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ZigBee堆疊結構介紹

上網時間: 2006年01月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:堆疊  互通作業性  服務接取點  路由器  stack 

引言:ZigBee標準定義了一種堆疊協議,這種協議能夠確保無線設備在低成本、低功耗和低數據速率網路中的互通作業性。本文簡要說明ZigBee標準中規定的ZigBee堆疊結構。

圖1: ZigBee堆疊架構。

ZigBee堆疊是在IEEE 802.15.4標準基礎上設立的,定義了協議的MAC和PHY層。ZigBee設備應該包括IEEE802.15.4(該標準定義了RF射頻以及與相鄰設備之間的通訊)的PHY和MAC層,以及ZigBee堆疊層:網路層(NWK)、應用層和安全服務提供層。圖1為這些組件的概況。

ZigBee堆疊層

每個ZigBee設備都與一個特定類別(profile)有關,可能是公共類別或私有類別。這些類別定義了設備的應用環境、設備類型以及用於設備間通訊的叢集。公共類別可以確保不同供應商的設備在相同應用領域中的互通作業性。

設備是由類別定義的,並以應用物件(Application Objects)的形式實現(見圖2)。每個應用物件透過一個端點連接到ZigBee堆疊的餘下部份,它們都是元件中可尋址的組件。

從應用角度看,通訊的本質就是端點到端點的連接(例如,一個帶開關組件的設備與帶一個或多個燈組件的遠端設備進行通訊,目的是將這些燈點亮)。

端點之間的通訊是透過稱之為叢集的數據結構實現的。這些叢集是應用物件之間共享資訊所需的全部屬性的容器,在特殊應用中使用的叢集在類別中有定義。圖2就是設備及其介面的一個例子:

每個介面都能接收(用於輸入)或發送(用於輸出)叢集格式的數據。一共有二個特殊的端點,即端點0和端點255。端點0用於整個ZigBee設備的配置和管理。應用程式可以透過端點0與ZigBee堆疊的其它層通訊,因而實現對這些層的初始化和配置。附屬在端點0的物件被稱為ZigBee設備物件(ZD0)。端點255用於向所有端點的廣播。端點241到254是保留端點。

所有端點都使用應用支援子層(APS)提供的服務。APS透過網路層和安全服務提供層與端點相接,並為數據傳送、安全和固定服務,因此能夠適配不同但相容的設備,如帶燈的開關。

APS使用網路層(NWK)提供的服務。NWK負責設備到設備的通訊,並負責網路中設備初始化所包含的活動、消息路由和網路發現。應用層可以透過ZigBee設備物件(ZD0)對網路層參數進行配置和存取。

802.15.4 MAC層

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IEEE 802.15.4標準為低速率無線個人區域網路(LR-WPAN)定義了OSI模型開始的兩層。PHY層定義了無線射頻應該具備的特徵,它支援二種不同的射頻訊號,分別位於2450MHz波段和868/915MHz波段。2450MHz波段射頻可以提供250kbps的數據速率和16個不同的訊息通道。868/915MHz波段中,868MHz支援1個數據速率為20kbps的訊息通道,915MHz支援10個數據速率為40kbps的訊息通道。

MAC層負責相鄰設備間的單跳數據通訊。它負責設立與網路的同步,支援關聯和去關聯以及MAC層安全:它能提供二個設備之間的可靠鏈接。

關於服務接取點

ZigBee堆疊的不同層與802.15.4 MAC透過服務接取點(SAP)進行通訊。SAP是某一特定層提供的服務與上層之間的介面。

ZigBee堆疊的大多數層有兩個介面:數據實體介面和管理實體介面。數據實體介面的目標是向上層提供所需的常規數據服務。管理實體介面的目標是向上層提供存取內部層參數、配置和管理數據的機制。

ZigBee的安全性

安全機制由安全服務提供層提供。然而值得注意的是,系統的整體安全性是在類別級定義的,這意味著類別應該定義某一特定網路中應該實現何種類型的安全。

每一層(MAC、網路或應用層)都能被保護,為了降低儲存要求,它們可以分享安全鑰匙。SSP是透過ZD0進行初始化和配置的,要求實現先進加密標準(AES)。ZigBee規格定義了信任中心的用途。信任中心是在網路中分配安全鑰匙的一種令人信任的設備。

ZigBee堆疊容量和ZigBee設備

根據ZigBee堆疊規定的所有功能和支援,我們很容易推測ZigBee堆疊實現需要用到設備中的大量記憶體資源。

不過ZigBee規格定義了三種類型的設備,每種都有自己的功能要求:ZigBee協調器是啟動和配置網路的一種設備。協調器可以保持間接尋址用的固定表格,支援關聯,同時還能設計信任中心和執行其它活動。一個ZigBee網路只允許有一個ZigBee協調器。

ZigBee路由器是一種支援關聯的設備,能夠將消息轉發到其它設備。ZigBee網格或樹型網路可以有多個ZigBee路由器。ZigBee星型網路不支援ZigBee路由器。

ZigBee端終設備可以執行它的相關功能,並使用ZigBee網路到達其它需要與其通訊的設備。它的記憶體容量要求最少。

然而需要特別注意的是,網路的特定架構會戲劇性地影響設備所需的資源。NWK支援的網路拓樸有星型、樹型和網格型。在這幾種網路拓樸中,星型網路對資源的要求最低。

本文小結

ZigBee堆疊應該可以提供ZigBee規格要求的所有功能,因此製造商的重點工作是開發實際的應用。為了更加容易實現,如果製造商使用某種公共類別,那麼可用大多數現成的配置。如果沒有合適的公共類別,則可以充分利用其它類別已經做過的工作製作自己的類別。

作者:Rogelio Reyna Garcia

應用工程師

飛思卡爾半導公司




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