無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課件：ZigBee協(xié)議

ZigBee協(xié)議11.1物理層協(xié)議11.2MAC層協(xié)議11.3網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議11.4路由11.5應(yīng)用層協(xié)議11.6ZigBee協(xié)議安全機(jī)制

11.1物?理?層?協(xié)?議

物理層由射頻收發(fā)器和底層的控制模塊組成，是保障信號(hào)傳輸?shù)墓δ軐?，因此物理層涉及與信號(hào)傳輸有關(guān)的各個(gè)方面，并通過(guò)射頻硬件和軟件在MAC子層和射頻信道之間提供接口。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)物理層采用IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，使用三種通信頻段，每種通信頻段劃分的信道個(gè)數(shù)不同，節(jié)點(diǎn)信號(hào)的傳輸范圍設(shè)定在10～100?m，數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)定在20～250?kb/s。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)物理層提供兩種類型的服務(wù)：數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元PPDU(PHYProtocolDataUnit)的數(shù)據(jù)包由3個(gè)基本部分組成：同步頭、物理層幀頭和物理層有效載荷。同步頭包含前同步碼和幀界定符，作用是幫助接收設(shè)備鎖定在比特流上，并且與該比特流保持同步；物理層幀頭描述幀長(zhǎng)度信息；物理層有效載荷長(zhǎng)度可變，攜帶從MAC層傳來(lái)的信息。

11.2MAC層協(xié)議

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議同物理層一樣，采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的MAC層具有以下幾項(xiàng)功能：(1)采用CSMA/CA機(jī)制實(shí)現(xiàn)信道接入；(2)實(shí)現(xiàn)個(gè)域網(wǎng)(PAN,PersonalAreaNetwork)的建立和維護(hù)；(3)支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)(加入網(wǎng)絡(luò))和解除關(guān)聯(lián)(退出網(wǎng)絡(luò))；(4)具有協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)(匯集節(jié)點(diǎn))產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)信標(biāo)可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的同步、信道分配、鄰居發(fā)現(xiàn)、成簇等；(5)處理和維護(hù)時(shí)隙同步(GTS,GuaranteedTimeSlot)；(6)實(shí)現(xiàn)物理層和網(wǎng)絡(luò)層間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)和管理。11.2.1超幀結(jié)構(gòu)IEEE802.15.4MAC協(xié)議中定義的超幀結(jié)構(gòu)如圖所示，超幀結(jié)構(gòu)把時(shí)隙分為兩部分：活躍期時(shí)隙與非活躍期(又稱為休眠期)時(shí)隙。ZigBee節(jié)點(diǎn)在活躍期接入信道，在休眠期關(guān)閉信道接入，進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。信道接入的活躍期時(shí)隙又由兩部分組成：競(jìng)爭(zhēng)信道接入周期CAP(ContentionAccessPeriod)和信道固定分配周期CFP(ContentionFreePeriod)。在信道競(jìng)爭(zhēng)接入周期中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用基于競(jìng)爭(zhēng)的信道接入方式共享信道，在非競(jìng)爭(zhēng)周期由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器給有特定數(shù)據(jù)發(fā)送需求的節(jié)點(diǎn)分配固定的時(shí)隙。MAC協(xié)議還規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)通過(guò)信標(biāo)來(lái)指定網(wǎng)絡(luò)是否需要同步，如果網(wǎng)絡(luò)需要同步，則在超幀結(jié)構(gòu)的第一個(gè)時(shí)隙發(fā)送用來(lái)同步的信標(biāo)幀；如果不需要同步，則禁止發(fā)送信標(biāo)幀。除此之外，信標(biāo)幀還能夠用來(lái)標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的ID號(hào)。在自組織網(wǎng)絡(luò)中，信標(biāo)還用來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位、鄰居發(fā)現(xiàn)等功能。信道競(jìng)爭(zhēng)周期CAP部分位于超幀0時(shí)隙的信標(biāo)幀之后，各節(jié)點(diǎn)在這一時(shí)期只能通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)的方式接入信道。由于超幀活躍期的長(zhǎng)度是固定的，信道無(wú)競(jìng)爭(zhēng)周期(CFP,ContentionFreePeriod)又是根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送的需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整的，所以CAP的長(zhǎng)度也跟著CFP的長(zhǎng)度而動(dòng)態(tài)變化，CAP和CFP的關(guān)系是此消彼長(zhǎng)。在信道競(jìng)爭(zhēng)周期中，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)CSMA/CA機(jī)制接入信道，除了應(yīng)答幀及任何位于數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令應(yīng)答之后的數(shù)據(jù)幀，其他所有在CAP中傳送的幀都應(yīng)當(dāng)使用分時(shí)槽的CSMA/CA機(jī)制接入信道。處于信道競(jìng)爭(zhēng)周期中的所有數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，包括數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求、信道空閑反饋、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)接收完畢應(yīng)答等，都必須在CAP結(jié)束之前的一個(gè)完整幀間間隔內(nèi)完成。信道無(wú)競(jìng)爭(zhēng)周期CFP緊接著CAP之后，在下一個(gè)信標(biāo)開(kāi)始之前結(jié)束。如果存在被網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器分配的有保證時(shí)隙(GTS,GuaranteedTimeSlot)，它們將被分配在CFP之內(nèi)并占用連續(xù)的時(shí)隙。因此，CFP根據(jù)所有GTS的總長(zhǎng)度進(jìn)行相應(yīng)的變化。在信標(biāo)禁止的情況下，超幀結(jié)構(gòu)中不含有CFP，此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)可以看成是普通的ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，即采用CSMA/CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)信道。在CFP中發(fā)送幀的設(shè)備應(yīng)保證所有的傳輸在GTS結(jié)束之前的一個(gè)幀間間隔IFS周期之內(nèi)完成。11.2.2MAC層幀結(jié)構(gòu)MAC幀，即MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)，是由一系列字段按照特定的順序排列而成的，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是在噪聲信道上實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸。MAC層的幀結(jié)構(gòu)包括通用幀結(jié)構(gòu)和特定幀結(jié)構(gòu)，特定幀結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)幀、信標(biāo)幀、確認(rèn)幀和命令幀結(jié)構(gòu)。1．通用幀結(jié)構(gòu)通用幀結(jié)構(gòu)由三個(gè)部分組成：MAC幀頭、可變長(zhǎng)度的MAC載荷和MAC幀尾。MAC幀頭的字段是固定的，此外，在所有幀中可以不包含地址字段。(1)幀控制字段。幀控制字段長(zhǎng)度為2個(gè)字節(jié)，包括幀類型的定義、地址字段和其他控制標(biāo)識(shí)。幀類型字段：長(zhǎng)度為3個(gè)比特位，其值與所表示的幀的類型如表所示。安全位字段：長(zhǎng)度為1個(gè)比特位，若MAC層沒(méi)有對(duì)該幀加密，則安全位置0；如果做了加密，則安全位置1。幀未處理字段：長(zhǎng)度為1個(gè)比特位。若該位置1，則表示發(fā)送方在當(dāng)前幀傳輸后，還有數(shù)據(jù)要發(fā)往接收方。若為0，則表示發(fā)送方?jīng)]有后續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送給接收方。請(qǐng)求確認(rèn)標(biāo)志字段：長(zhǎng)度為1個(gè)比特位，表示接收到數(shù)據(jù)幀或MAC命令幀時(shí)，接收方是否需要返回確認(rèn)信息。如果該位為1，則接收方接收到有效幀(或者完全接收到該幀內(nèi)容)后，將發(fā)送確認(rèn)幀。如果該位為0，則不需要返回確認(rèn)幀。PANID字段：長(zhǎng)度為1個(gè)比特位，表示將該MAC幀在個(gè)域網(wǎng)內(nèi)部傳輸，還是傳輸?shù)絺€(gè)域網(wǎng)外。預(yù)留位字段：長(zhǎng)度為3個(gè)比特位，為擴(kuò)展后續(xù)功能保留。目的地址模式和源地址模式字段：長(zhǎng)度均為2個(gè)比特位，其值和描述如表所示。(2)序列號(hào)字段。MAC層幀的序列號(hào)字段為8個(gè)比特位，是該層幀的唯一序列標(biāo)識(shí)符。(3)目的PAN標(biāo)識(shí)符字段。目的PAN標(biāo)識(shí)符字段為16個(gè)比特位，描述了接收該幀的唯一PAN標(biāo)識(shí)符。PAN標(biāo)識(shí)符為0xFFFF表示以廣播方式傳輸，對(duì)當(dāng)前偵聽(tīng)該信道的所有PAN設(shè)備都有效。(4)目的地址字段。目的地址字段為16或64個(gè)比特位，長(zhǎng)度由幀控制字段中的目的地址模式值限定，該地址為接收設(shè)備的地址。(5)源PAN標(biāo)識(shí)符字段。源PAN標(biāo)識(shí)符字段為16個(gè)比特位，代表幀發(fā)送方的PAN標(biāo)識(shí)符。(6)源地址字段。源地址字段為16或64個(gè)比特位，長(zhǎng)度由幀控制字段中的目的地址模式值限定，代表幀發(fā)送方的設(shè)備地址。(7)幀載荷字段。幀載荷字段的長(zhǎng)度是可變的，不同類型的幀包含的信息不同，若幀的安全字段值為1，則幀載荷將采用相應(yīng)的安全加密方案對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。(8)幀校驗(yàn)序列字段。幀校驗(yàn)序列字段為16個(gè)比特位，包含16位ITU規(guī)定的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC。幀校驗(yàn)序列字段的值由MAC幀頭和載荷部分計(jì)算得到。2．信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)如圖所示。3．?dāng)?shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如圖所示，其中該幀的有效載荷字段來(lái)自網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)。4．確認(rèn)幀結(jié)構(gòu)確認(rèn)幀的結(jié)構(gòu)如圖所示，其中序列號(hào)是接收到的有確認(rèn)要求的幀的序列號(hào)。5．命令幀結(jié)構(gòu)命令幀的結(jié)構(gòu)如圖所示。

11.3網(wǎng)?絡(luò)?層?協(xié)?議

網(wǎng)絡(luò)層是為MAC層和應(yīng)用層之間提供服務(wù)接口的，網(wǎng)絡(luò)層的參考模型如圖所示。11.3.1網(wǎng)絡(luò)層功能ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的主要功能包括：(1)提供設(shè)備連接和斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)時(shí)采用的機(jī)制；(2)規(guī)定安全機(jī)制，為數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程提供保障；(3)實(shí)現(xiàn)設(shè)備(或者稱為節(jié)點(diǎn))之間的路由發(fā)現(xiàn)、維護(hù)；(4)完成對(duì)一跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)節(jié)點(diǎn)信息的存儲(chǔ)；(5)協(xié)調(diào)器建立新的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，為新加入的節(jié)點(diǎn)分配地址；(6)限制數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳播范圍等。11.3.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層支持星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀型三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器來(lái)控制，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)起和維持網(wǎng)絡(luò)正常工作，保持同網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)(又稱為終端設(shè)備)通信。在網(wǎng)狀型和樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以及選擇關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，同時(shí)，也用于擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，路由器采用分級(jí)路由策略傳送數(shù)據(jù)和控制信息，采用基于信標(biāo)的方式進(jìn)行通信。在網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)(又稱為mesh網(wǎng)絡(luò)，對(duì)等網(wǎng)絡(luò))，節(jié)點(diǎn)之間使用完全對(duì)等的通信方式。11.3.3數(shù)據(jù)傳播ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有四種數(shù)據(jù)傳播方式：廣播、多播、單播和多對(duì)一通信，這四種方式分別如圖所示。1．廣播廣播是網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中其他所有節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的方式。只要處于廣播節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)信道，就能夠接收到該廣播數(shù)據(jù)，并且與節(jié)點(diǎn)的地址和PAN的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符無(wú)關(guān)。節(jié)點(diǎn)每次收到數(shù)據(jù)分組時(shí)，都要檢查數(shù)據(jù)分組中的目的地址是否與自己的地址相匹配，以便丟棄或接收該數(shù)據(jù)分組。廣播數(shù)據(jù)分組中，目的地址位采用短地址模式，被設(shè)置為0xFFF。該地址表明網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都是接收者，它同時(shí)作為PAN的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符，又被稱為PAN的廣播標(biāo)識(shí)符。2．多播多播，又稱為組播，即節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)發(fā)送給同一網(wǎng)絡(luò)中的一組節(jié)點(diǎn)。發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)可以在該組內(nèi)，也可以不在該組內(nèi)，因此多播又可分為兩種操作模式：組成員模式和非組成員模式。在組成員模式中，多播的發(fā)起者是組內(nèi)的成員，該成員向多播組內(nèi)的成員發(fā)送數(shù)據(jù)。在非組成員模式中，多播的發(fā)起者是多播組外的節(jié)點(diǎn)，接收多播數(shù)據(jù)分組的對(duì)象是多播組內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)。當(dāng)多播組內(nèi)的節(jié)點(diǎn)是全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，該多播傳輸方式即等同于廣播。在ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中，多播僅僅用于傳輸數(shù)據(jù)幀，所有命令幀都不用多播方式傳輸。3．單播單播用于一個(gè)節(jié)點(diǎn)試圖向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。單播數(shù)據(jù)分組中包含目的節(jié)點(diǎn)的唯一地址碼。除非特別指明，一般情況下單播處于棄用(default)模式。4．多對(duì)一通信匯聚節(jié)點(diǎn)S接收到來(lái)自多個(gè)成員節(jié)點(diǎn)M的數(shù)據(jù)，稱為多對(duì)一通信。

11.4路由

路由是建立從數(shù)據(jù)源到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)路徑的過(guò)程，在網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器和路由器是負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)的設(shè)備，路由發(fā)現(xiàn)獲得路徑的長(zhǎng)度是由該路徑經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目定義的。11.4.1路由代價(jià)ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，鏈路質(zhì)量、跳數(shù)和節(jié)點(diǎn)能量剩余量是確定該路徑是否最優(yōu)的重要參數(shù)。為了簡(jiǎn)化最優(yōu)路徑的計(jì)算，每條鏈路可單獨(dú)計(jì)算其連接代價(jià)，其中，連接代價(jià)由該連接上成功傳遞數(shù)據(jù)分組的概率決定。數(shù)據(jù)分組傳遞成功率越低，則連接代價(jià)越大。11.4.2路由表協(xié)調(diào)器或路由器可以建立和維護(hù)路由表，路由表中存儲(chǔ)路由節(jié)點(diǎn)信息，該信息為ZigBee網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議中定義的路由表入口項(xiàng)?！澳康牡刂贰睘?6位網(wǎng)絡(luò)地址，“狀態(tài)”是指路由狀態(tài)，“下一跳地址”是指到達(dá)目的地址的路由中下一跳的16位網(wǎng)絡(luò)地址。11.4.3路由發(fā)現(xiàn)應(yīng)用層向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送路由請(qǐng)求分組，請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)層為單播、多播、多對(duì)一通信方式尋找路由(路由發(fā)現(xiàn))。如果請(qǐng)求分組中包含節(jié)點(diǎn)的唯一地址，則網(wǎng)絡(luò)層提供單播路由；如果請(qǐng)求分組中包含的是16位組播地址，則網(wǎng)絡(luò)層提供多播路由；如果應(yīng)用層沒(méi)有提供任何目的地址，網(wǎng)絡(luò)層則認(rèn)為應(yīng)用層需要一個(gè)多對(duì)一的路由，并且認(rèn)為多對(duì)一路徑的指向設(shè)備為匯聚節(jié)點(diǎn)。多播路由發(fā)現(xiàn)類似單播路由發(fā)現(xiàn)，源節(jié)點(diǎn)向多播組成員廣播路由請(qǐng)求命令。如果接收到命令的節(jié)點(diǎn)不是多播組中的成員，則把這次多播路由發(fā)現(xiàn)看做單播路由發(fā)現(xiàn)繼續(xù)廣播，不同的地方只是把目的地址設(shè)置為多播組的ID。如果節(jié)點(diǎn)是多播組的成員，其將為該新的路由請(qǐng)求建立或者更新路由表。如果該節(jié)點(diǎn)中已保存有源節(jié)點(diǎn)的地址和路由請(qǐng)求識(shí)別碼，則保留路徑代價(jià)最小路由，并向源節(jié)點(diǎn)返回路由應(yīng)答。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)層也常用到源路由協(xié)議。源路由協(xié)議的機(jī)制是，發(fā)送幀的節(jié)點(diǎn)在幀中順序設(shè)置了路由經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)地址，當(dāng)其中的節(jié)點(diǎn)接收到該幀后，不去查詢本地路由表，而是直接根據(jù)幀中的節(jié)點(diǎn)信息選擇下一跳中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)傳輸該幀。11.4.4路由維護(hù)和修復(fù)路由建立之后，路由中斷仍可能導(dǎo)致無(wú)法把信息傳輸?shù)侥康牡?。?dǎo)致路由中斷的原因有很多，如節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、節(jié)點(diǎn)故障等造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓??？紤]到重新建立路由和修復(fù)的代價(jià)、時(shí)延等影響，在連入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)管理中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)層為每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)信息啟動(dòng)一個(gè)失效計(jì)數(shù)器，如果計(jì)數(shù)器的值超過(guò)了網(wǎng)絡(luò)修復(fù)門限值(nwkcRepaitThreshold)，則節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)路由修復(fù)功能。路由維護(hù)即選擇簡(jiǎn)單的失效計(jì)數(shù)方案來(lái)生成失效計(jì)數(shù)器的值(即調(diào)整計(jì)數(shù)門限值)，或者使用一個(gè)更加準(zhǔn)確的時(shí)間窗口方案來(lái)實(shí)現(xiàn)路由維護(hù)。11.4.5網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)網(wǎng)絡(luò)層同物理層和MAC層一樣提供兩類服務(wù)：數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體NLDE負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)NLDE的服務(wù)接入點(diǎn)SAP實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體NLME負(fù)責(zé)管理任務(wù)。11.4.6網(wǎng)絡(luò)層分組結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層分組結(jié)構(gòu)通常由網(wǎng)絡(luò)層首部和網(wǎng)絡(luò)層有效載荷組成。盡管不是所有的分組都包含地址和序列號(hào)，但網(wǎng)絡(luò)層分組首部還是按照固定順序出現(xiàn)。下面首先介紹網(wǎng)絡(luò)層通用分組結(jié)構(gòu)，然后介紹數(shù)據(jù)分組結(jié)構(gòu)和命令分組結(jié)構(gòu)。1．通用分組結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層通用分組結(jié)構(gòu)和通用分組中控制字段的結(jié)構(gòu)如圖，各字段簡(jiǎn)單介紹如下：(1)幀控制字段為16位，包含所定義的分組類型及其他控制標(biāo)識(shí)位。(2)目的地址字段為16位，表示接收分組節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，無(wú)論是何種數(shù)據(jù)傳播格式，在網(wǎng)絡(luò)層分組中必須存在目的地址字段。(3)源地址字段為16位，表示源節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址。(4)廣播半徑域字段，只有分組的目的地址為廣播地址(0xFFFF)時(shí)，才需要廣播半徑域字段。其長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)，并且限定了廣播傳輸?shù)姆秶?5)廣播序列號(hào)字段，同廣播半徑域字段一樣，只有分組的目的地址為廣播地址時(shí)，才需要廣播序列號(hào)字段，其長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)，該字段規(guī)定了廣播分組的序列號(hào)。(6)分組有效載荷字段，該字段長(zhǎng)度可變，包含了各種分組類型的具體信息。2．?dāng)?shù)據(jù)分組結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分組幀頭由幀控制字段和根據(jù)需要組合起來(lái)的路由域字段組成。數(shù)據(jù)分組有效數(shù)據(jù)載荷字段為網(wǎng)絡(luò)層上層要求網(wǎng)絡(luò)層傳送的數(shù)據(jù)。3．命令分組結(jié)構(gòu)命令分組幀頭部分由幀控制字段和路由域字段組成。幀控制字段的值表示網(wǎng)絡(luò)層的不同命令，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層命令幀的用途對(duì)該字段進(jìn)行設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)命令標(biāo)識(shí)符字段表明所使用的網(wǎng)絡(luò)層命令。網(wǎng)絡(luò)層命令分組的有效載荷字段是網(wǎng)絡(luò)層命令本身。

11.5應(yīng)?用?層?協(xié)?議

11.5.1應(yīng)用層架構(gòu)應(yīng)用層是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的最高協(xié)議層，其包括三部分：應(yīng)用支持層APS、ZigBee設(shè)備主體ZDO和應(yīng)用架構(gòu)。應(yīng)用支持層為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間提供了接口，該層同其他層一樣提供兩種服務(wù)：數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)由APS數(shù)據(jù)實(shí)體APSDE提供，通過(guò)APSDE服務(wù)接入點(diǎn)SAP接入到應(yīng)用架構(gòu)。管理能力通過(guò)APS管理實(shí)體APSME提供，并通過(guò)APSME-SAP接入。APS信息庫(kù)IB中存有APS的屬性。ZigBee節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用架構(gòu)提供了一個(gè)控制和管理應(yīng)用對(duì)象的環(huán)境。應(yīng)用對(duì)象是由人工設(shè)置和定制的，一個(gè)節(jié)點(diǎn)中最多可以定義240個(gè)相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用對(duì)象。ZDO為APS子層和應(yīng)用架構(gòu)之間提供一個(gè)接口，其中含有對(duì)協(xié)議棧的所有功能操作。ZDO通過(guò)APSME-SAP接入APSME，并通過(guò)ZDO的公共接口與應(yīng)用構(gòu)架之間交互。11.5.2應(yīng)用層幀結(jié)構(gòu)1．應(yīng)用層的通用分組結(jié)構(gòu)在ZigBee的升級(jí)版(ZigBeePro)中，通用分組中在APS計(jì)數(shù)位后有一個(gè)可選域，稱為擴(kuò)展頭。分組類型字段定義了分組的類型。傳輸模式字段標(biāo)明了傳輸選擇哪種方式。如果傳輸模式是直接尋址，則該字段在分組中被省略。如果該字段被設(shè)置為1，則該節(jié)點(diǎn)將作為協(xié)調(diào)器，并且分組中的目的Endpoint字段被省略。如果被設(shè)置為0，表明該分組是從協(xié)調(diào)器發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)的分組，并且源Endpoint被省略。安全字段由安全服務(wù)提供者設(shè)置。在ACK請(qǐng)求字段中，如果其值設(shè)置為1，表明接收節(jié)點(diǎn)必須返回一個(gè)應(yīng)答。如果分組中組地址存在，表明信息將被傳播到組中所有的Endpoint。其中，目的Endpoint字段和組地址不能共存在同一個(gè)分組中。簇ID字段僅出現(xiàn)在約束操作過(guò)程。APS計(jì)數(shù)位是一個(gè)8位的計(jì)數(shù)器，每成功傳輸一個(gè)新的分組，該計(jì)數(shù)位加1。該計(jì)數(shù)位幫助識(shí)別接收到的分組，忽略重復(fù)的分組。ZigBee的APS分組分為三種：數(shù)據(jù)分組、命令分組和應(yīng)答分組。2．ZDP分組結(jié)構(gòu)ZDP命令通過(guò)APS數(shù)據(jù)服務(wù)產(chǎn)生，其幀結(jié)構(gòu)如圖所示，第一部分是一個(gè)8位的業(yè)務(wù)序列號(hào)。任何應(yīng)用對(duì)象都維護(hù)一個(gè)計(jì)數(shù)器，每次成功傳輸一個(gè)新業(yè)務(wù)后就增加1，并把該計(jì)數(shù)值放到ZDP命令的業(yè)務(wù)序列號(hào)字段中。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)部分包含業(yè)務(wù)本身和命令分配給的其他數(shù)據(jù)。

11.6ZigBee協(xié)議安全機(jī)制

11.6.1加密加密是對(duì)信息進(jìn)行置換和重組。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)支持高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AES。在最基本的加密過(guò)程中，發(fā)射機(jī)端在發(fā)出信息前用一種算法對(duì)信息進(jìn)行加密，該加密算法只有收發(fā)雙方知道，接收端用對(duì)應(yīng)的解密算法來(lái)還原出原始信息。未加密的信息稱為明文，加密信息稱為密文。如果加密是對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)塊操作的，則加密算法稱為分組密碼。ZigBee中用的是128bit的分組密碼。在AES中，每個(gè)加密算法都配有密鑰，算法本身是公開(kāi)的，并且是公用的，只是每次傳輸過(guò)程中使用的密鑰是保密的。密鑰是一個(gè)二進(jìn)