解析ZigBee堆棧架構

　　ZigBee標準定義了一種堆棧協(xié)議，這種協(xié)議能夠確保無線設備在低成本、低功耗和低數據速率網絡中的互操作性。本文簡要說明ZigBee標準中規(guī)定的ZigBee堆棧結構。

　　ZigBee堆棧是在IEEE 802.15.4標準基礎上建立的，定義了協(xié)議的MAC和PHY層。ZigBee設備應該包括IEEE802.15.4(該標準定義了RF射頻以及與相鄰設備之間的通信)的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層：網絡層(NWK)、應用層和安全服務提供層。圖1給出了這些組件的概況。

ZigBee堆棧層

　　每個ZigBee設備都與一個特定模板有關，可能是公共模板或私有模板。這些模板定義了設備的應用環(huán)境、設備類型以及用于設備間通信的簇。公共模板可以確保不同供應商的設備在相同應用領域中的互操作性。

　　設備是由模板定義的，并以應用對象(Application Objects)的形式實現(xiàn)(見圖)。每個應用對象通過一個端點連接到ZigBee堆棧的余下部分，它們都是器件中可尋址的組件。

　　從應用角度看，通信的本質就是端點到端點的連接(例如，一個帶開關組件的設備與帶一個或多個燈組件的遠端設備進行通信，目的是將這些燈點亮)。

圖1：ZigBee堆棧架構。

　　端點之間的通信是通過稱之為簇的數據結構實現(xiàn)的。這些簇是應用對象之間共享信息所需的全部屬性的容器，在特殊應用中使用的簇在模板中有定義。圖2就是設備及其接口的一個例子：

圖2：由模板定義好的設備描述。

　　每個接口都能接收(用于輸入)或發(fā)送(用于輸出)簇格式的數據。一共有二個特殊的端點，即端點0和端點255。端點0用于整個ZigBee設備的配置和管理。應用程序可以通過端點0與ZigBee堆棧的其它層通信，從而實現(xiàn)對這些層的初始化和配置。附屬在端點0的對象被稱為ZigBee設備對象(ZD0)。端點255用于向所有端點的廣播。端點241到254是保留端點。

　　所有端點都使用應用支持子層(APS)提供的服務。APS通過網絡層和安全服務提供層與端點相接，并為數據傳送、安全和綁定提供服務，因此能夠適配不同但兼容的設備，比如帶燈的開關。

　　APS使用網絡層(NWK)提供的服務。NWK負責設備到設備的通信，并負責網絡中設備初始化所包含的活動、消息路由和網絡發(fā)現(xiàn)。應用層可以通過ZigBee設備對象(ZD0)對網絡層參數進行配置和訪問。

802.15.4 MAC層

　　IEEE 802.15.4標準為低速率無線個人域網(LR-WPAN)定義了OSI模型開始的兩層。PHY層定義了無線射頻應該具備的特征，它支持二種不同的射頻信號，分別位于2450MHz波段和868/915MHz波段。2450MHz波段射頻可以提供250kbps的數據速率和16個不同的信道。868/915MHz波段中，868MHz支持1個數據速率為20kbps的信道，915MHz支持10個數據速率為40kbps的信道。

　　MAC層負責相鄰設備間的單跳數據通信。它負責建立與網絡的同步，支持關聯(lián)和去關聯(lián)以及MAC層安全：它能提供二個設備之間的可靠鏈接。

關于服務接入點

    　ZigBee堆棧的不同層與802.15.4 MAC通過服務接入點(SAP)進行通信。SAP是某一特定層提供的服務與上層之間的接口。

　　ZigBee堆棧的大多數層有兩個接口：數據實體接口和管理實體接口。數據實體接口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數據服務。管理實體接口的目標是向上層提供訪問內部層參數、配置和管理數據的機制。

ZigBee的安全性

　　安全機制由安全服務提供層提供。然而值得注意的是，系統(tǒng)的整體安全性是在模板級定義的，這意味著模板應該定義某一特定網絡中應該實現(xiàn)何種類型的安全。

　　每一層(MAC、網絡或應用層)都能被保護，為了降低存儲要求，它們可以分享安全鑰匙。SSP是通過ZD0進行初始化和配置的，要求實現(xiàn)高級加密標準(AES)。ZigBee規(guī)范定義了信任中心的用途。信任中心是在網絡中分配安全鑰匙的一種令人信任的設備。

ZigBee堆棧容量和ZigBee設備

　　根據ZigBee堆棧規(guī)定的所有功能和支持，我們很容易推測ZigBee堆棧實現(xiàn)需要用到設備中的大量存儲器資源。

　　不過ZigBee規(guī)范定義了三種類型的設備，每種都有自己的功能要求：ZigBee協(xié)調器是啟動和配置網絡的一種設備。協(xié)調器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關聯(lián)，同時還能設計信任中心和執(zhí)行其它活動。一個ZigBee網絡只允許有一個ZigBee協(xié)調器。

　　ZigBee路由器是一種支持關聯(lián)的設備，能夠將消息轉發(fā)到其它設備。ZigBee網格或樹型網絡可以有多個ZigBee路由器。ZigBee星型網絡不支持ZigBee路由器。

　　ZigBee端終設備可以執(zhí)行它的相關功能，并使用ZigBee網絡到達其它需要與其通信的設備。它的存儲器容量要求最少。

　　然而需要特別注意的是，網絡的特定架構會戲劇性地影響設備所需的資源。NWK支持的網絡拓撲有星型、樹型和網格型。在這幾種網絡拓撲中，星型網絡對資源的要求最低。

本文小結

　　ZigBee堆棧應該可以提供ZigBee規(guī)范要求的所有功能，因此制造商的重點工作是開發(fā)實際的應用。為了更加容易實現(xiàn)，如果制造商使用某種公共模板，那么可用大多數現(xiàn)成的配置。如果沒有合適的公共模板，則可以充分利用其它模板已經做過的工作創(chuàng)建自己的模板。