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解析ZigBee堆棧架構

52RD.com 2006年3月6日 飛思卡爾半導公司            評論:1條 查看 我來說兩句
  

引言:ZigBee標準定義了一種堆棧協議,這種協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標準中規定的ZigBee堆棧結構。

圖1:ZigBee堆棧架構。

ZigBee堆棧是在IEEE 802.15.4標準基礎上建立的,定義了協議的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(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)。

端點之間的通信是通過稱之為簇的數據結構實現的。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:

每個接口都能接收(用于輸入)或發送(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、消息路由和網絡發現。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,支持關聯和去關聯以及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。

圖2:由模板定義好的設備描述。

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,要求實現高級加密標準(AES)。ZigBee規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堆棧規定的所有功能和支持,我們很容易推測ZigBee堆棧實現需要用到設備中的大量存儲器資源。

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

ZigBee路由器是一種支持關聯的設備,能夠將消息轉發到其它設備。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規范要求的所有功能,因此制造商的重點工作是開發實際的應用。為了更加容易實現,如果制造商使用某種公共模板,那么可用大多數現成的配置。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建自己的模板。

作者:Rogelio Reyna Garcia

應用工程師

飛思卡爾半導公司

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1樓 ZSTHF(游客) 61.141.*.* 發表于 2006-3-11 09:47 回復
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