解析ZigBee堆棧架構(gòu)

　　ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義了一種堆棧協(xié)議，這種協(xié)議能夠確保無(wú)線(xiàn)設(shè)備在低成本、低功耗和低數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡(luò)中的互操作性。本文簡(jiǎn)要說(shuō)明ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的ZigBee堆棧結(jié)構(gòu)。

　　ZigBee堆棧是在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，定義了協(xié)議的MAC和PHY層。ZigBee設(shè)備應(yīng)該包括IEEE802.15.4(該標(biāo)準(zhǔn)定義了RF射頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信)的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。圖1給出了這些組件的概況。

ZigBee堆棧層

　　每個(gè)ZigBee設(shè)備都與一個(gè)特定模板有關(guān)，可能是公共模板或私有模板。這些模板定義了設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境、設(shè)備類(lèi)型以及用于設(shè)備間通信的簇。公共模板可以確保不同供應(yīng)商的設(shè)備在相同應(yīng)用領(lǐng)域中的互操作性。

　　設(shè)備是由模板定義的，并以應(yīng)用對(duì)象(Application Objects)的形式實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)圖)。每個(gè)應(yīng)用對(duì)象通過(guò)一個(gè)端點(diǎn)連接到ZigBee堆棧的余下部分，它們都是器件中可尋址的組件。

　　從應(yīng)用角度看，通信的本質(zhì)就是端點(diǎn)到端點(diǎn)的連接(例如，一個(gè)帶開(kāi)關(guān)組件的設(shè)備與帶一個(gè)或多個(gè)燈組件的遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行通信，目的是將這些燈點(diǎn)亮)。

圖1：ZigBee堆棧架構(gòu)。

　　端點(diǎn)之間的通信是通過(guò)稱(chēng)之為簇的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。這些簇是應(yīng)用對(duì)象之間共享信息所需的全部屬性的容器，在特殊應(yīng)用中使用的簇在模板中有定義。圖2就是設(shè)備及其接口的一個(gè)例子：

圖2：由模板定義好的設(shè)備描述。

　　每個(gè)接口都能接收(用于輸入)或發(fā)送(用于輸出)簇格式的數(shù)據(jù)。一共有二個(gè)特殊的端點(diǎn)，即端點(diǎn)0和端點(diǎn)255。端點(diǎn)0用于整個(gè)ZigBee設(shè)備的配置和管理。應(yīng)用程序可以通過(guò)端點(diǎn)0與ZigBee堆棧的其它層通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些層的初始化和配置。附屬在端點(diǎn)0的對(duì)象被稱(chēng)為ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZD0)。端點(diǎn)255用于向所有端點(diǎn)的廣播。端點(diǎn)241到254是保留端點(diǎn)。

　　所有端點(diǎn)都使用應(yīng)用支持子層(APS)提供的服務(wù)。APS通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層和安全服務(wù)提供層與端點(diǎn)相接，并為數(shù)據(jù)傳送、安全和綁定提供服務(wù)，因此能夠適配不同但兼容的設(shè)備，比如帶燈的開(kāi)關(guān)。

　　APS使用網(wǎng)絡(luò)層(NWK)提供的服務(wù)。NWK負(fù)責(zé)設(shè)備到設(shè)備的通信，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備初始化所包含的活動(dòng)、消息路由和網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。應(yīng)用層可以通過(guò)ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZD0)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)進(jìn)行配置和訪(fǎng)問(wèn)。

802.15.4 MAC層

　　IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為低速率無(wú)線(xiàn)個(gè)人域網(wǎng)(LR-WPAN)定義了OSI模型開(kāi)始的兩層。PHY層定義了無(wú)線(xiàn)射頻應(yīng)該具備的特征，它支持二種不同的射頻信號(hào)，分別位于2450MHz波段和868/915MHz波段。2450MHz波段射頻可以提供250kbps的數(shù)據(jù)速率和16個(gè)不同的信道。868/915MHz波段中，868MHz支持1個(gè)數(shù)據(jù)速率為20kbps的信道，915MHz支持10個(gè)數(shù)據(jù)速率為40kbps的信道。

　　MAC層負(fù)責(zé)相鄰設(shè)備間的單跳數(shù)據(jù)通信。它負(fù)責(zé)建立與網(wǎng)絡(luò)的同步，支持關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)以及MAC層安全：它能提供二個(gè)設(shè)備之間的可靠鏈接。

關(guān)于服務(wù)接入點(diǎn)

    　ZigBee堆棧的不同層與802.15.4 MAC通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)進(jìn)行通信。SAP是某一特定層提供的服務(wù)與上層之間的接口。

　　ZigBee堆棧的大多數(shù)層有兩個(gè)接口：數(shù)據(jù)實(shí)體接口和管理實(shí)體接口。數(shù)據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制。

ZigBee的安全性

　　安全機(jī)制由安全服務(wù)提供層提供。然而值得注意的是，系統(tǒng)的整體安全性是在模板級(jí)定義的，這意味著模板應(yīng)該定義某一特定網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該實(shí)現(xiàn)何種類(lèi)型的安全。

　　每一層(MAC、網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用層)都能被保護(hù)，為了降低存儲(chǔ)要求，它們可以分享安全鑰匙。SSP是通過(guò)ZD0進(jìn)行初始化和配置的，要求實(shí)現(xiàn)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)。ZigBee規(guī)范定義了信任中心的用途。信任中心是在網(wǎng)絡(luò)中分配安全鑰匙的一種令人信任的設(shè)備。

ZigBee堆棧容量和ZigBee設(shè)備

　　根據(jù)ZigBee堆棧規(guī)定的所有功能和支持，我們很容易推測(cè)ZigBee堆棧實(shí)現(xiàn)需要用到設(shè)備中的大量存儲(chǔ)器資源。

　　不過(guò)ZigBee規(guī)范定義了三種類(lèi)型的設(shè)備，每種都有自己的功能要求：ZigBee協(xié)調(diào)器是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備。協(xié)調(diào)器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關(guān)聯(lián)，同時(shí)還能設(shè)計(jì)信任中心和執(zhí)行其它活動(dòng)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器。

　　ZigBee路由器是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其它設(shè)備。ZigBee網(wǎng)格或樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)ZigBee路由器。ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)不支持ZigBee路由器。

　　ZigBee端終設(shè)備可以執(zhí)行它的相關(guān)功能，并使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)到達(dá)其它需要與其通信的設(shè)備。它的存儲(chǔ)器容量要求最少。

　　然而需要特別注意的是，網(wǎng)絡(luò)的特定架構(gòu)會(huì)戲劇性地影響設(shè)備所需的資源。NWK支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆行切汀?shù)型和網(wǎng)格型。在這幾種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，星型網(wǎng)絡(luò)對(duì)資源的要求最低。

本文小結(jié)

　　ZigBee堆棧應(yīng)該可以提供ZigBee規(guī)范要求的所有功能，因此制造商的重點(diǎn)工作是開(kāi)發(fā)實(shí)際的應(yīng)用。為了更加容易實(shí)現(xiàn)，如果制造商使用某種公共模板，那么可用大多數(shù)現(xiàn)成的配置。如果沒(méi)有合適的公共模板，則可以充分利用其它模板已經(jīng)做過(guò)的工作創(chuàng)建自己的模板。