zigbee_MAC_NWK_Layers网络层物理层简介

NWK Layer
mesh路由流程图
NWK Layer
通用网络层帧格式
字节： 2 2 帧控 目的 制 地址 2 源 地 址 1 广播 半径 域 1 0/8 0/8 0/1
NWK帧格式
变长
变长 帧的有 效载荷 网络层 的有效 载荷
广播 目的IEEE 源IEEE 地址 地址 序列 号 网络层帧报头
NWK Layer
网络层数据实体（NLDE）
具体功能
① 生成网络层协议数据单元（NPDU），网络层数据实体通过增加一个适当 的协议头，从应用支持层协议数据单元中生成网络层的数据单元 ② 指定拓扑传输路由，网络层数据实体能够发送一个网络层的协议数据单 元到一个合适的设备，该设备可以是最终的目的通信设备，也可能是通 信链路中的一个中间通信设备。
多点传 源路 送控制 由帧
帧控制域
比特01 帧类 型 2-5 6-7 8 9 安 全 10 源路 由 11 目的IEEE地 址 12 源IEEE地 址 1315 保留
协议版 发现路 多播标 本 由 记
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姓名：ห้องสมุดไป่ตู้杭科
学号：14720950
The Zigbee NWK Layer
1. 结构与功能 2. 节点和网络拓扑类型 3. 网络路由的实现
NWK Layer
结构位置
NWK Layer
ISO制定的网络层：
解决网络间的通信问题，提供路 由，即最佳路径
结构与功能
ZigBee的网络层
• 主要功能：节点连接和断开网络里 所采用的机制；传输安全性；设备 之间的路由发现和维护和转交 • 向应用层提供服务接入点（SAP）， 网络层提供了两个必要的功能服务 实体——网络层数据实体（NLDE） 和网络层管理实体（NLME）
1. Hierarchical (Tree) Topology 2. mesh topology 3. Star topology
NWK Layer
树型路由机制包括 配置树型地址 和 树型地址的路由
树路由
网络地址分配机制 a) 分布式的地址分配机制，即每个父设备拥有 一个有限的网络地址段，从中选择一些地址 给子设备 b) 根据四个参数—深度(d) 、最大深度(Lm) 、最 大子节点数(Cm)和最大子路由器数(Rm)来计 算新节点的地址，寻址的时候根据地址就能 计算出路径 c) 路由方向—向子节点发送或者向父节点发送。
网络层管理实体（NLME）
① 配置一个新的设备。为保证设备正常工作的需要，设备应该具有足够堆栈， 以满足配置的需要。配置选项包括对一个 ZigBee 协调器和连接一个现有网络 设备的初始化操作。 ② 初始化一个网络，使之具有建立一个新网络的能力。 ③ 连接和断开网络 ，具有连接或者断开一个网络的能力，以及为建立一个 ZigBee协调器或者ZigBee路由器，具有要求设备同网络断开的能力。 ④ 寻址。ZigBee协调器和ZigBee路由器具有为新加入网络的设备分配地址的能力。 ⑤ 邻居设备发现。具有发现＼记录和汇报有关一跳邻居设备信息的能力。 ⑥ 路由发现。具有发现和记录有效地传送信息的网络路由能力。 ⑦ 接收控制。具有控制设备接收机接收状态的能力，即控制接收机什么时间接 收，接收时间的长短，以保证MAC层的同步长或者正常接收等。
信道无竞争周期(信标使能):
协调器根据上一个超帧PAN网络中设备申请GTS的情况，将非竞争时段划 分成若干个GTS。 每个GTS由若干个时槽组成，时槽数目在设备申请GTS时指定。
MAC Layer
帧类型：
各类帧结构
IEEE 802.15.4网络共定义了四种类型的帧：信标帧，数据帧，确认帧和MAC 命令帧。
802.15.4的MAC层
提供两种服务： MAC层数据服务——保证MAC协议数 据单元在物理层数据服务中的正确收发； MAC层管理服务（MLME）——维护 一个存储MAC子层协议状态相关信息的 数据库。
• MLME：MAC Layer Management Entity • MAC-PIB：MAC PAN Information Base
MAC Layer
超帧结构(3+1)：
固定有保证时隙（GTS）
超帧
1. 2. 3. 4.
信标帧（ beacon ）：网络协调器发出；超帧将持续的时间及GTS的分配 信道竞争周期（CAP）：动态调整 信道无竞争周期（CFP）：动态调整，信标使能时才存在 不活跃：设备间不通信，休眠以节能
MAC Layer
ZigBee 网络中将二者结合，使用 Z-AODV 和分等级的树型 （Tree）路由相结合的混合路由方法，构成网格型拓扑结构 （Mesh）的网络。
2. 具体实现方法是在数据帧帧头的DiscoverRouter域指定路由。 该域可以是如下三种值： a) 抑制路由发现： 原路由或tree路由 b) 使能路由发现： 原路由或Z-AODV 路由算法初始化路由发现 c) 强制路由发现： Z-AODV 路由算法初始化路由发现
NWK Layer
节点类型
1. ZigBee 协调者（ZC） a) 每个ZigBee 网络必须有一个 b) 建立初始化网络信息配置（路由器） 2. ZigBee 路由器(ZR) a) 路由信息管理维护 3. ZigBee 终端节点（ZED） a) 向路由传递数据；睡眠和唤醒
节点和拓扑
网络拓扑结构（Topology）
NWK Layer
树路由
NWK Layer
树型地址的路由
树路由
NWK Layer
AODV 能量平衡路由协议
Z-AODV 能量平衡路由
a. AODV(ad-hoc on-demand distance vector) 协议在 DSDV 协 议（逐跳路由、序列号、定期广播机制）基础上，加入了 DSR的按需路由发现和维护机制。 b. 与 DSDV 保存完整的路由表不同的是，AODV 通过建立按需 路由来减少路由广播的次数;与DSR相比，AODV 的好处在于 源路由并不需要包括在每一个数据包中，这样会降低路由 协议的开销。
帧结构设计目标：
用最低复杂度实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。
通用结构：
由帧头（ MAC header (MHR) ）、负载（ MAC payload ）和帧尾（ MAC footer (MFR) ）三部分组成。 a. 帧头由 帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。 b. 负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。 c. 帧尾是帧头和负载数据的16位CRC校验序列
NWK Layer
mesh路由流程图
FFD维护三张路由表：
1. 路由表：包含此条路由下 一跳节点地址，路由状态， 目的地址。 2. 路由搜索表：在路由表建 立过程中存在。
3. 邻居表： 保存一张邻居 节点列表，用来存储此节 点传输范围内其它节点的 信息。
节点交互的分组：
1. 路由请求分组 2. 路由应答分组 3. 路由出错分组
① 源节点通过广播发送RREQ分组，具有路由功能的节点收到此 信息后，建立反响路由，并转发RREQ分组，并将源节点到此 节点的路由开销添加到路由搜索表和RREQ中 ② 直到目的节点收到此RREQ，根据路由开销选择路由开销最少 的反向路由，将RREP发送给源节点，中间节点收到RREP也要 添加此节点到目的节点的路由开销到路由搜索表和RREP中， 最终到达源节点。路由搜索表清楚，各个节点路由表建立。
3.3 IEEE 802.15.4 MAC Layer
3.4 The Zigbee NMK Layer
姓名：宋杭科
学号：14720950
IEEE 802.15.4 MAC Layer
1. 分层结构与功能 2. 基于超帧的mac层通信 3. MAC帧结构
MAC Layer
MAC层
分层结构
Medium Access Control，即介质访问 控制子层。与逻辑链路控制LLC组成数据 链路层。 负责把物理层的“0”、“1”比特流组 建成帧；提供对共享介质的访问方法； 分配MAC地址。
信道竞争周期:
超帧
CSMA-CA访问机制：载波侦听多路访问／冲突避免；you can you up, no can you wait ; 信标使能，同步网络，基于时槽slot；非使能，非同步网 络，随机时间（无CFP无协调器，类似ad-hoc）
各设备节点通过CSMA/CA机制来接入信道，（信标帧、数据传送应答帧， 请求应答机制），处于信道竞争周期中的所有的数据发送事务必须在 CAP 结束之前的一个完整帧间间隔内完成。
Z-AODV 能量平衡路由
Z-AODV 算法是针对 AODV 改进。基于路径的能量消耗的路由， 考虑到节能、应用方便性等因素，简化了 AODV 的一些特点， 但仍保持 AODV 的原始功能。
NWK Layer
路由成本
Z-AODV 能量平衡路由
NWK Layer
Mesh路由
1.
mesh路由
MAC Layer
802.15.4MAC层主要功能： 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
分层结构
产生网络信标（如果设备是协调器） 使设备与信标同步（根据协调器的信标帧） 信道接入采用CSMA-CA接入机制 处理和维护GTS机制 在对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路 支持设备与PAN的连接和断开连接（GTS，超帧同步分配时槽） 支持设备的安全性