带时槽的CSMA CA机制 网络的协调器 负责整个网络的建立与维护 首先需要为整个网络选择空闲信道 然后产生信标帧并定期发送 同时处理其他设备的关联或取消关联请求 数据传输等 普通设备 在启动后需要通过扫描寻找网络 通过向网络协调器注册身份以及身份验证实现网络关联 并与协调器同步 数据交换 当设备需要离开一个网络时 就使用取消关联操作 MAC子层的信道访问方式 图5 6 中间协调器接收和发送信标帧 1 信道的时段分配 2 CSMA CA算法 IEEE802 15 4标准MAC子层的帧格式 图5 8 MAC帧格式 所有的MAC帧由三大部分组成 帧头 负载 帧尾 IEEE802 15 4标准MAC子层的帧格式 图5 9 信标帧格式 1 信标帧 IEEE802 15 4标准MAC子层的帧格式 图5 10 数据帧格式 2 数据帧 IEEE802 15 4标准MAC子层的帧格式 图5 11 确认帧格式 3 确认帧 IEEE802 15 4标准MAC子层的帧格式 图5 12 命令帧格式 4 命令帧 MAC子层的功能实现 图5 13 MAC层参考模型 MCPS MACCommonPartSublayer MLME MACSublayerManagementEntity MAC子层提供了两种服务 1 MAC层数据服务 提供了MCPS 数据服务访问点MCPS SAP 2 MAC层管理实体MLME 提供了MLME SAP管理服务访问点 IEEE802 15 4标准MAC子层的功能实现 MAC子层功能实现 1 PAN的建立与维护 当一个新设备上电时 若该设备不是协调器 它将通过扫描发现已有的网络 然后选择一个网络进行关联 若该设备是一个网络协调器 则去扫描已有的网络 选择空余的信道与合法的PANID 然后构建一个新的网络 如果一个设备在通信过程中 与其自身关联的协调器失去同步 也需要通过扫描通知其协调器 为此 802 15 4专门定义了4种扫描 ED信道扫描 主动信道扫描 被动信道扫描 孤立信道扫描 2 关联请求与关联取消对于一般设备 在启动并做完扫描后 已经得到附近各个网络的参数 下一步就是选择一个合适的网络并与其协调器进行关联 关联取消 设备主动要与协调器取消关联 协调器强制要求某个设备与其取消关联 3 与信标帧的同步 MAC子层功能实现 4 间接传输方式间接通信 当协调器有数据发送给设备的时候 协调器会暂存数据 然后通过设置信标帧里的相关域来通知目标设备 设备在接收信标帧的时候如果发现协调器存有发送给自己的数据 会发送数据请求来获取发送给自己的数据 这种方式称作间接通信 5 数据的发送 接收与重传 6 GTS的分配与管理 7 MAC子层PIB的维护MAC子层的PIB存放着与本层配置相关的属性参数 8 MAC子层的安全策略MAC子层按上层的需求为传输帧提供三种安全服务 数据机密 数据认证和重放检测 2 ZigBee标准 ZigBee标准 ZigBee技术是建立在IEEE802 15 4标准之上 IEEE802 15 4标准定义了物理层和MAC子层 ZigBee标准在这个基础上扩展了网络层和应用层框架 其中包括 应用支持子层APSZigBee设备对象ZDO设备商自定义的应用组件 ZigBee标准 2 1Zigbee网络层功能实现2 2应用层规范简介 Zigbee网络层功能实现1 ZigBee网络的形成过程与设备的维护2 ZigBee路由机制 ZigBee网络中的三种设备 ZigBee协调器 ZigBee路由器 ZigBee终端设备ZigBee协调器 负责建立并启动一个网络 ZigBee路由器 作为远程设备之间的中继器 用来扩展网络的范围 ZigBee终端设备 网络中的终端节点 负责数据采集 ZigBee标准 网络层分为 数据实体 管理实体 数据实体数据实体提供网络层的数据服务 对应用层和MAC层的接口分别为NLDE SAP 网络层数据访问接口 MCPS SAP MAC层数据访问接口 实现两个对等的应用层之间的端到端的传输 ZigBee标准 数据实体网络层在接收到高层的数据请求原语后首先组织一个NPDU 然后根据路由算法决定下一跳目的设备 因此数据实体对于路由而言提供了一个接口 当高层需要发送数据时就会启动路由查询机制 管理实体 实现对网络层的控制 维护网络层的NIB 提供了应用层的接口是网络层的关键所在 主要提供以下服务 1 配置一个新的设备 包括根据要求配置协议栈以及通过一系列操作成为Zigbee协调器或者加入现有的网络 2 建立一个新的网络 定义了Coordinator如何建立一个新的网络的过程 3 加入和离开网络 定义了Router和Node如何加入一个网络 以及Coordinator和Router如何使得一个设备离开网络 4 地址分配 定义了Coordinator和Router如何为加入网络的设备分配地址 5 邻居发现 发现在单跳范围内的设备 并维护一张邻居列表 将邻居节点的信息记录在邻居列表中 6 路由发现 当目的设备不在单跳范围内时 开始一个路由发现过程 发现网络路径 并记录在路由表中 7 接收控制 控制接收器开和关的时间以达到降低功耗的目的 使能MAC子层同步以及数据接收 ZigBee标准 图5 21 Coordinator功能模块示意图 协调器的网络层主要功能模块 ZigBee标准 图5 22 Router功能模块示意图 路由器的网络层主要功能模块 ZigBee标准 图5 23 EndDevice功能模块示意图 终端设备的网络层主要功能模块 1 网络建立只有未加入网络的ZigBee协调器才可以建立网络 协调器在设定合适的信道 PANID以及网络地址后 便开始发送信标帧 等待其他设备请求加入网络 2 设备加入设备在启动后可以通过关联操作加入一个网络 也可以直接加入网络 如果请求加入操作由于一些原因而失败 如父设备已经拥有最大的子设备数等 待加入网络的设备将从其邻居列表中重新选择合适的父设备 直到成功加入网络为止 设备还可以直接被预先指定的ZigBee协调器或者路由器加入网络 前提是在父设备已经存储了该设备的64位地址 3 设备短地址分配网络地址分配主要依据上述的三个网络参数 最多子设备数 mwkMaxChildren Cm 最大设备深度 mwkMaxDepth Lm 最大路由数 mwkMaxRouters Rm 4 设备离开当一个设备接收到高层的离开网络的请求后 它首先请求其所有孩子离开网络 所有孩子移除完毕后 最后通过MAC层的取消关联操作向其父设备申请离开网络 5 邻居列表的维护 ZigBee网络的形成过程与设备的维护 理论上讲 所有的路由发现过程均是源于数据帧的发送请求 1 路由消耗 RoutingCost 的计算使用路径消耗来判断最佳路径一条路径上总的路径消耗为累加各段链路花费之和 2 路由表路由器和协调器均可以维护一个路由表 记录着相关路由路径的信息 3 路由发现禁止路由发现 使能路由发现 强制路由发现 4 树形路由过程树形路由是最简单有效的路由方式 但是效率比较低 比较适合小规模且移动性不高的网络 ZigBee路由机制 路由消耗 RoutingCost 的计算 比如经由一些列设备 D1 D2 DL 长度为L的路径P 其中一个子路段 Di Di 1 长度为2 那么路径总的路由花费 每个子路段计算出的内部链接花费函数 内部链接花费函数如下 其中Pi是基于该条连接成功实现数据转发的概率 路由表 表格5 3 路由表 路由发现 根据NLDE数据发送请求原语中的DiscoveryRoute参数来确定采取何种路由方式来寻找目的设备路径 1 禁止路由发现 suppressroutediscovery 如果发现路由表中有相关条目存在 则数据包按照该路径进行路由 否则 数据包沿着树形推进 2 使能路由发现 enableroutediscovery 如果发现路由表中有相关条目存在 则数据包按照该路径进行路由 否则路由器可以启动一个路由发现过程 当发现完成 数据包将沿着计算出来的路由传送 如果该路由器没有路由发现能力 数据包将沿着树形推进 3 强制路由发现 forceroutediscovery 如果路由器有路由发现能力 不管路由是否已经存在 都将启动一个路由发现过程 当发现完成 数据包将沿着计算出来的路由传送 如果这个路由器没有路由发现能力 数据包将沿着树形推进 这个选择必须小心使用因为它会产生较大的网络冗余 它的主要用途是修复破坏了的路由 应用层规范简介 ZigBee应用层有三个组成部分 APS子层ZDO制造商定义的应用对象 应用层规范简介 APS子层通过ZDO和制造商定义的应用对象所使用的通用服务集在NWK层和APL之间提供了接口 包括两个实体 APS数据实体 APSDE 和APS管理实体 APSME 3 6LowPan草案 6LowPan草案 6LowPan草案 6LowPan 是IPv6overLowPowerWirelessPersonalAreaNetwork的缩写 6LowPan草案的目标 制订如何在LowPan上传输IPv6报文 IETF成立了专门的工作组制定如何在802 15 4协议上发送和接收IPv6报文等相关技术标准 3 1动机与存在的问题3 2协议报文转换适配层和帧格式3 3地址管理机制3 4Mesh网络下的多跳传输方法及路由3 5邻居发现协议 3 1动机与存在的问题 动机 IPv6是成熟的技术 可以较好的满足LowPan互联层的一些要求 1 LowPan网络里面很多设备需要无状态自动配置技术2 LowPan网络存在大量的设备 需要很大的IP地址空间3 在包长度受限的情况 可以选择IPv6的地址包含802 15 4MAC层地址4 采用IPv6可以容易地实现LowPan和现有主干有线网的互联 3 1动机与存在的问题 IPv6与802 15 4协议的设计初衷是应用于两个完全不同的网络 导致直接在802 15 4上传输IPv6报文会有很多的问题 两个协议的报文长度不兼容两者采用的地址机制不相同两者设备的通信能力不同两个协议的优化目标不同 3 2协议报文转换适配层和帧格式 IPv6报文允许的最大报文长度是1280B 而802 15 4的MAC层最大报文长度127B IPv6的MAC层支持的有效载荷长度远远大于802 15 4所能提供的上层载荷长度 为了实现802 15 4与IPv6的无缝链接 6LowPan工作组建议在IPv6层与802 15 4MAC层之间增加一个网络适配层 6LowPan适配层来完成包头压缩 报文分片与重组 网状路由转发等工作 3 3地址管理机制 基于主机用途的多样性 主机地址希望能够实现自动配置 目前IPv6有两种地址自动配置技术 有状态自动配置与无状态自动配置 有状态配置一般需要专门的地址配置服务器 这在6LowPan中显然不现实 所以在6LowPan中一般采用无状态自动配置技术 在草案中定义了如何产生IPv6的64位接口ID 在IPv6中接口ID经常采用EUI 64地址 在802 15 4协议中 每个设备都分配了EUI 64长地址 协议规定也可以采用16位短地址 3 3地址管理机制 在地址解析方面 IPv6采用邻居发现协议来获得同一链路上的其他设备链路层地址 包括路由器等 草案中规定了源地址和目标链路层地址格式 包括采用EUI 64地址和16位短地址形式 对于多播情形 也规定了如何将目标地址转换成802 15 4的16位多播地址 只采用了目标IPv6地址的第16个字节与第15个字节的3 7位 3 4Mesh网络下的多跳传输方法及路由 802 15 4规范中没有定义支持Mesh网络多跳的传输功