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Zigbee协议栈中文说明

2019-07-20 17:02发布

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1.概述

1.1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。
1.1.1ZigBee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1-1 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1-1-2就是设备及其接口的一个例子：

图1-1-2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。
1.1.2  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。
1.1.3  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。
1.1.4  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。
1.1.5  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1-1为ZigBee栈结构框图。



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19条回答
说书先生
2019-07-22 05:31

3.3 网络层服务协议

图3.1给出了网络层各组成部分和接口。

网络层通过两种服务接入点提供响应的两种服务。它们分别是网络层数据服务和网络层管理服务。网络层数据服务通过网络层数据实体服务接入点接入，网络层管理服务通过网络层管理实体服务接入点接入。这两种服务通过MCPS-SAP和MLME-SPA接口为MAC层提供接口。除此之外，在NLME和NLDE间还有一个接口使得NLME可以使用网络层数据服务。


3.3.1网络层数据服务

网络层数据实体服务接入点支持对等应用实体之间的应用协议数据单元的传输。表3.2列出了网络层数据实体服务接入点支持的原语，下面小节就是对这些原语的讨论。


3.3.1.1 NLDE-DATA.request 原语

该原语请求从本地应用支持层实体到单个或者多个对等的应用支持层实体的协议数据单元传输。

3.3.1.1.1 服务原语的语法

该服务原语的语法如下所示：


表3.3描述了NLDE-DATA.request函数原语的参数



3.3.1.1.2 产生

当一个NSDU要传送到一个对等的应用支持层实体时，本地应用支持层实体就会生成该原语。

3.3.1.1.3 接收

当一个不与网络连接的设备接收到该原语时，该设备网络层将发出一个状态参数为INVALID-REQUEST的NLDE-DATA.confirm原语。

网络层数据实体在接受到该原语时，为传送NSDU包，需要构造一个NPDU包。在处理过程中，如果网络层数据实体在发送NSDU包之前，先发送了NLDE-DATA.cindirm原语，则将发起所有的后续处理。在构造新的NPDU过程中，网络层头的目的地址域设置为参数DstAddr所提供的值，源地址域设置为MAC PIB中属性macShortAddress的值。网络层帧头帧控制域中的路由发现域设置为DiscoverRoute参数的值。如果提供的Radius参数不为0，那么它将设置在网络层帧头的radius域，如果值为0，那么网络层帧头中的radius域设置NWK IB中nwkMaxDepth属性值的二倍。网络层将会生成一个如3.7.2.1小节所描述的系列号。这个序列号可以插入到网络层帧头的sequence number域。帧头的多点发送标志位将根据DstAddrMode的值设置。如果DstAddrMode的参数值为0x01，网络层帧头将包含multicast control域，该域的设置如下：                                                                                                                                                                                                                  

（1）   如果该节点是DstAddr参数所包含的节点，那么multicast mode域置为0x01

（2）   否则，multicast mode域设为0x00

（3）   non-member radius和max non-member radius域按照NonmemberRadius的值设置

一旦构造好NSDU包，如果是单播，将按照3.7.3.3小节所描述的过程为NSDU包确定传输路由；如果是广播，则参见3.7.4小节；如果是多点通信，则参见3.7.5.2小节。当确定了NSDU包传输路由后，通过MCPS-DATA.request原语来发送NSDU包，在该原语中参数SrcAddrMode 和 DstAddrMode都设置为0x02，表明适应16位的网络地址。参数SrcPANId 和 DstPANId应设置为MAC PIB中的macPANId值。SrcAddr参数值设置为MAC PIB中的macShortAddr值。DstAddr参数值为由路由程序所决定的下一跳地址。当TxOptions与0x01相与时，该参数值应为非零值，表示发送需要确认。在接收到MCPS-DATA.confirm原语时，网络层数据试题发送NLDE-DATA.confirm原语，该原语中的参数状态为MAC层所接收到的状态。

如果在网络层信息数据库（NIB）中所确定的网络安全级别标准为一个非零值，并且SecurityEnable值为TRUE，则在帧发送之前，按照4.4小节所描述对帧进行安全处理。否则，网络层不对该帧进行安全处理。如果安全处理已经进行了，但是由于某些原因而失败了，那么，将丢弃该帧，并且网络层数据实体将发送NLDE-DATA.confirm原语，该原语的状态参数为安全方案所返回的值。

3.3.1.2 NLDE-DATA.confirm 原语

该原语提供了从本地应用支持层实体到一个对等应用支持成实体传送NSDU包请求原语的结果。

3.3.1.2.1 服务原语的语法

该原语的语法如下所示：


表3.4详细描述了NLDE-DATA.confirm原语的参数。


3.3.1.2.2 产生

该原语为本地网络层数据实体对接收到NLDE-DATA.request原语而产生的响应。

Status域将反映相应的请求结果，详见3.3.1.2.3小节。

3.3.1.2.3 接收

接收到该原语，开始设备的APS子层将被通知传输请求的结果。如果传输成功了，那么status参数为SUCCESS。否则，status参数表明传输的错误。

3.3.1.3 NLDE-DATA.indication原语

该原语表示一个NSDU包从网络层到本地应用支持层实体的传送。

3.3.1.3.1 服务原语的语法

该原语的语法如下：


表3.5描述了NLDE-DATA.request原语的参数。



3.3.1.3.2 产生

当本地MAC层实体接收到一个适当地址的数据帧时，就生成该原语，并发送给应用支持层。

3.3.1.3.3 接收

当应用支持层接收到该原语时，则被通知一个数据帧到达设备，就可得到设备所接收的数据。

3.3.1.3.4 网络管理服务

网络层管理实体服务接入点为其上层和网络层管理实体之间传送管理命令提供接口。表3.6列出了NLME所支持的NLME-SPA原语，下面的小节详细介绍了这些原语。


3.3.2网络发现

网络层管理实体服务接入点支持运行网络的发现。采用NLME-NETWORK-DISCOVERY原语来发现网络。

3.3.2.1 NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原语

该原语支持网络层上层应用该原语来发现在POS范围内正在运行的网络。

3.3.2.1.1 服务原语的语法

该原语的语法如下：


表3.7详细描述了NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原语的参数。


3.3.2.1.2 产生

该原语由ZigBee设备网络层上层产生，发送给它的网络层管理实体，请求网络层发现当前在POS正在运行的网络。

3.3.2.1.3 接收

网络层在接收到该原语后，将通过检查ScanChannels参数确定的信道以及ScanDuration参数所确定的扫描时间，发现在POS中正在运行的网络。通过MLME-SCAN.request原语进行扫描。

在接收到MLME-SCAN.confirm原语后，网络层管理实体发送NLMENETWORK-

DISCOVERY.confirm原语，其原语参数为发现网络信息以及随MLME-SCAN.confirm原语返回的状态参数值。

3.3.2.2 NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm 原语

该原语返回网络发现操作的结果。

3.3.2.2.1 服务原语的语法

该原语的语法如下：


表3.8详细描述了NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm原语的参数。


表3.9给出了NetworkDescriptor参数中网络描述符所包含的具体内容。



3.3.2.2.2 产生

当NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原语执行完成后，网络层管理实体生成该原语，并发送给网络上层。

3.3.2.2.3 接收

其上层接收到该原语后，就可得到网络的搜索结果。

3.3.3网络的形成

本小节原语定义了一个设备的应用层如何初始化，使其自身成为一个新的ZigBee网络协调器。

3.3.3.1 NLME-NETWORK-FORMATION.request 原语

该原语允许高层使用该原语请求设备发起一个新的ZigBee网络。并将其自身作为ZigBee协调器。

3.3.3.1.1 服务原语的语法

该原语的语法如下：


表3.10详细描述了NLME-NETWORK-FORMATION.request原语的参数。


3.3.3.1.2 产生

该原语由具有ZigBee协调器能力设备的应用层生成，发送给它的网络层管理实体，请求初始化设备，使之成为一个新网络的协调器。

3.3.3.1.3 接收

在网络中，当一个没有ZigBee协调器能力的设备接收到该原语时，网络层管理实体就会返回状态参数为INVALID-REQUEST的NLME-NETWORK-FORMATION.confirm原语。

如果设备被初始化为ZigBee协调器，网络层管理实体请求MAC层首先执行一个能量检测扫描，然后在所指定的信道上执行主动扫描。为了执行扫描任务，网络层管理实体将向MAC发送ScanType参数设置为能量检测扫描的MLME-SCAN.request原语；然后，再发送ScanType为主动扫描的MLME-SCAN.request原语。在主动扫描完成以后，网络层管理实体从MAC层接收到MLME-SCAN.confirm原语，并且选择一个合适的信道。网络层将选择一个个域网标识符，并且确保其不会与所选择信道的现有网络个域网标识符参数产生冲突。一旦合适的信道和个域网标识符PANId确定后，网络层管理实体将选择0x0000作为16位的短MAC地址，并且告知MAC层。为了实现该目的，网络层管理实体将向MAC层大宋MLME-SET.request原语来设置MAC PIB中的macShortAddress属性。如果NIB中的属性nwkExtendedPANId值为0x0000000000000000，那么该属性将被设置为MAC层的aExtendedAddress值。如果不能找到合适的信道和个域网标识符PANId，网络层管理实体将会发出状态参数为START_FAILURE的NLME-NETWORK-FORMATION.confirm原语。

如果在上层的请求中只提供了一个信道，那么网络层管理实体在开始形成网络前不需要进行能量检测扫描。主动扫描仍需要进行，确保所选择的个域网标识符不与现有网络中的标识符发生冲突。

开始一个新的网络，网络层管理实体向MAC层发送MLME-START.request原语。MLME-START.request原语的PANCoordinator参数设置为TRUE。MLME-START.request原语中的BeaconOrder和SuperframeOrder参数都设置为15，表明没有超帧信标。MLME-START.request中的参数CoordRealignment设置为False。在接收到相应的MLME-START.confirm原语时，网络层管路实体将会向其上层发送NLME-NETWORK-FORMATION.confirm原语，其中的状态参数为MLME-START.confirm原语所返回的状态参数值。

3.3.3.2 NLME-NETWORK-FORMATION.confirm 原语

该原语返回在网络中初始化一个ZigBee协调器请求的执行结果。

3.3.3.2.1 服务原语的语法

该原语的语法如下：


表3.11详细描述了NLME-NETWORK-FORMATION.confirm原语的参数。


3.3.3.2.2 产生

该原语由网络层管理实体生成，作为对NLME-NETWORK-FORMATION.request原语的响应，发送给其上层。该原语返回的状态为INVALID_REQUEST、STARTUP_FAILURE或者MLME-START.confirm原语所返回的状态。3.3.3.1.3描述了在那些条件下返回这些值。

3.3.3.2.3 接收

接收到该原语，上层就可得知初始化一个ZigBee协调器的执行结果。如果成功执行了请求原语，则状态参数设置为SUCCESS。否则，状态参数为错误状态。


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