zigbee协议栈各层的功能

竭诚为您提供优质文档/双击可除zigbee协议栈各层的功能篇一：zigbee协议栈各层分析3.4.2协议栈概况本课题研究的系统zigbee协议栈设计基于msstate_lRwpan。

msstate_lRwpan是由美国密西西比州立大学的Robertb.Reese教授开发的一套zigbee协议的简化实现。

该协议栈可用于多种硬件平台，实现了协调器、路由器和精简功能节点之间的树路由、直接消息传输并用静态绑定方法实现了间接路由[[xxxix]]。

课题在对该协议栈进行深入分析的基础上，根据本课题中使用硬件平台的实际情况进行修改，将其移植到msp430+cc2420的硬件平台上来。

程序使用c语言编写，使用iaR公司的ew430工具作为集成开发环境，编译后下载到目标板的msp430芯片中。

协议栈使用有限状态机（Fsm，Finitestatemachine）的编程方式，在协议的每一层实现单独的有限状态机来跟踪该层的工作状态，整个协议栈采用嵌套调用的方式，上层调用下层的有限状态机，实现完整协议栈的运行。

最顶层的有限状态机是应用程序支持子层（aps）的apsFsm（），需要周期性的调用，以维持整个协议栈正常运行。

经过对msstate_lRwpan协议各层源程序的原理和实现方法进行分析后发现，在将协议栈从一种硬件平台移植到另外一种硬件平台时，需要修改的主要是物理层（phy）和媒体接入控制层（mac），这两层与硬件联系紧密，需要针对节点硬件的实际连接方式作较大的修改，涉及的文件主要有cc2420.c、clockhal.c和halstack.c等。

phy层和mac层屏蔽了硬件的差异，上层协议通过服务接入点（sap，serviceaccesspoint）使用下层协议提供的服务，透明地完成对硬件的控制，所以网络层（nwk）和应用层（aps）等文件要作的改动较小。

3.4.3物理层phy物理层是协议的最底层，承担着和外界直接作用的任务。

该层定义了物理无线信道和mac子层之间的接口，提供物理层数据服务和管理服务。

数据服务负责控制射频收发器的工作，从物理无线信道上收发数据，主要有以下几个方面的功能[[xl],[xli]]：（1）激活和休眠射频收发器；（2）信道能量检测；（3）检测接收到数据包的链路质量指示（lqi，linkqualityindication）；（4）空闲信道评估（cca，clearchannelassessment）；（5）收发数据。

为了提高协议栈的可移植性，让它可以灵活方便地应用于其它类型的硬件平台，从物理层中划分出一部分与硬件联系极为紧密的操作，形成硬件抽象层（hal，hardwareabstractlayer），这一层中的函数大多涉及到对硬件器件端口和寄存器的直接操作，包含对一部分硬件的初始化和一些中断函数入口定义。

硬件抽象层中的主要函数有：（1）halinit(void)：对硬件抽象层的初始化。

包含了对串口uaRt和计时器mactimer的初始化。

（2）halinituart(void)：对串口uaRt的初始化。

对连接uaRt的管脚设置i/o方向和功能，选择时钟信号源为smclk，设置波特率为57600，打开usaRt1的发送和接收使能并打开接收中断。

（3）halgetch(void)：从接收缓存中读取数据。

（4）halgetchRdy(void)：根据头指针和尾指针的位置判断是否接收到数据。

（5）halputch(charc)：等待发送缓存可用时，向其中写入一个字节的数据进行发送。

（6）halinitmactimer(void)：初始化计时器。

（7）halgetprocessorieeeaddress(byte*buf)：获取节点的64位ieee长地址，存在buf指向的数组内。

（8）halwaitms(uint32msecs)：等待毫秒级的一段时间。

（9）halsleep(uint32msecs)：在看门狗溢出时间内处于lpm1低功耗模式。

（10）uart1_intr(void)：uaRt1中断处理函数，从接收缓存RxbuF1中读取接收到的数据。

（11）watchdog_timer(void)：看门狗中断处理函数，从lpm1低功耗休眠模式中退出。

在物理层phy中实现的主要是初始化函数和物理层有限状态机phyFsm。

物理层的初始化函数phyinit(void)对存储区域进行了初始化，将堆栈清空，并指示物理层有限状态机进入空闲状态。

物理层有限状态机设计如图3-10所示。

图3-10物理层有限状态机phyFsm物理层有限状态机接收上层指令，做初始化射频模块RF 和向RF发送数据包的工作。

数据包发送给RF模块后需要等待RF模块返回的消息以确认数据被正确地发出，如果超时，将在RF模块空闲时，再次重发。

物理层的数据帧格式[1]如图3-11所示。

首先是四个字节的前导序列符（preamble），用于收发器从中提取时钟信号，完成片同步和符号同步；然后是帧定界符（sFd），其值固定为0xa7，标识一个物理帧的开始，保证收发器与字节的同步；接着是负载长度域，由一个字节的低七位表示，因此物理帧的负载长度不能超过127个字节；最后是物理服务数据单元（psdu，physervicedataunit），也就是物理层向RF发出的数据会由cc2420自动加上相应的同步头，故在程序中不再考虑帧头的计算与添加。

3.4.4媒体接入控制层macmac层使用物理层提供的服务实现设备间的数据帧传输，负责设备间无线数据链路的建立、维护和终结，其提供的数据服务保证mac协议数据单元（pdu，protocoldataunit）在物理层的数据服务中能够正确收发。

mac层的主要有以下几个方面的功能[38]：（1）协调器产生并发送信标帧，普通设备根据信标帧与进行协调器同步；（2）支持无线信道通信安全机制；（3）提供csma-ca信道访问机制；（4）提供时隙保障（gts，guaranteedtimeslot）机制；（5）提供不同设备mac层间的可靠传输。

在mac层中，设备有两种地址格式：16位的短地址（shortaddress）和64位的扩展地址（extendedaddress）。

16位短地址是设备加入pan网络时，由协调器为其分配的网内局部地址，随着网络拓扑和设备在pan网络中所处层次的不同会有所变化。

64位扩展地址是由ieee分配的全球唯一地址，在设备制造时即已确定且不可改变。

mac层工作时的很多特性由一些特定的数据决定[[xlii]]。

这些数据有的是由协议和硬件决定的常量，有的是可以由上层软件根据需要通过相应的服务原语来设置或改变的。

这些可以改变的数据称为属性，把它们集中在一起管理，称之为pib（paninformationbase）。

可以通过服务原语实现对这些属性的操作。

mac层的主要函数有：（1）macinit(void)：mac层的初始化函数，初始化mac_pib，清空节点间的连接。

（2）macwarmstartRadio(void)：初始化RF射频模块，设置使用的信道、panid和当前节点短地址。

（3）mactxdata(void)：发送mac层数据包。

首先格式化数据帧头，然后格式化信息来源地址和来源panid，再格式化信息目的地址和目的panid，并格式化数据帧的序列号（dsn，dataserialnumber），最后格式化msb和lsb，写入数据帧的长度，并交给下层进行发送。

（4）macparsehdr(void)：分析获取接收到的数据帧的帧头所包含的信息。

从中读取目的panid，目的地址和来源地址等。

（5）macFormatbeacon(void)：格式化信标帧。

依次填入魔术数，当前节点的深度，网络层协议版本号，协议栈配置，zigbee协议id和超帧。

（6）macparsebeacon(void)：处理收到的信标帧。

从信标帧中读取超帧、协议的id和版本号等，如果有与本设备不兼容的地方，则丢弃。

如果检验通过，条件符合，则以发出信标帧的传感器节点作为父节点。

设置完成之后发出接收到信标帧的确认信息。

（7）macparseassocResponse(void)：处理协调器对加入请求的返回。

如果协调器同意加入，则从中获取分配给自已的短地址，并将自已的panid设置成和协调器相同。

记录父节点的长地址并发送加入成功的确认信息。

（8）maccheckdataRejection(void)：判断是否对接收到的信息进行处理。

对RFd来说，只有由父节点发出的数据帧才会被接受；对路由器来说，只接受来自与自已关联的传感器节点的数据帧。

mac的有限状态机设计为主状态机macFsm、发送状态机txFsm和接收状态机RxFsm三个。

发送状态机txFsm和接收状态机RxFsm完成对数据包的提交和下发，并完成一些应答等一般请求。

接收状态机RxFsm的设计如图3-12所示。

如果物理层没有数据提交上来，则保持空闲状态。

物理层提交的数据包有三种形式：应答帧、数据帧和请求帧。

对于应答帧，RxFsm 可直接处理，不需要交给主状态机macFsm；对于数据帧，如果通过验证确信是发送给本节点的，刚提交给网络层处理，并在mac层将数据包释放，等待处理下一个数据包（注意：不能释放数据包的存储区域，因为网络层处理时会从此区域中读取数据）；对于请求帧，RxFsm没有办法处理，将交由主状态机macFsm决定，如果macFsm已处理，则释放该数据包，清除存储区域。

图3-12mac层接收状态机RxFsm发送状态机txFsm的设计如图3-13所示。

每次只允许一个数据包处一在发送状态，当之前发出的数据包返回状态不为成功时，或者物理层协议栈处于忙碌状态，txFsm会保持空闲状态；如果启动时发生错误，会尝试重发数据，直至超过设定的最大重试次数，则不再处理，进入空闲状态；在启动正常的情况下，如果收到应答帧或数据帧不要求应答，则直接进入空闲状态，如果超时后尚未收到应答帧，则返回相应指示后进入空闲状态。

图3-13mac层发送状态机txFsm主状态机macFsm的设计如图3-14所示，主要是对命令和一些请求作出响应。

该状态机负责发出各种类型的命令帧和数据帧。

接收到命令后，状态机进入命令启动状态，如果是上层要求发送普通的数据帧，则交给底层等待发送，确定发送完成后，回到空闲状态；如果收到的是错误的服务请求，也即虚拟服务，则不作处理，直接回到空闲状态。

接收到的其它类型信令帧主要分为三种：信标帧、孤儿节点请求加入帧和网络请求加入帧。

如果网络中有节点由于掉电等原因而重启，子节点将会断开与之前绑定的父节点之间的连接，成为孤儿节点，这时需要重新与父节点进行绑定，发出的信令帧即孤儿请求。