1 解析 ZigBee 堆栈架构

ZigBee 堆栈是在 IEEE 802.15.4 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 IEEE802.15.4( 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。

1.1ZigBee 堆栈层

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 图 1   zigbe 堆栈框架

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 2 就是设备及其接口的一个例子：

图 2

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 (ZD0) 对网络层参数进行配置和访问。

1.2   802.15.4 MAC 层

IEEE 802.15.4 标准为低速率无线个人域网 (LR-WPAN) 定义了 OSI 模型开始的两层。 PHY 层定义了无线射频应该具备的特征，它支持二种不同的射频信号，分别位于 2450MHz 波段和 868/915MHz 波段。 2450MHz 波段射频可以提供 250kbps 的数据速率和 16 个不同的信道。 868/915MHz 波段中， 868MHz 支持 1 个数据速率为 20kbps 的信道， 915MHz 支持 10 个数据速率为 40kbps 的信道。

MAC 层负责相邻设备间的单跳数据通信。它负责建立与网络的同步，支持关联和去关联以及 MAC 层安全：它能提供二个设备之间的可靠链接。

1.3   关于服务接入点

ZigBee 堆栈的不同层与 802.15.4 MAC 通过服务接入点 (SAP) 进行通信。 SAP 是某一特定层提供的服务与上层之间的接口。

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。

1.4   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 ZD0 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。

1.5   ZigBee 堆栈容量和 ZigBee 设备

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 协议栈体系包含一系列的层元件，其中有 IEEE802.15.4 2003 标准中的 MAC 层和 PHY 层，当然也包括[FS:PAGE] ZigBee 组织设计的 NWK 层。每个层的元件有其特定的服务功能。本说明描述内容涉及 ZigBee 协议栈的各层元件，但侧重于描述最具实际和理论探讨性的 APL 应用层和 NWK 网络层。图 1 为 ZigBee 栈结构框图。