基于ZigBee的无线网络技术及应用.docx
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基于ZigBee的无线网络技术及应用
基于ZigBee的无线网络技术及应用
【导读】IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网状网络。
一、引言
长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。
自从Bluetooth出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是Bluetooth的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。
如今，这些业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体介入控制层。
IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网状网络。
它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。
主要用于近距离无线连接。
它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。
一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。
相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。
同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。
所以ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。
二、IEEE802.15.4和ZigBee介绍
IEEE无线个人区域网（PAN）工作组的IEEE802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。
802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10米左右的低速连接，可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。
传感器网络是其主要市场对象。
2.1802.15.4协议架构及其技术特点
IEEE802.15.4满足国际标准组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模式。
它定义了单一的MAC层和多样的物理层（如图1所示），表1中概括了802.15.4的一些特点：
IEEE802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准，通过SSCS（Service-SpecificConvergenceSublayer，业务相关的会聚子层）协议承载IEEE802.2类型一的LLC标准，同时允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4的MAC层服务。
表2列出了IEEE802.15.4的LLC层和MAC层主要功能：
IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。
它们都基于DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。
2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。
2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。
868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。
868MHz的传输速率为20kb/s，916MHz是40kb/s。
这两个频段上无线信号传播损耗较小,因此可以降低对接收机灵敏度的要求,获得较远的有效通信距离,从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。
表1中概括了802.15.4的一些特点：
2.2ZigBee技术概述
ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。
它不仅只是802.15.4的名字。
IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。
完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。
每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。
ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。
完整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。
网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。
应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言包括：
（1）安全与鉴权；
（2）多个业务数据流的会聚；
（3）设备发现；
（4）业务发现。
网络层将主要考虑采用基于adhoc技术的网络协议，应包含以下功能：
（1）通用的网络层功能：
拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含了寻址、路由和安全；
（2）同IEEE802.15.4标准一样，非常省电；
（3）有自组织、自维护功能，以最大程度减少消费者的开支和维护成本。
相对于常见的无线通信标准，Zigbee协议套件紧凑而简单，其具体实现的要求很低，以下是Zigbee协议套件的需求估计：
（1）8位处理器，如80c51；
（2）协议套件软件需要32kbytes的ROM；
（3）最小协议套件软件大约4kbytes的ROM；
（4）网络主节点需要更多的RAM，以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。
2.3整个协议构架
在标准制定的分工上，由ZigBeeAlliance与IEEE802.15.4的任务小组共同制定，其中实体层、MAC层、资料链结层，以及传输过程中的资料加密机制等发展由IEEE所主导，并共同针对ZigBeeProtocolStack的发展进行研讨，而未来还能依系统客户的需求，为不同应用修正其所需之应用介面（如图二所示）：
2.4IPV6Over802.15.4
ZigBee联盟希望建立一种可连接每个电子设备的无线网。
它预言ZigBee将很快成为全球高端的无线技术，到2007年将达到30亿节点。
具有几十亿个节点的网络将很快耗尽已压缩的IPv4的地址空间，但是ZigBee的路由选择不依赖于IPv6。
IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。
按保守方法估算，IPv6实际可为整个地球的每平方米面积分配1000多个地址。
IPv6在设计过程中，除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其他问题，如端到端IP连接、服务质量（QoS）、安全性、多播、移动性、即插即用等。
因此，将IPV6和802.15.4的结合将是以后研究发展的方向,目前IETF也在积极的制定V6over15.4的Draft，其标准也不久将出台。
三、ZigBee技术的优势及应用
3.1ZigBee技术的主要优势及其与蓝牙和Wi-Fi的比较：
IEEE802.15.4和ZigBee从一开始就被设计用来构建包括恒温装置，安全装置和煤气读数表等设备的无线网络。
这是由其主要技术优势决定的：
1．数据传输速率低：
只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用。
2．功耗低：
在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。
这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。
3．成本低：
ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。
且免收专利费。
4．网络容量大：
每个ZigBee网络最多可支持255个设备。
5．时延短：
通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。
6．安全：
ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。
7．有效范围小：
有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
8．工作频段灵活：
使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。
与之相反，蓝牙技术基本上只是设计作为有线的替代品，经常是为手机和附近的耳机或PDA联网用的。
它可以在不充电的情况下工作几周，但无法工作几个月，更不用说几年了；
一般情况下，蓝牙设备需要人手配置和维护网络连接；它可以用来有效地处理8个设备（一个主设备和7个从设备），如果更多的话，通讯速率则显著下降。
而802.11,也被称作Wi-Fi也有类似的问题。
虽然它是将笔记本和桌面电脑接入有线网络的很好的解决方案，但它的功耗却非常高。
3.2可能应用及市场发展：
ZigBee的出发点是希望能发展一种易布建的低成本无线网络，同时其低耗电性将使产品的电池能维持6个月到数年的时间。
在产品发展的初期，将以工业或企业市场的感应式网路为主，提供感应辨识、灯光与安全控制等功能，再逐渐将目前市场拓展至家庭中的应用。
通常符合以下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术：
1．设备成本很低，传输的数据量很小；
2．设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；
3．没有充足的电力支持，只能使用一次性电池；
4．频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难；
5．需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制。
根据ZigBeeAlliance的观点，一般家庭可将ZigBee应用于以下装置：
1．空调系统的温度控制器,灯光、窗帘的自动控制；
2．老年人与行动不便者的紧急呼叫器；
3．电视与音响的万用遥控器,无线键盘、滑鼠、摇杆，玩具；
4．烟雾侦测器；
5．智慧型标签。
四、小结
本文阐述了ZigBee技术及IEEE802.15.4标准及其相关应用，讨论了它们的关系和相对其它技术的优点，并对其在家庭无线通信网中的应用前景进行了分析和展望。
ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。
随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。
我们有理由相信在不远的将来，将有越来越多的内置式ZigBee功能的设备进入我们的生活，并将极大地改善我们的生活方式和体验。
参考文献
（1）IEEEStandardforInformationTechnology-Telecommunicationsandinformationexchangebetweensystems-Localandmetropolitanareanetworks-SpecificRequirements-Part15.4:
WirelessMediumAcessControl（MAC）andPhysicalLayer（PHY）SpecificationsforLow0RateWielessPersonalAreaNetworks（LR-WPANS）
（2）韩旭东张春业李鹏传感器无线互联标准及实现《电子技术应用》2004-11
（3）中国ZigBee联盟ZigBee技术探析2004-8
无线网络的安全分析工作在网络建设和建好后的运行维护期间都是引人关注的，
新的分离分析技术有哪些改进之处，能否真的带给无线网络真正的安全。
无线网络安全工具的安全分析工作通常是在一个中心服务器上或者是在分布于整个无线局域网的传感器上进行的。
利用中心服务器进行分析时，每个传感器都会将全部原始数据通过回程网络发送到服务器，服务器完成高级的分析工作，比如多传感器相关分析等。
但是，由于网络中的传感器数目可能高达上千，而每个传感器都需要数兆比特每秒的带宽来传输数据，这就大大增加了回程网络的负荷，同时也会占用大量的服务器资源。
而与之相对应的是以传感器为中心的解决方案。
以传感器为中心时，大部分的分析工作都是在传感器上进行的。
由于这种方式只需将少的多的数据传送回服务器，网络带宽的使用效率将会提高而整个系统的可扩展性也会增强。
但是，这种方案需要传感器拥有较强的处理能力和更多的内存，当系统需要很多传感器的时候，系统的成本就会变得很高。
当传感器的覆盖区域重叠的时候，相邻的传感器会将不必要的重复信息传送给服务器。
另外，这种方式不能检测某些特定形式的攻击，比如MAC地址欺骗，这种攻击只能通过多传感器相关分析才能监测出来。
分离分析技术（Split-Analysis）是一种混合式的射频安全解决方案。
它解决了以服务器或者传感器为中心的解决方案所存在的问题。
分离分析方案用智能的、特定制造的传感器来完成前期分析工作，用服务器来实现复杂的数据分析和异常监测工作。
这种分布式智能可以提高监测的准确率、系统的可扩展性并简化系统管理。
当然，为了最大的提高安全工作的效率，人们必须要知道什么样的分析工作应该由传感器来完成，什么样的工作应该由服务器来完成。
实际上，通过将分析功能分离，传感器只需进行一些不针对特定攻击或者漏洞的基本的分析工作。
例如：
传感器能够监测所有的上行的WLAN行动，并且可以从802.11协议、扩展认证协议（ExtensibleAuthenticationProtocol，EAP）、IP和UDP/TDP协议的数据包报头提取服务集标识SSI（ServiceSetIdentifier）和地址等信息。
传感器除了可以压缩和加密数据外还可以收集无线信道的信息，比如接收信号强度指示RSSI（ReceivedSignalStrengthIndication），噪声等。
使用分离式的处理方式，传感器同服务器之间通讯所占的带宽只有大约1K到3K比特每秒。
因此，利用分离式处理方式回程网络可以比较容易的进行扩展，从而实现对数千个的远程传感器的WLAN监视和分析数据的相关操作。
通过分离分析，服务器可以集成来自数千个传感器的数据，对所有覆盖区域有重叠的任意两个传感器数据进行相关，并使用复杂的异常监测算法来识别各种安全异常和性能异常。
另外，服务器还可以生成警报和进行数据统计，帮助IT部门来选择正确和及时的行动。
对于无线侵入监测系统IDS来说，分离分析解决方案使得IT人员能够通过对服务器进行简单的警报升级就可以应对快速变化的各种威胁了。
传感器上的固件并不需要升级，因为它们只进行基本的分析。
因此分离分析的解决方案使得管理变得非常方便。
特别是对于无线IDS来说，分离分析提供了更多的好处。
智能的瘦传感器分担了服务器的分析工作，减少了对回程带宽的消耗，提供了更好的可扩展性。
多传感器相关和实时网络状态数据库可以帮助减少错误识别，增加高级报警功能，从而提高了监测的准确性
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