Zigbee协议栈中文说明

2019-07-20 17:02发布

1.概述

1.1解析ZigBee堆栈架构ZigBee堆栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的,定义了协议的MAC和PHY层。ZigBee设备应该包括IEEE802.15.4(该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信)的PHY和MAC层,以及ZigBee堆栈层:网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层。图1-1给出了这些组件的概况。
1.1.1ZigBee堆栈层
每个ZigBee设备都与一个特定模板有关,可能是公共模板或私有模板。这些模板定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的簇。公共模板可以确保不同供应商的设备在相同应用领域中的互操作性。
    设备是由模板定义的,并以应用对象(Application Objects)的形式实现(见图1-1)。每个应用对象通过一个端点连接到ZigBee堆栈的余下部分,它们都是器件中可寻址的组件 图1-1 zigbe堆栈框架
从应用角度看,通信的本质就是端点到端点的连接(例如,一个带开关组件的设备与带一个或多个灯组件的远端设备进行通信,目的是将这些灯点亮)。
端点之间的通信是通过称之为簇的数据结构实现的。这些簇是应用对象之间共享信息所需的全部属性的容器,在特殊应用中使用的簇在模板中有定义。图1-1-2就是设备及其接口的一个例子:

图1-1-2每个接口都能接收(用于输入)或发送(用于输出)簇格式的数据。一共有二个特殊的端点,即端点0和端点255。端点0用于整个ZigBee设备的配置和管理。应用程序可以通过端点0与ZigBee堆栈的其它层通信,从而实现对这些层的初始化和配置。附属在端点0的对象被称为ZigBee设备对象(ZD0)。端点255用于向所有端点的广播。端点241到254是保留端点。
所有端点都使用应用支持子层(APS)提供的服务。APS通过网络层和安全服务提供层与端点相接,并为数据传送、安全和绑定提供服务,因此能够适配不同但兼容的设备,比如带灯的开关。
APS使用网络层(NWK)提供的服务。NWK负责设备到设备的通信,并负责网络中设备初始化所包含的活动、消息路由和网络发现。应用层可以通过ZigBee设备对象(ZD0)对网络层参数进行配置和访问。
1.1.2  802.15.4 MAC层
IEEE 802.15.4标准为低速率无线个人域网(LR-WPAN)定义了OSI模型开始的两层。PHY层定义了无线射频应该具备的特征,它支持二种不同的射频信号,分别位于2450MHz波段和868/915MHz波段。2450MHz波段射频可以提供250kbps的数据速率和16个不同的信道。868/915MHz波段中,868MHz支持1个数据速率为20kbps的信道,915MHz支持10个数据速率为40kbps的信道。
MAC层负责相邻设备间的单跳数据通信。它负责建立与网络的同步,支持关联和去关联以及MAC层安全:它能提供二个设备之间的可靠链接。
1.1.3  关于服务接入点
ZigBee堆栈的不同层与802.15.4 MAC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。
ZigBee堆栈的大多数层有两个接口:数据实体接口和管理实体接口。数据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务。管理实体接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。
1.1.4  ZigBee的安全性
安全机制由安全服务提供层提供。然而值得注意的是,系统的整体安全性是在模板级定义的,这意味着模板应该定义某一特定网络中应该实现何种类型的安全。
每一层(MAC、网络或应用层)都能被保护,为了降低存储要求,它们可以分享安全钥匙。SSP是通过ZD0进行初始化和配置的,要求实现高级加密标准(AES)。ZigBee规范定义了信任中心的用途。信任中心是在网络中分配安全钥匙的一种令人信任的设备。
1.1.5  ZigBee堆栈容量和ZigBee设备
根据ZigBee堆栈规定的所有功能和支持,我们很容易推测ZigBee堆栈实现需要用到设备中的大量存储器资源。 不过ZigBee规范定义了三种类型的设备,每种都有自己的功能要求:ZigBee协调器是启动和配置网络的一种设备。协调器可以保持间接寻址用的绑定表格,支持关联,同时还能设计信任中心和执行其它活动。一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器。
ZigBee路由器是一种支持关联的设备,能够将消息转发到其它设备。ZigBee网格或树型网络可以有多个ZigBee路由器。ZigBee星型网络不支持ZigBee路由器。
ZigBee端终设备可以执行它的相关功能,并使用ZigBee网络到达其它需要与其通信的设备。它的存储器容量要求最少。然而需要特别注意的是,网络的特定架构会戏剧性地影响设备所需的资源。NWK支持的网络拓扑有星型、树型和网格型。在这几种网络拓扑中,星型网络对资源的要求最低。
ZigBee堆栈应该可以提供ZigBee规范要求的所有功能,因此制造商的重点工作是开发实际的应用。为了更加容易实现,如果制造商使用某种公共模板,那么可用大多数现成的配置。如果没有合适的公共模板,则可以充分利用其它模板已经做过的工作创建自己的模板。
ZigBee协议栈体系包含一系列的层元件,其中有IEEE802.15.4 2003标准中的MAC层和PHY层,当然也包括ZigBee组织设计的NWK层。每个层的元件有其特定的服务功能。本说明描述内容涉及ZigBee协议栈的各层元件,但侧重于描述最具实际和理论探讨性的APL应用层和NWK网络层。图1-1为ZigBee栈结构框图。



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19条回答
说书先生
2019-07-21 19:49
2.3.3功能描述
2.3.3.1接受和拒绝
应用程序框架能通过APS子层的数据服务过滤到达的帧,且仅存在对在每个活动的(active)端点上执行的应用有影响的帧。
应用程序框架通过APSDEDATA.indication原语从APS子层接收数据,且被标定为一个特殊的端点(DstEndpoint参数)和一个特殊的profile(ProfileId参数)。
如果应用程序框架为一个不活动的端点接收一个帧,丢弃该帧。否则,应用程序框架应确定是否规定profile标识符与在规定的端点上执行的profile标识相匹配。如果profile标识符不匹配,那么应用程序框架拒绝该帧。反之,应用程序框架应传递接收到的帧的载荷到执行在规定端点的应用。





2.5ZigBee设备对象(ZDO)
2.5.1范围
本小节介绍在ZigBee应用支持子层和网络层顶端执行ZigBee设备对性应用需要的概念、结构和原语。
ZDO是使用网络和应用支持层原语执行ZigBee终端设备、路由器和协调器的一个应用。
ZDOProfile使用簇来描述它的原语。ZigBee设备Profile簇不使用属性,且同在消息传输协议里的消息类似。在ZigBee设备中使用簇标识符来列举在ZDO中使用的消息。
ZDO也使用配置属性。这些属性不是任何簇的元素。在ZDO中的配置属性是由应用或者是栈Profile设置的配置参数。虽然配置属性和ZigBee设备Profile都由ZDO来使用,但是配置属性和ZigBee设备Profile无关。
2.5.2设备对象描述
ZDO是应用解决方案,驻扎在ZigBee协议栈中的APL层和APS层之上,如图1.1所示。
ZDO有以下功能:
(1)初始化应用支持子层(APS),网络层(NWK),安全服务提供(SSP)和任何其他ZigBee设备层而不是驻扎在端点1-240的终端应用。
(2)从终端应用中集合配置信息来确定和执行下节描述的功能。
2.5.2.1最初的发现高速缓冲器设备操作(Primary Discovery Cache)
最初的发现高速缓冲器设备是通过设备的配置和在节点描述符里的advertisement来指定的。最初的发现高速缓冲器设备操作作为一个状态机,这个状态机是关于客户机希望使用最初的发现高速缓冲器。如下的状态和操作,如图2.99描述的,应被最初的发现高速缓冲器设备支持:
1.未发现的:
    客户使用有限的半径广播到所有的RxOnWhenIdle设备消息Discovery Register请求来定位在请求提供的半径范围内的Primary Discovery Cache设备
2. 发现的:
客户使用单播发现高速缓存器请求,这个请求是定向到Discovery Cache设备,这个设备白含它愿意存储的发现高速缓存器信息的大小。Discovery Cache Device将响应,参数是SUCCESS或者TABLE_FULL。
3.已注册的:
当客户从Discovery Cache设备接收到SUCCESS状态,这个状态就从先前的Discovery Cache请求处到达。客户现在必须使用节点描述符(NodeDescriptor)存储请求、电源描述符存储请求、活动的端点存储请求和简单描述符存储请求上载它的发现信息来激活Primary Discovery Cache设备为了它自己的利益来充分的响应。
4.未注册的:
客户(或任何其他设备)也许请求不被注册。移动节点高速缓存器(Remove Node Cache)请求移动设备从Primary Discovery Cache设备。
Primary Discovery Cache设备响应设备和它支持的所有注册的客户的服务发现请求。Find Node Cache请求被想定位设备和为了已给设备的服务发现请求的客户使用。注意如果发现信息被设备本身保持,设备也必须响应来确认它自己作为发现信息的储藏。见图2.99为状态机处理Primary Discovery Cache设备的详细信息。

2.5.2.2设备和服务发现
在一个单独的PAN里,这个功能将支持设备和服务发现。另外,对于ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备类型,这个功能将做如下处理:
(1)在每一使用休眠的ZigBee终端设备、ZigBee路由器(或ZigBee协调器)的网络,必须被设计作为如它们的节点描述符描述的Primary Discovery Cache Devices。这些Primary Cache Devices 是它们自己可发现的,且提供服务器服务来上载和存储代表休眠的ZigBee终端设备的发现信息。另外Primary Cache Devices响应代表休眠Zigbee]终端设备的发现请求。每一个Primary Discovery Cache Device是ZigBee路由器或者ZigBee协调器。
(2)对于被:Config_Node_Power,设备和服务发现指示想要休眠的ZigBee终端设备将管理被ZigBee终端设备选择的Primary Discovery Cache设备上的网络地址、IEEE地址、活动节点、简单描述符、节点描述符和电源描述符的上载和存储来允许在这些休眠设备上的设备和服务发现操作。
(3)对于被设计作为Primary Discovery Cache Device的ZigBee协调器和ZigBee路由器,这个功能将代表休眠ZigBee终端设备响应发现请求,这些终端设备已经注册和上载了它们的发现信息。
(4)对于所有的ZigBee设备、设备和服务发现将支持设备和从其他设备过过来的服务发现请求,且允许从其他本地的应用对象过来的请求的产生。注意设备和服务发现服务是由Primary Discovery Cache设备代表其他ZigBee终端设备提供的。万一Primary Discovery Cache Device是请求的目标,那么NWKAddrOfInterest或者Interest域的设备将被请求和/或响应填满来区分从设备来的请求的目标,这个设备是发现的目标。将支持下边的发现特性:
(1)设备发现:
——以ZigBee协调器或者路由器IEEE地址的一个单播询问为基础,被请求设备的IEEE地址,随机的,所有联合设备的网络地址将被返回。
——以ZigBee终端设备的IEEE地址的一个单播询问为基础,被请求的设备的IEEE地址被返回。
——以ZigBee协调器或者带有一个已经提供的IEEE地址的路由器网络地址的一个多播询问(任何广播地址类型)为基础,被请求的设备的网络地址,随机的,所有联合设备的网络地址将被返回。
——以带有已经提供的IEEE地址的ZigBee终端设备的网络地址的广播查询(任何广播地址类型)为基础。被请求设备的网络地址被返回。响应的设备将使用APS层为单播响应已知的服务来广播查询。
(2)服务发现:以如下的输入为基础,相应的响应被提供:
——网络层地址加上(plus)活动的端点查询类型——指定设备将返回在那个设备里的所有应用的端点数。
——网络层地址或广播地址(任何广播地址类型)加上服务匹配,这些匹配包括Profile ID和随意的,输入和输出簇——指定的设备匹配带有所有活动的端点的Profile ID来确定一个匹配。如果没有输入或者输出簇被规定,匹配请求的端点被返回。如果那些匹配的输入和/或输出簇在请求里被提供,且任何匹配在带有提供匹配的设备上的端点列表的响应里被提供。响应的设备应该使用APS层已知的服务,这服务是为了单播响应到广播查询的。万一应用profiles想列举输入簇和它们的带有相同簇标识符的响应输出簇,应用profile将仅仅在为服务发现目的的简单标识符里列出输入簇。在这些情况下它将被采用,应用profile提供关于输入和响应输出的簇标识符的使用的细节。
——网络层地址加上节点标识符或标识符查询类型——指定的地址将为设备返回联合端点的简单标识符。
——随意的,网络层地址加上复杂或者使用者标识符查询类型——如果支持,指定的地址将为设备返回复杂或者使用者标识符。
2.5.2.3安全管理
这个功能确定是否使能安全,如果使能,将做如下处理:
建立钥匙
传输钥匙
请求钥匙
更新设备
移动设备
转换钥匙
安全管理功能按安全服务规范执行。安全管理由ZDO发出APSME原语来执行,步骤如下:
与信托中心通信(假定是ZigBee协调器)来获得Master Key,在设备和信托中心之间(如果设备是ZigBee协调器或者信托中心的Master Key被重新分配这一步忽略)。这一步使用传输钥匙原语。
与信托中心建立一个Link Key。这一步使用APSMEEstablish-Key原语。
从信托中心获得网络钥匙使用安全的通信与信托中心。这一步使用APSME-TRANSPORT-KEY原语。
作为必须的,建立Link Key和Master Key与在网络中被确定为消息的目的的指定的设备。这步使用APSMEESTABLISH-KEY和/或APSME-REQUEST-KEY原语。
使用APSMEDEVICE-UPDATE通知任何一个设备的信托中心连接网络。这个功能只有设备是ZigBee路由器时才执行。
允许设备使用APSMEREQUEST-KEY原语从信托中心获得钥匙。
允许信托中心从网络中移动设备,使用APSME-REMOVE-DEVICE原语。
允许信托中心转换active的网络钥匙,使用APSMESWITCH-KEY原语。
2.5.2.4网络管理
这个功能将执行ZigBee协调器、ZigBee路由器或者ZigBee终端设备逻辑设备类型根据已确定的配置设置,通过程序应用或者在安装期间。如果设备类型是一个ZigBee协调器或者Zigbee终端设备,这个功能将提供选择一个存在的PAN来加入和如果网络通信断开执行允许设备重新加入的程序的能力。如果设备类型是ZigBee协调器或者是Zigbee路由器,这个功能将提供为一个新的PAN建立选择一个未用的信道。注意在没有一个设备是预先指定为协调器的情况下,配置一个网络是可能的,这时,第一个全功能设备(FFD)被确定为ZigBee协调器的角 {MOD}。网络管理做如下处理:
允许为网络信道列表的规定扫描程序。缺省值是规定在已选择的操作联合的所有信道的使用。
管理网络扫描程序来确定邻居网络和它们协调器和路由器的一致性。
允许一个信道的选择来启动一个PAN(ZigBee协调器)或者一个存在的PAN的选择来连接(ZigBee路由器或者Zigbee终端设备)。
支持孤点和扩展的程序来重新连接网络,包括支持可携带的内部PAN。
也许支持直接连接。对于ZigBee协调器和ZigBee路由器,直接连接的一个本地版本被支持来使能设备通过孤点或者重新连接流程来加入网络。
2.5.2.5绑定管理
绑定管理执行下列任务:
为绑定表建立一个资源值。这个资源值是通过程序应用或通过一个在安装期间定义的配置参数确定的。
从APS绑定表增加或者减少实体处理绑定请求。
从外部应用支持绑定和解绑定命令,如那些是主机在一个PDA上来支持协助绑定。绑定和解绑定命令将通过ZigBee设备Profile(见2.4节)被支持。
对于ZigBee协调器,支持终端设备绑定,这绑定允许以按钮按压或其他手动菜单为基础的绑定。
2.5.2.6节点管理
对于Zigbee协调器和路由器,节点管理功能执行以下步骤:
允许遥控操作命令来执行网络发现
提供遥控操作命令来重新获得路由表
提供遥控操作命令来重新获得绑定表
提供一个遥控操作命令来使一个设备离开网络或者是命令另一个设备离开网络
提供一个遥控操作命令来重新获得LQI,是为这个遥远的设备的邻居获得的。
允许源设备向一个初始化绑定表高速缓冲寄存器登记的能力来保持他们自己绑定表
允许配置工具把一个设备换成另一个设备,这个设备是在所有的绑定表入口中,这个入口涉及到他。
允许初始化绑定表高速缓冲寄存器备份和恢复个人绑定入口或者入口绑定表或者保持他们自己绑定表的源设备的表
提供一个遥控操作命令来允许或者禁止连接一个特殊的路由器;或者通常允许或者禁止通过信托中心连接

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