ZigBee结构原理

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 楼主 | 2011-5-29 16:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
物理层的上面是MAC层(Medium Access Layer 中间通道层),它的核心是信道接入技术,包括时分复用GTS技术和随机接入信道技术CSMA/CA。不过ZigBee实际上并没有对时分复用GTS技术进行相关的支持,因此我们可以暂不考虑它,而专注于CSMA/CA。ZigBee/IEEE 802.15.4的网络所有节点都工作在同一个信道上,因此如果邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。为此MAC层采用了CSMA/CA的技术,简单来说,就是节点在发送数据之前先监听信道,如果信道空闲则可以发送数据,否则就要进行随机的退避,即延迟一段随机时间,然后再进行监听,这个退避的时间是指数增长的,但有一个最大值,即如果上一次退避之后再次监听信道忙,则退避时间要增倍,这样做的原因是如果多次监听信道都忙,有可能表明信道上的数据量大,因此让节点等待更多的时间,避免繁忙的监听。通过这种信道接入技术,所有节点竞争共享同一个信道。在MAC层当中还规定了两种信道接入模式,一种是信标(beacon)模式,另一种是非信标模式。信标模式当中规定了一种“超帧”的格式,在超帧的开始发送信标帧,里面含有一些时序以及网络的信息,紧接着是竞争接入时期,在这段时间内各节点以竞争方式接入信道,再后面是非竞争接入时期,节点采用时分复用的方式接入信道,然后是非活跃时期,节点进入休眠状态,等待下一个超帧周期的开始又发送信标帧。而非信标模式则比较灵活,节点均以竞争方式接入信道,不需要周期性的发送信标帧。显然,在信标模式当中由于有了周期性的信标,整个网络的所有节点都能进行同步,但这种同步网络的规模不会很大。实际上,在ZigBee当中用得更多的可能是非信标模式。
MAC层往上就属于ZigBee真正定义的部分了,我们可以参看一下ZigBee的协议栈。底层技术,包括物理层和MAC层由IEEE 802.15.4制定,而高层的网络层、应用支持子层(APS)、应用框架(AF)、ZigBee设备对象(ZDO)和安全组件(SSP),均由ZigBeeAlliance所制定。
   
这些部分当中最下面的是网络层。和其他技术一样,ZigBee网络层的主要功能是路由,路由算法是它的核心。目前ZigBee网络层主要支持两种路由算法—树路由和网状网路由。树路由采用一种特殊的算法,具体可以参考ZigBee的协议栈规范。它把整个网络看作是以协调器为根的一棵树,因为整个网络是由协调器所建立的,而协调器的子节点可以是路由器或者是末端节点,路由器的子节点也可以是路由器或者末端节点,而末端节点没有子节点,相当于树的叶子。这种结构又好像蜂群的结构,协调器相当于蜂后,是唯一的,而路由器相当于雄蜂,数目不多,末端节点则相当于数量最多的工蜂。其实有很多地方仔细一想,就可以发现ZigBee和蜂群的许多暗合之处。树路由利用了一种特殊的地址分配算法,使用四个参数—深度、最大深度、最大子节点数和最大子路由器数来计算新节点的地址,于是寻址的时候根据地址就能计算出路径,而路由只有两个方向—向子节点发送或者向父节点发送。树状路由不需要路由表,节省存储资源,但缺点是很不灵活,浪费了大量的地址空间,并且路由效率低,因此常常作为最后的路由方法,或者干脆不用。ZigBee当中还有一种路由方法是网状网路由,这种方法实际上是AODV路由算法的一个简化版本,非常适合于低成本的无线自组织网络的路由。它可以用于较大规模的网络,需要节点维护一个路由表,耗费一定的存储资源,但往往能达到最优的路由效率,而且使用灵活除了这两种路由方法,ZigBee当中还可以进行邻居表路由,其实邻居表可以看作是特殊的路由表,只不过只需要一跳就可以发送到目的节点。
 楼主 | 2011-5-29 16:56 | 显示全部楼层
网络层的上面是应用层,包括了APS、AF和ZDO几部分,主要规定了一些和应用相关的功能,包括端点(endpoint)的规定,还有绑定(binding)、服务发现和设备发现等等。其中端点是应用对象存在的地方,ZigBee允许多个应用同时位于一个节点上,例如一个节点具有控制灯光的功能,又具有感应温度的功能,又具有收发文本消息的功能,这种设计有利于复杂ZigBee设备的出现。而绑定是用于把两个“互补的”应用联系在一起,如开关应用和灯的应用。更通俗的理解,“绑定”可以说是通信的一方了解另一方的通信信息的方法,比如开关需要控制“灯”,但它一开始并不知道“灯”这个应用所在的设备地址,也不知道其端点号,于是它可以广播一个消息,当“灯”接收到之后给出响应,于是开关就可以记录下“灯”的通信信息,以后就可以根据记录的通信信息去直接发送控制信息了。服务发现和设备发现是应用层需要提供的,ZigBee定义了几种描述符,对设备以及提供的服务可以进行描述,于是可以通过这些描述符来寻找合适的服务或者设备。
ZigBee还提供了安全组件,采用了AES128的算法对网络层和应用层的数据进行加密保护,另外还规定了信任中心(trust center)的角色—全网有一个信任中心,用于管理密钥和管理设备,可以执行设置的安全策略。

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| 2011-6-24 16:50 | 显示全部楼层
:victory:支持!

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| 2011-6-24 21:19 | 显示全部楼层
:victory:顶起来

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| 2011-6-24 21:29 | 显示全部楼层
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| 2011-6-24 21:58 | 显示全部楼层
很不错的文档呀

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| 2011-6-25 16:39 | 显示全部楼层
楼主干嘛部编辑一下呢 看这好累

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| 2011-6-25 16:39 | 显示全部楼层
密密麻麻的一片

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| 2011-6-26 19:28 | 显示全部楼层
很好的资料不错!

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| 2011-7-2 01:39 | 显示全部楼层
不知楼主哪找到的

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| 2011-7-8 14:30 | 显示全部楼层
这个原理 很不错

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| 2011-7-9 15:44 | 显示全部楼层
写的很细

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