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zigbee协议规范
zigbee协议概述
1.1.1ZigBee堆栈层
ZigBee堆栈是在IEEE802.15.4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。
图1-1zigbe堆栈框架
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（ApplicationObjects）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：
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（ZDO）网络层参数进行配置和访问。
1.1.2于服务接入点
ZigBee协议栈体系包含一系列的层元件，其中有IEEE802.15.42003标准中的MAC层和PHY层，当然也包括ZigBee组织设计的NWK层和应用层。
每个层的元件有其特定的服务功能。
ZigBee的体系结构由称为层的各模块组成。
每一层为其上层提供特定的服务：
即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。
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。
每个服务实体通过相应的服务接入点（SAP）为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。
1.1.3zigbee中原语的概念
原语是层与层之间信息交互的接口，交互的信息就是原语的参数。
原语只有四种类型：
请求原语：
Request,确认原语：
Confirm,指示原语：
Indication,响应原语：
Response，其中Request和Response是从上层到下层的，Confirm和Indication是从下层到上层的。
举例：
假如上层请求下层打开接收机，给下层一个request，下层完成请求的功能后，给上层一个Confirm，告诉上层正确完成了，或者出什么错了；
假如上层请求下层发送数据到Remote端，给下层一个数据发送的request,下层完成数据发送任备后，给上层一个Confirm告诉上层结果；在对端，对应的下层收到数据后，需要通过indication把收到的数据传给上层!
假如节点A要请求节点B的对等层的一个服务，给自己下层一个请求，下层将信息发送到节点B的对等层之后，节点B的下层用indication告诉上层，上层做出影响后，用Response给到下层，节点B再发送到节点A的对等层，节点A的下层再用confirm原语要得到的信息返回给上层。
1.1.3设备类型和角色
IEEE802.15.4无线网络协议中定义了两种设备类型：
全功能设备（FFD）和半功能设备（RFD）。
FFD可以执行IEEE802.15.4标准中的所有功能，并且可以在网络中扮演任何角色，那反过来讲，RFD就有功能限制。
比如FFD能与网络中的任何设备通信，而RFD就只能和FFD通信。
RFD设备的用途是为了做一些简单功能的应用，比如做个开关之类的。
而其功耗与内存大小都比FFD要小很多。
在Zigbee网络中，节点分为三种角色：
协调器、路由器和终端节点。
其中Zigbee协调者（coord）为协调者节点，每各Zigbe网络必须有一个。
他的主要作用是初始化网络信息。
Zigbee路由器（router）为路由节点，他的作用是提供路由信息。
Zigbee终端节点（rfd为终端节点），它没有没有路由功能，完成的是整个网络的终端任务。
其中FFD可以扮演任何一个角色，而RFD只能扮演终端节点的角色。
图zigbee节点类型和角色
1.1.4zigbee网络拓扑结构
ZigBee技术网络有两种网络拓扑结构：
星型的拓扑结构和对等的拓扑结构。
Zigbee网络拓扑结构
星型拓扑网络结构有一个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须为一个完整功能的设备，从设备既可为完整功能设备也可为简化功能设备，在实际应用中，应根据具体应用情况，采用不同功能的设备，合理的构造通信网络。
在网络通信中，通常将这些设备分为起始设备或者终端设备，PAN主协调器既可作为起始设备、终端设备，也可以作为路由器，它是PAN网络的主要控制器。
在任何一个拓扑网络上，所有设备都有唯一的64位长地址码，该地址码可以在PAN中用于直接通信，或者当设备发起连接时，可以将其转变为16位的短地址码分配给PAN设备，因此，在设备发起连接时，应采用64位的长地址码，只有在连接成功后，系统分配了PAN的标识符后，才能采用16位的短地址进行连接，因此，短地址吗是一个相对地址码，长地址码是一个绝对地址码。
在ZigBee技术应用中，PAN主协调器是主要的耗能设备，而其他从设备均采用电池供电，ZigBee技术的星型拓扑结构通常在家庭自动化、PC外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查等方面得到应用。
对等的拓扑网络机构中，同样也存在一个PAN主设备，但该网络不同于星型拓扑网络结构，在该网络中的任何一个设备只要是在它的通信范围内，就可以和其它设备进行通信。
对等拓扑网络结构能够构成较为复杂的网络结构，例如，网孔拓扑网络结构，这种对等拓扑网络结构在工业监测和控制、无线传感器网路偶、供应物资跟踪、农业智能化，以及安全监控等方面都有广泛的应用。
一个对等网络的路由协议可以是基于Adhoc技术的，也可以是自组织式的和自恢复的，并且，在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间设备中继的方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。
其中，组网的路由协议，在ZigBee网络层中没有给出，这样为用户的使用提供了更为灵活的组网方式。
无论是星型拓扑结构，还是对对等拓扑网络结构，每个独立的PAN都有一个唯一的标识符，利用该PAN标识符，可采用16位的短地址码进行网络设备间的通信，并且可激活PAN网络设备间的通信。
各网络结构的组网特点
1、星型网络结构的形成
当一个具有完整功能的设备（FFD）第一次被激活后，它就会建立一个自己的网络，将自身成为一个PAN主协调器。
所有星型网络的操作独立于当前其它星型网络的操作，这就说明了在星型网络结构中只有一个唯一的PAN主协调器，通过选择一个PAN标识符确保网络的唯一性，目前，其它无线通信技术的星型网络没有用这种方式。
因此，一旦选定了一个PAN标识符，PAN主协调器就会允许其它从设备加入到它的网络中，无论是具有完整功能的设备，还是简化功能的设备都可以加入到这个网络中。
2、对等网络的形成
在对等拓扑结构中，每一个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信。
任何一个设备都可定义为PAN主协调器，例如，可将信道中第一个通信的设备定义为PAN主协调器。
未来的网络结构很可能不仅仅局限为对等的拓扑结构，而是在构造网络的过程中，对拓扑结构进行某些限制。
例如，树簇拓扑结构是对等网络拓扑结构的一种应用形式，在对等网络中的设备可以为完整功能设备，也可以为简化功能设备。
而在树簇中的大部分设备为FFD，RFD只能作为树枝末尾处的叶节点上，这主要是由于RFD一次只能连接一个FFD。
任何一个FFD都可以作为主协调器，并且，为其它从设备或主设备提供同步服务。
在整个PAN中，只要该设备相对于PAN中其它设备具有更多计算资源，比如具有更快的计算能力、更大的存储空间以及更多的供电能力等，这样的设备都可以成为该PAN的主协调器，通常称该设备为PAN主协调器。
在建立一个PAN时，首先，PAN主协调器将其自身设置成一个簇标识符（CID）为0的簇头（CLH），选择一个没有使用的PAN标识符，并向临近的其他设备以广播的形式发送信标帧，从而形成第一簇网络。
接收到信标帧的候选设备可以在簇头中请求加入该网络，如果PAN主协调器允许该设备加入，那么主协调器会将该设备作为子节点加到她的临近表中，同时，请求加入的设备将PAN主协调器作为它的父节点加到邻近列表中，成为该网络中的一个从设备；同样，其他的所有候选设备都按照同样的方式，可请求加入到该网络中，作为网络的从设备。
如果原始的候选设备不能加入到该网络中，那么它将寻找其它的父节点。
在树簇网络中，最简单的网络结构是只有一个簇的网络，但是多数网络结构由多个相邻的网络构成。
一旦第一簇网络满足预定的应用或网络需求时，PAN主协调器将会指定一个从设备为另一簇网络的簇头，使得该从设备成为另一个PAN的主协调器，随后其他的从设备将逐个加入，并形成一个多簇网络。
多簇网络结构的优点在于可以增加网络的覆盖范围，而随之产生的缺点是会增加传输信息的延迟时间（星型连接的相对优点）。
1.1.4ZigBee堆栈容量
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。
1.1.3ZigBee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ZDO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。
2协议栈各层功能概述
2.1.物理层（PHY）
物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。
物理层采用DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum,直接序列扩频）技术。
共有三个频段，可提供27个信道用于数据收发。
都采用相位调制技术，2.4GHz采用较高阶的QPSK调制技术以达到250kbit/s的速率，并降低工作时间，以减少功率消耗。
而在915MHz和868MHz方面，则采用BPSK的调制技术。
图信道分配情况
物理层功能：
1）ZigBee的激活；
2）当前信道的能量检测；
3）接收链路服务质量信息；
4）ZigBee信道接入方式；
5）信道频率选择；
6）数据传输和接收。
2.2MAC层
MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。
1）网络协调器产生信标；
2）与信标同步；
3）支持PAN（个域网）链路的建立和断开；
4）为设备的安全性提供支持；
5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入（CSMA-CA）机制；
6）处理和维护保护时隙（GTS）机制；
7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。
3.网络层
ZigBee协议栈的核心部分在网络层。
网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能。
网络层功能：
1）网络发现；
2）网络形成；
3）允许设备连接；
4）路由器初始化；
5）设备同网络连接；
6）直接将设备同网络连接；
7）断开网络连接；
8）重新复位设备；
9）接收机同步；
10）信息库维护。
4.应用层
ZigBee应用层框架包括应用支持层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和制造商所定义的应用对象。
应用支持层的功能包括：
维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。
ZigBee设备对象的功能包括：
定义设备在网络中的角色（如ZigBee协调器和终端设备），发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。
ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。
ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。
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