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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 07:23

3.3.4允许设备连接

该原语定义了ZigBee协调器或路由器的上层如何设置其设备允许其他设备同其网络连接。

3.3.4.1 NLME-PERMIT-JOINING.request 原语

该原语允许ZigBee协调其或路由器上层设定其MAC层连接许可标志，在一定期间内，允许其他设备同网络连接。

3.3.4.1.1 服务原语的语法

该原语的语法如下：


表3.12详细描述了NLME-PERMIT-JOINING.request原语的参数。


3.3.4.1.3 产生

当ZigBee协调器或路由器上层希望其他设备加入或阻止加入其网络时，将生成该原语，并传送给网络层管理实体。

3.3.4.1.3 接收

仅允许ZigBee协调器或路由器的上层发送该原语。如果ZigBee终端设备的网络层管理实体收到该原语，则将返回状态为INVALID_REQUEST的NLME-PERMIT-JOINING.confirm原语。

一旦网络层管理实体接收到参数PermitDuration的值为0x00的原语，则通过向MAC层发送MLME-SET.request原语将MAC层的PIB的macAssociationPermit属性设置为FALSE。一旦收到MLME-SET.confirm原语，则网络层管理实体发送NLME-PERMITJOINING.

Confirm原语，将其状态值设置为从MAC层所收到的状态。

一旦网络层管理实体接收到参数PermitDuration的值为0xff的原语，则通过向MAC层发送MLME-SET.request原语将MAC层的PIB的macAssociationPermit属性设置为TRUE。一旦收到MLME-SET.confirm原语，则网络层管理实体发送NLME-PERMITJOINING.

Confirm原语，将其状态值设置为从MAC层所收到的状态。

如果收到参数PermitDuration的值为除0x00或0xFF外的值，则网络层管理实体MAC层的PIB的macAssociationPermit属性设置为TRUE。当网络层管理实体收到MLME-SET.confirm原语后，将会启动一个计时器，在PermitDuration秒后，停止计时。一旦计时器启动，网络层管理实体将发送NLME-PERMIT-JOINING.confirm原语，其状态值设置为从MAC层所得到的状态值。如果计时器超时，网络层管理实体将发送参数macAssociationPermit为FALSE的MLME-SET.request原语。

任何一个由上层发出的NLME-PERMIT-JOINING.request原语，可以取代所有一切的请求。

3.3.4.2 NLME-PERMIT-JOINING.confirm原语

该原语向ZigBee协调器或路由器的上层返回允许设备连接网络请求原语的执行结果。

3.3.4.2.1 服务原语的语法

该原语的语法如下：


表3.13详细描述了NLME-PERMIT-JOINING.confirm原语的参数。


3.3.4.2.2 产生

该原语由ZigBee协调器或路由器初始化的网络管理实体生成，并且向上层发送作为对NLME-PERMIT-JOINING.request原语的确认。其状态参数既可以为MAC层所收到的状态，也可以INVALID-REQUEST的出错代码。这些状态值的原因详见3.3.4.1小节。

3.3.4.2.3 接收

当接收到该原语后，所初始化的设备上层即可得知允许其他设备连接网络请求原语的执行结果。

3.3.5路由器初始化

该原语允许一个新加入网络的ZigBee路由器开始参加ZigBee路由器的活动，包括数据帧的路由、路由发现、接收其他设备加入网络的请求。

3.3.5.1 NLME-START-ROUTER.request原语

该原语允许一个ZigBee路由器的上层发起路由。

3.3.5.1.1 服务原语的语法

该原语的语法如下：


3.3.5.1.2 产生

该原语由新设备的网络层管理实体上层生成，并发出给网络管理实体要求将设备初始化为ZigBee路由器。

3.3.5.1.3 接收

如果不是作为网络ZigBee路由器的设备接收到该原语后，网络层管理实体将返回状态参数为INVALID_REQUEST的NLME-START-ROUTER.confirm原语。

为初始化一个路由，网络层管理实体向MAC层发送MLME-START.request原语，MLME-START.request原语中的BeaconOrder 和 SuperframeOrder参数值设置为15，表明beaconless操作。MLME-START.request原语的CoordRealignment参数设置为FALSE。

当网络层管理实体收到相应的MLME-START.confirm原语，将向上层发送NLME-START-ROUTER.confirm原语，其中其状态值与MLME-START.confirm原语中的状态值一样。只有当MLME-START.confirm原语返回的状态值为SUCCESS时，设备开始作为ZigBee路由器开始工作，包括数据帧的路由、路由发现、接收设备加入网络的请求。否则，设备不允许做这些工作。

3.3.5.2 NLME-START-ROUTER.confirm原语

该原语返回执行ZigBee；路由器配置初始化的结果。

3.3.5.2.1 服务原语的语法

该原语的语法如下：


表3.14描述了NLME-START-ROUTER.confirm原语的参数。


3.3.5.2.2 产生

该原语由网络层管理实体生成，在接收到NLME-START-ROUTER.request原语时，向上层发送该原语作为响应。该原语返回的参数值为INVALID_REQUEST或者为MLME-START.confirm所返回的任何状态值。3.3.5.1.3小节描述了在哪些条件下返回这些值。

3.3.5.2.3 接收

接收到该原语，上层就得到ZigBee路由器初始化请求的结果。如果网络层管理实体已经成功设置，其返回的参数状态为SUCCESS，否则，参数状态为出错信息。


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