Zigbee开发技术及实践第2章 Zigbee技术原理

13
2. 树型网络的形成过程 在树型网络中，由协调器发起网络，路由器和终端 设备加入网络。设备加入网络后由协调器为其分配16位短 地址，具有路由功能的设备可以拥有自己的子设备。但是 在树型网络中，子设备只能和自己的父设备进行通信，如 果某终端设备要与非自己父设备的其他设备通信，必须经 过树型路由进行通信。
Zigbee网络路由器主要负责路由发现、消息传输、 允许其他节点通过它接入到网络。
Zigbee终端节点通过Zigbee协调器或者Zigbee路由器 接入到网络中，Zigbee终端节点主要负责数据采集或控制 功能，但不允许其他节点通过它加入到网络中。
本节将重点介绍Zigbee网络体系、Zigbee网络拓扑结 构和Zigbee协议架构。
Zigbee技术是一种低数据传输速率的无线个域网， 网络的基本成员称为设备。网络中的设备按照各自作用的 不同可以分为协调器节点、路由器节点和终端节点。
6
Zigbee网络协调器是整个网络的中心，它的功能包 括建立、维持和管理网络，分配网络地址等。所以可以将 Zigbee网络协调器认为是整个Zigbee网络的“大脑”。
7
2.2.1 网络体系 按照OSI模型，Zigbee网络分为4层，从下向上分别
为物理层、媒体访问控制层(MAC)、网络层(NWK)和应用 层。其中物理层和MAC层由IEEE802.15.4标准定义，合称 IEEE802.15.4通信层；网络层和应用层由Zigbee联盟定义。 图2-1所示为Zigbee网络协议架构分层，每一层向它的上层 提供数据和管理服务。
Zigbee协议体系架构是在IEEE802.15.4标准的基础上 建立的，IEEE802.15.4标准定义了Zigbee协议的物理层和 MAC层。
16
因此Zigbee设备应该包括IEEE802.15.4的物理层和MAC层 以及Zigbee堆栈层，其中Zigbee堆栈层包括Zigbee联盟定义 的网络层和应用层以及安全服务商提供的安全服务层。
15
2.2.3 协议架构 Zigbee网络协议体系结构如图2-3所示，协议栈的层
与层之间通过服务接入点(SAP)进行通信。SAP是某一特定 层提供的服务与上层之间的接口。大多数层有两个接口： 数据服务接口和管理服务接口。数据服务接口的目标是向 上层提供所需的常规数据服务；管理服务接口的目标是向 上层提供访问内部层参数、配置和管理数据服务。
21
厂商定义的应用对象功能包括：提供一些必要函数， 为网络层提供合适的服务接口。另外一个重要的功能是应 用者可以在这层定义自己的应用对象。
22
2.3 IEEE802.15.4通信层
IEEE802.15.4规范满足国际标准组织(ISO)开放系统 互联(OSI)参考模式，它定义了Zigbee的物理层和MAC层。
19
二是根据路由拓扑结构，把网络数据单元发送到通 信链路的目的地址设备或通信链路的下一跳地址。
管理服务接口的作用有以下两点： 提供的服务包括配置新设备、创建新网络、设备请 求加入或者离开网络。 允许Zigbee协调器或路由器请求设备离开网络、寻 址、路由发现等功能。
20
3. 应用层 应用层包括三部分：应用支持子层、Zigbee设备对 象和厂商定义的应用对象。 应用支持子层提供了网络层和应用层之间的接口， 包括数据服务接口和管理服务接口。其中管理服务接口提 供设备发现服务和绑定服务，并在绑定的设备之间传送消 息。 Zigbee设备对象功能包括：定义设备在网络中的角 色(比如协调器、路由器或终端设备)，发起和响应绑定请 求，在网络设备之间建立安全机制。另外，还负责发现网 络中的设备，并且向他们提供应用服务。
8
图2-1 Zigbee网络体系架构
9
2.2.2 拓扑结构 Zigbee网络支持三种拓扑结构：星型、树型和网状
型结构，如图2-2所示。 其中： 在星型拓扑结构中，所有的终端设备只和协调器之
间进行通信。 树型网络由一个协调器和多个星型结构连接而成，
设备除了能与自己的父节点或子节点互相通信外，其他只 能通过网络中的树型路由完成通信。
10
图2-2 Zigbee网络拓扑结构
11
网状型网络是在树型网络的基础上实现的。与树状 网络不同的是，它允许网络中所有具有路由功能的节点互 相通信，由路由器中的路由表完成路由查寻过程。
12
1. 星型网络的形成过程 在星型网络中，协调器作为发起设备，协调器一旦 被激活，它就建立一个自己的网络，并作为PAN协调器。 路由设备和终端设备可以选择PAN标识符加入网络。不同 PAN标识符的星型网络中的设备之间不能进行通信。
1. 物理层和MAC层 IEEE802.15.4标准为低速率无线个人域网定义了OSI 模型最底层的两层，即物理层和MAC层，也是Zigbee协议 底部的两层，因此这两层也称为IEEE 802.15.4通信层。其 详细内容见2.3节。
17
图2-3 Zigbee协议体系架构
18
2. 网络层 网络层提供保证IEEE802.15.4 MAC层正确工作的能 力，并为应用层提供合适的服务接口，包括数据服务接口 和管理服务接口。 数据服务接口的作用主要有两点： 一是为应用支持子层的数据添加适当的协议头以便 产生网络协议数据单元。
14
3. 网状型网络的形成过程 在网状型网络中，每个设备都可以与在无线通信范 围内的其他任何设备进行通信。理论上任何一个设备都可 定义为PAN主协调器，设备之间通过竞争的关系竞争PAN 主协调器。但是在实际应用中，用户往往通过软件定义协 调器，并建立网络，路由器和终端设备加入此网络。当协 调器建立起网络之后，其功能和网络中的路由器功能是一 样的，在此网络中的设备之间都可以相互进行通信。
1
第2章 Zigbee技术原理
2.1 概述 2.2 Zigbee网络结构 2.3 IEEE802.15.4通信层 2.4 Zigbee网络层 2.5 Zigbee应用层
2
3
4
2.1 概述wenku.baidu.com
本章主要介绍Zigbee技术原理，这是更深入了解 Zigbee协议的应用以及后续开发的基础。
5
2.2 Zigbee网络结构