ZigBee协议简介

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ZigBee协议简介(一)


今天来讲讲久违的ZigBee

ZigBee的名字源自蜜蜂八字舞，蜜蜂（Bee）依靠嗡嗡（Zip）和同伴传递方位信息，依靠同伴接力形成通信网络。ZigBee的网络层可以说就是通过这个来定义的。

从上图我们可以看见，其实IEEE只确定了ZigBee的物理层和MAC层，就是只定义了物理通信上要用到的通信协议和通信频段。剩下的都是由ZigBee联盟来确定的。我们由下图来详解一下

物理层（PHY）规定了什么

• 频段：868MHz（欧洲），915MHz（美国），2495MHz（Global）使用直接序列扩频（DSSS）
• 信道：27个，分别分为：868MHz（k=0），915MHz（k=1-10），2495MHz（k=11-26）
• 速度：868MHz（20kb），915MHz（40kb），2495MHz（250kb+）
• 物理层协议数据单元（PHY Protocol Data Unit ,PPDU ） 分为同步头，物理帧头和物理帧负载（PSDU）
  

能用来干嘛

• 激活和休眠射频收发器
• 信道能量检测
• 检测接收数据包的链路质量指示（Link Quality Indication ，LQI）
• 空闲信道评估（Clear Channel Assessment ，CCA）
• 收发数据
  

在概念上，物理层的收发数据还包括了数据服务和管理（维护）服务，和MAC层分别的接口叫做物理层数据服务接入点（PHY Data - Service Access Point ， PD-SAP）和物理层管理实体服务接入点（PHY Data - Service Access Point ， PD-SAP）和物理层管理实体服务接入点（Physical Layer Management Entity Service Access Point ， PLME-SAP）

MAC层（媒体接入控制层）规定了什么

• 规定了4种帧结构：信标帧
  
  数据帧
  
  确认帧
  
  和MAC命令帧
  
  

详见[MAC协议层详解]（https://www.cnblogs.com/hzl6255/p/9846764.html）

• 使用CSMA-CA机制访问物理信道
• 如果设备是协调器，需要产生网络信标
• 支持时槽保障（Guaranteed Time Slot ，GTS）机制
  

能用来干嘛

• 协调器产生并发送信标，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步
• 保证信道的通信安全
• 支持PAN（个域网络）的关联和取消关联
  

概念上，MAC层也像物理层一样具有MAC层管理实体（MLME），他和网络层之间的数据交换便是（MLME-SAP），当然在MLME中，交换的是管理MAC层信息。在MAC层还有一个MAC公共部分子层（MCPS）来与网络层进行数据交换（MCPS-SAP）

网络层

网络层负责拓扑结构的建立和维护，命名和绑定服务，从而协同地完成寻址，路由，传送数据以及安全等不可或缺的任务，所以网络层是ZigBee的核心部分。

组网拓扑结构

在ZigBee中有三种角色-协调器，路由器和末端节点，分别对应着蜂群的蜂后，雄峰和工蜂。协调器在MAC层就已经提及过了，用来提供整个网络的同步问题（不进行数据交换，和蜂群一般）。而路由器则负责联系自己周围的末端节点，并协调他们进行通信。

ZigBee中支持星状，树状和网状的拓扑结构，这个可以在硬件中直接设置。
ZigBee网络架构详解

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网络层规范

正如物理层和MAC层，我们可以看到整个ZigBee的协议中在每一层都存在数据实体和管理实体，在网络层也不例外。ZigBee协议的网络层划分为网络层数据实体（Network Layer Data Entity , NLDE）和网络层管理实体（Network Layer Manage Entity ,NLME）都还有相关的数据交换（管理）的SAP服务。

正如其名，他们相关的功能如下：
NLDE：

• 产生网络层协议数据单元（NPDU）
• 提供基于拓扑结构的路由策略
  

NLME：

• 配置新设备
• 建立网络
• 加入和离开网络
• 寻址
• 邻居发现
• 路由发现
• 接受控制
  

对应地，他们也对应着网络层的两种帧结构：数据帧和命令帧。因为这是课堂上做的，找图不太方便，还请大家自己找图了解。

能用来干嘛

• 通过添加不同的协议头能够从应用层生产网络层的PDU，即NPDU
• 确定网络的拓扑结构
• 配置一个新的设备，可以是拓扑结构中的各个角色
• 建立并启动网络
• 加入或离开网络
• ZigBee的协调器和路由器能为加入网络的设备分配空间
• 发现并记录邻居表，路由表
• 信息的接受控制，同步MAC子层或直接接收信息
  

应用层

ZigBee应用层有三个组成部分：应用支持子层（Application Support Sub-Layer,APS）,应用框架（Application Framework ,AF）和ZigBee设备对象（ZigBee Device Object ，ZDO）

应用支持子层APS

跟之前提的一样，APS子层包含，APS数据实体（APSDE）和相应的服务接入点（APSDE-SAP）还有APS管理实体（APSME）和相应的服务接入点（APSME-SAP）。APS主要是用来应用层和网络层的接口用的，APSDE提供在同一网络应用实体之间的数据传输机制，APSME提供多种服务给应用对象。

应用框架AF

在ZigBee应用中，AF提供了两种标准服务类型。一种是键值对（Key Valve Pair ，KVP）和报文（mesage，MSG）。相应地里面还涉及到较多的属性，我们在Z-stack中再继续介绍

ZigBee设备对象ZDO

其实就是高度抽象的网络端点，主要功能集中在网络管理和维护上，里面包含了整个端点，网络的全部信息可供查询。

硬件平台TI-CC2530

• 劳烦自查百度及datasheet，不背书
• 硬件资源可见下图
  

Z-Stack

显然，Z-stack是TI公司开放的ZigBee协议栈，那么现在问题来了，这么好的协议栈，要怎么来使用呢？
这里先放一张好图，详情且听下回分解

总结

写得不是很深入，后面会写代码的时候我们再来，在刀锋上认识ZigBee

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ZigBee发展历程：

序号	时间	标准	特性
1	2003年	ZigBee问世	-
2	2004年	ZigBee 1.0（ZigBee 2004）	只能支持少量节点，星状拓扑，几乎没有什么实际应用
3	2006年	ZigBee 2006	面向住宅环境，支持树状和网状拓扑，可容纳300个以内节点，完全满足住宅自动化的组网需求
4	2007年	ZigBee 2007	面向商业和工业环境，可支持1000个节点，且有更好的安全性
5	2012年	ZigBee 2007	-
6	2015年	Zigbee PRO 2015	-
7	2016年5月	ZigBee 3.0	统一众多应用层协议，解决了不同厂商Zigbee设备之间的互联互通问题

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Mesh网络 拓扑结构
（1）网状拓扑结构，也被称为 点到点，是由互联的路由器和终端设备组成的一个网状结构。每个路由器通常至少通过两个路径来连接，并且可以为它的邻居转发消息。
（2）网状拓扑结构支持 多跳 通信，这些数据通过跳跃从一个设备到另一个设备，使用 最可靠的通信联系 和 最符合成本效益 的路径，直到到达它的目的地。这种多跳能力也帮助提供 容错能力，如果一台设备失败或者经历冲突，该网络可以使用剩下的设备 重新路由 它自己。

优点：

序号        描述
1        Mesh拓扑结构 具有高可靠性和稳定性。
任何独立路由器可能变得不可用，替换路由可以被发现和使用。
2        利用 中间设备 来转发数据，即 网络范围 可以被明显增加，使 Mesh网络 可高度拓展。
3        通过添加更多的路由器到网络中，可以消除弱信号和死区。

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ZigBee 安全
认证中心 决定是否允许或不允许新的设备加入它的网络。
认证中心 可周期性地更新并切换到一个新的 网络密钥。
认证中心 通常是 协调器，负责如下安全：

序号        设备        描述
1        认证管理        验证设备加入网络的请求
2        网络管理        维持并发布网络密钥
3        配置管理        使能设备间端到端的安全

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Zigbee 协议架构

SAP：服务接入点，Service Access Point

具体的分层架构：

• PHY：物理层
• MAC：媒体访问控制层
• NWK：网络层

• API：应用层，有三个组成：

  • APS：应用支持子层, Application Support Sub Layer
  • ZDO：设备对象, Zigbee Device Object
  • AF：应用程序框架，Application Framework