ZigBee 协议架构

根据应用和市场需要定义了ZigBee协议的分层架构,其协议的体系结构如图1所示，其中物理层（physical layer，PHY)和媒介访问控制层（medium access control sub—layer,MAC)是由IEEE802.15。4—2003 标准定义的,在这个底层协议的基础上ZigBee联盟定义了网络层（network layer,PHY）和应用层（application layer,APL）架构。

图1 zigbee协议栈体系结构

物理层规范

物理层定义了它与MAC 层之间的两个接口：数据服务接口PD—SAP 和管理服务接口PLME—SAP，其中PD-SAP 接口还为物理层提供了相应的数据服务,负责从无线物理信道上收发数据，而PLME-SAP 接口同时为物理层提供相应的管理服务，用于维护一个由物理层相关数据组成的数据库.物理层负责数据的调制、发送和接收、空闲信道评估（clear channel assessment，CCA）信道能量的监测（energy detect,ED)和链接质量指示（link quality indication，LQI）等。物理层帧结构由同步头、物理层帧头和物理层有效载荷三部分组成,如表1 所示.

同步头又包括32bit 的前同步码和8bit 的帧定界符,前同步码用来为数据收发提供码元或数据符号的同步；帧界定符用来标识同步域的结束及数据的开始.物理层帧头包括7bit 的帧长度和1bit 的预留位，帧长度定义了物理层净荷的字节数。物理层有效载荷就是MAC层的帧内容。

表一物理层帧格式

媒体接入控制层规范

MAC 层定义了它与网络层之间的接口,包括提供给网络层的数据服务接口MLDE—SAP 和管理服务接口MLME—SAP，同时提供了MAC 层数据服务和MAC 层管理服务。MAC层数据服务主要实现数据帧的传输；MAC 层管理服务主要负责媒介访问控制、差错控制等。

MAC 层主要功能包括以下几个方面：

（1）ZigBee协调器产生网络信标

（2）设备与信标同步

（3）支持节点加入或着退出操作

(4）信道接入方式采用免冲突载波检测多路访问（CSMA-CA）机制

（5）建立并维护保护时隙机制

（6）为设备提供安全支持

MAC 帧格式由三个基本部分组成:MAC 帧头、MAC 帧载荷和MAC 帧尾。不同类型的MAC 帧，其帧头和帧尾都是一样的,只是MAC 帧载荷有差别,通用MAC 帧格式如表2所示.

表二通用MAC帧格式

网络层规范

网络层定义了它与应用层之间的接口，包括提供给应用层的数据服务接口NLDE—SAP和管理服务接口NLME-SAP , 同时提供了网络层数据服务和网络层管

理服务.网络层主要负责拓扑结构的建立和网络的维护,具体的功能如下:

（1)初始化网络，即建立一个新的包含协调器、路由器和终端设备的网络

（2)设备连接和断开时所采用的机制

（3)对一跳邻居节点的发现和相关节点信息的存储

(4）ZigBee协调器和路由器为新加入节点分配短地址

（5）确保MAC层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口

网络层帧结构包括网络层帧头（Network header，NHR）和网络层载荷（Network payload，NPL）两部分,其中网络层帧头域由帧控制域、目的设备地址、源设备地址、广播半径和广播序列号等部分组成，通用网络帧的结构如表3所示。

表3 通用网络层帧结构

应用层规范

ZigBee应用层是协议体系结构中的最高层，由应用层支持子层(APS）、ZigBee 设备对象（ZDO）、ZigBee应用框架（AF）三部分组成。应用支持子层（APS）定义了网络层和应用层之间的接口，其中一个接口是被ZDO 和制造商定义的应用对象使用的数据实体服务访问接口APSDE-SAP，另一个是管理服务访问接口APSME—SAP。APS 的主要作用是维护绑定表，在绑定的设备之间传递信息.ZDO

位于应用层框架（AF)和应用支持子层（APS）之间,满足协议中所有应用操作的公共需求。ZDO 的作用包括：设备发现并能提供服务发现；定义一个设备的类型，如定义设备为ZigBee协调器或者为ZigBee终端设备；能够按照绑定请求构造并存储绑定表，实现绑定管理。ZigBee应用框架(AF)是应用对象驻留的环境，最多可有240 个应用对象端点,应用对象通过APSDE-SAP 发送和接收数据，同时通过ZDO 公用接口来实现应用对象的管理。

当ZigBee协议栈运行时，数据帧是这样被处理的：当设备发起通讯时，数据是自上而下的传递，依次经过应用层、网络层、MAC 层、物理层，当经过物理层处理后，通过硬件的无线模块调制发送出去。接收时，先通过无线模块把收到的信息解调出来，然后按照物理层、MAC 层、网络层、应用层依次往上传递并对信息帧进行分解。