zigbee_MAC_NWK_Layers网络层物理层简介

1、3.3 IEEE 802.15.4 MAC Layer 姓名：宋杭科 学号：14720950 3.4 The Zigbee NMK Layer IEEE 802.15.4 MAC Layer 1. 分层结构与功能 2. 基于超帧的mac层通信 3. MAC帧结构 MAC Layer 分层结构 MLME：MAC Layer Management Entity MAC-PIB：MAC PAN Information Base MAC层层 Medium Access Control，即介质访问 控制子层。与逻辑链路控制LLC组成数据 链路层。 负责把物理层的“0”、“1”比特流组 建成帧；提供对共享

2、介质的访问方法； 分配MAC地址。 802.15.4的的MAC层层 提供两种服务： MAC层数据层数据服务服务保证MAC协议数 据单元在物理层数据服务中的正确收发； MAC层管理服务（层管理服务（MLME）维护 一个存储MAC子层协议状态相关信息的 数据库。 MAC Layer 分层结构 802.15.4MAC层层主要主要功能：功能： 1. 产生网络信标（如果设备是协调器） 2. 使设备与信标同步（根据协调器的信标帧） 3. 信道接入采用CSMA-CA接入机制 4. 处理和维护GTS机制 5. 在对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路 6. 支持设备与PAN的连接和断开连接（GTS，超帧同

3、步分配时槽） 7. 支持设备的安全性 MAC Layer 超帧 超帧结构超帧结构(3+1)： 1. 信标帧（ beacon ）：网络协调器发出；超帧将持续的时间及GTS的分配 2. 信道竞争周期（CAP）：动态调整 3. 信道无竞争周期（CFP）：动态调整，信标使能时才存在 4. 不活跃：设备间不通信，休眠以节能 固定有保证固定有保证时隙（时隙（GTS） 超帧 MAC Layer 信道竞争信道竞争周期周期: CSMA-CA访问机制：载波侦听多路访问冲突避免；you can you up, no can you wait ; 信标使能，同步网络，基于时槽slot；非使能，非同步网 络，随机时间（

4、无CFP无协调器，类似ad-hoc） 各设备节点通过CSMA/CA机制来接入信道，（信标帧、数据传送应答帧， ），处于信道竞争周期中的所有的数据发送事务必须在 CAP 结束之前的一个完整帧间间隔内完成。 信道无竞争周期信道无竞争周期(信标使能信标使能): 协调器根据中设备申请GTS的情况，将非竞争时段划 分成若干个GTS。 每个GTS由若干个时槽组成，时槽数目在设备申请GTS时指定。 MAC Layer 各类帧结构 IEEE 802.15.4网络共定义了四种类型的帧：信标帧，数据帧，确认帧和MAC 命令帧。 帧类型： 由帧头（ MAC header (MHR) ）、负载（ MAC payloa

5、d ）和帧尾（ MAC footer (MFR) ）三部分组成。 a. 帧帧头头由 帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。 b. 负载负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。 c.帧帧尾尾是帧头和负载数据的16位CRC校验序列 帧结构设计目标： 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。 通用结构： The Zigbee NWK Layer 1. 结构与功能 2. 节点和网络拓扑类型 3. 网络路由的实现 NWK Layer 结构位置 NWK Layer 结构与功能 ZigBee的网络层的网络层 ISO制定的网络层：制定的网络层： 解决网络间的通信问题，提供路 由，即最佳路径 主要主

6、要功能功能：节点连接和断开网络里 所采用的机制；传输安全性；设备 之间的路由发现和维护和转交 向应用层提供服务接入点（SAP）， 网络层提供了两个必要的功能服务 实体网络层数据实体（网络层数据实体（NLDE） 和网络层管理实体（网络层管理实体（NLME） NWK Layer 具体功能 网络层数据实体（网络层数据实体（NLDE） 生成生成网络层协议数据单元（网络层协议数据单元（NPDU），网络层数据实体通过增加一个适当 的协议头，从应用支持层协议数据单元中生成网络层的数据单元 指定指定拓扑传输路由拓扑传输路由，网络层数据实体能够发送一个网络层的协议数据单 元到一个合适的设备，该设备可以是最终的目

7、的通信设备，也可能是通 信链路中的一个中间通信设备。 网络层管理实体（网络层管理实体（NLME） 配置配置一个新的设备。一个新的设备。为保证设备正常工作的需要，设备应该具有足够堆栈， 以满足配置的需要。配置选项包括对一个ZigBee协调器和连接一个现有网络 设备的初始化操作。 初始化初始化一个网络一个网络，使之具有建立一个新网络的能力。 连接连接和断开网络和断开网络，具有连接或者断开一个网络的能力，以及为建立一个 ZigBee协调器或者ZigBee路由器，具有要求设备同网络断开的能力。 寻址寻址。ZigBee协调器和ZigBee路由器具有为新加入网络的设备分配地址的能力。 邻居邻居设备发现设备

8、发现。具有发现记录和汇报有关一跳邻居设备信息的能力。 路由路由发现发现。具有发现和记录有效地传送信息的网络路由能力。 接收接收控制控制。具有控制设备接收机接收状态的能力，即控制接收机什么时间接 收，接收时间的长短，以保证MAC层的同步长或者正常接收等。 NWK Layer 节点和拓扑 节点类型节点类型 1. ZigBee 协调协调者（者（ZC） a) 每个ZigBee 网络必须有一个 b) 建立初始化网络信息配置（路由器） 2. ZigBee 路由器路由器(ZR) a) 路由信息管理维护 3. ZigBee 终端终端节点（节点（ZED） a) 向路由传递数据；睡眠和唤醒 网络拓扑结构（网络拓扑

9、结构（Topology） 1. Hierarchical (Tree) Topology 2. mesh topology 3. Star topology 树路由 树型路由机制树型路由机制包括 配置树型地址 和 树型地址的路由 网络地址分配机制网络地址分配机制 a) 分布式的地址分配机制，即每个父设备拥有 一个有限的网络地址段，从中选择一些地址 给子设备 b) 根据四个参数深度深度(d) 、最大最大深度深度(Lm) 、最最 大子节点大子节点数数(Cm)和最大子路由器最大子路由器数数(Rm)来计 算新节点的地址，寻址寻址的时候根据地址就能 计算出路径 c) 路由方向向子节点发送或者向父节点发送

10、。 NWK Layer NWK Layer 树路由 树树型地址的路由型地址的路由 树路由NWK Layer Z-AODV 能量平衡路由 AODV 能量平衡能量平衡路由路由协议协议 a.a. AODVAODV(ad-hoc on-demand distance vector)协议在 DSDV协 议（逐跳路由、序列号、定期广播机制）基础上，加入了 DSR的按需路由发现和维护机制。 b. 与 DSDV 保存完整的路由表不同的是，AODV 通过建立按需 路由来减少路由广播的次数;与DSR相比，AODV 的好处在于 源路由并不需要包括在每一个数据包中，这样会降低路由 协议的开销。 Z-AODV 能量平衡

11、路由能量平衡路由 Z-AODV 算法是针对 AODV 改进。基于路径的能量消耗的路由， 考虑到节能、应用方便性等因素，简化了 AODV 的一些特点， 但仍保持 AODV 的原始功能。 NWK Layer 路由成本路由成本 Z-AODV 能量平衡路由NWK Layer mesh路由 1. ZigBee 网络中将二者结合，使用 Z-AODV 和分等级的树型 （Tree）路由相结合的混合路由方法，构成网格型拓扑结构 （Mesh）的网络。 2. 具体实现方法是在数据帧帧头的DiscoverRouter域指定路由。 该域可以是如下三种值： Mesh路由路由 a) 抑制路由发现： 原路由或tree路由 b

12、) 使能路由发现： 原路由或Z-AODV 路由算法初始化路由发现 c) 强制路由发现： Z-AODV 路由算法初始化路由发现 源源节点通过广播发送节点通过广播发送RREQ分组，具有路由功能的节点收到此分组，具有路由功能的节点收到此 信息后，建立反响路由，并转发信息后，建立反响路由，并转发RREQ分组，并将源节点到此分组，并将源节点到此 节点的路由开销添加到路由搜索表和节点的路由开销添加到路由搜索表和RREQ中中 直到目的直到目的节点收到此节点收到此RREQ，根据，根据路由开销选择路由开销最少路由开销选择路由开销最少 的反向路由，将的反向路由，将RREP发送给源节点，发送给源节点，中间节点收中间

13、节点收到到RREP也要也要 添加此节点到目的节点的路由开销到路由搜索表和添加此节点到目的节点的路由开销到路由搜索表和RREP中，中， 最终到达源节点。路由搜索表清楚，各个节点路由表建立。最终到达源节点。路由搜索表清楚，各个节点路由表建立。 NWK Layer NWK Layer mesh路由流程图 FFD维护三张路由表：维护三张路由表： 1. 路由表路由表：包含此条路由下 一跳节点地址，路由状态， 目的地址。 2. 路由搜索表路由搜索表：在路由表建 立过程中存在。 3. 邻居表邻居表： 保存一张邻居 节点列表，用来存储此节 点传输范围内其它节点的 信息。 节点交互的分组：节点交互的分组： 1. 路由请求分组 2. 路由应答分组 3. 路由出错分组 NWK Layer mesh路由流程图 字节： 2 22110/80/80/1变长变长 帧控 制 目的 地址 源 地 址 广播 半径