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。
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