ZigBee堆栈结构介绍

ZigBee堆栈结构介绍作者：Rogelio Reyna Garcia / 应用工程师 / 飞思卡尔半导公司引言：ZigBee标准定义了一种堆栈协议，这种协议能够确保无线设备在低成本、低功耗和低数据速率网络中的互通作业性。本文简要说明ZigBee标准中规定的ZigBee堆栈结构。 ZigBee堆栈是在IEEE 802.15.4标准基础上设立的，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讯)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为这些组件的概况。 图1： ZigBee堆栈架构ZigBee堆栈层 每个ZigBee设备都与一个特定类别(profile)有关，可能是公共类别或私有类别。这些类别定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通讯的丛集。公共类别可以确保不同供货商的设备在相同应用领域中的互通作业性。 设备是由类别定义的，并以应用对象(Application Objects)的形式实现(见图2)。每个应用对象透过一个端点连接到ZigBee堆栈的余下部份，它们都是组件中可寻址的组件。 从应用角度看，通讯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程设备进行通讯，目的是将这些灯点亮)。 端点之间的通讯是透过称之为丛集的数据结构实现的。这些丛集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丛集在类别中有定义。图2就是设备及其接口的一个例子： 图2：设备及其接口每个接口都能接收(用于输入)或发送(用于输出)丛集格式的数据。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。应用程序可以透过端点0与ZigBee堆栈的其它层通讯，因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透过网络层和安全服务提供层与端点相接，并为数据传送、安全和固定服务，因此能够适配不同但兼容的设备，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讯，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。应用层可以透过ZigBee设备对象(ZD0)对网络层参数进行配置和存取。 802.15.4 MAC层 IEEE 802.15.4标准为低速率无线个人局域网络(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讯号，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个不同的讯息信道。868/915MHz波段中，868MHz支持1个数据速率为20kbps的讯息信道，915MHz支持10个数据速率为40kbps的讯息信道。 MAC层负责相邻设备间的单跳数据通讯。它负责设立与网络的同步，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。 关于服务接取点 ZigBee堆栈的不同层与802.15.4 MAC透过服务接取点(SAP)进行通讯。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存取内部层参数、配置和管理数据的机制。 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类别级定义的，这意味着类别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，为了降低储存要求，它们可以分享安全钥匙。SSP是透过ZD0进行初始化和配置的，要求实现先进加密标准(AES)。ZigBee规格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。 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海量存储器资源。 不过ZigBee规格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固定表格，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讯的设备。它的内存容量要求最少。 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支持的网络拓朴有星型、树型和网格型。在这几种网络拓朴中，星型网络对资源的要求最低。 本文小结 ZigBee堆栈应该可以提供ZigBee规格要求的所有功能，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类别，那么可用大多数现成的配置。如果没有合适的公共类别，则可以充分利用其它类别已经做过的工作制作自己的类别。