ZigBee協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層的研究與實現(xiàn)

1. 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線技術(shù)逐漸取代有線技術(shù)，僅支持靜態(tài)固定拓撲的無線網(wǎng)絡(luò)也逐漸被支持動態(tài)變化拓撲的無線網(wǎng)絡(luò)取代。在短距離的無線控制、監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，通用的技術(shù)有802.11、藍牙、HomeRF等，它們各有自己的優(yōu)勢，但仍然存在功耗大、組網(wǎng)能力差等劣勢。為了彌補上述協(xié)議的不足，ZigBee聯(lián)盟于2004年12月中旬推出基于IEEE 802.15.4的ZigBee協(xié)議棧。 ZigBee短距離低速無線個域網(wǎng)（Low Rate-Wireless Personal Area Network，LR-WPAN）不僅具有低成本、低功耗、低速率、低復(fù)雜度的特點；而且具有可靠性高，組網(wǎng)簡單、靈活的優(yōu)勢。本文將介紹ZigBee協(xié)議棧并提出網(wǎng)絡(luò)層的具體實現(xiàn)方案。

2. ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)

本節(jié)將在介紹IEEE 802.15.4標(biāo)準和ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上，重點分析ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)及其工作機制。

2.1 IEEE 802.15.4標(biāo)準

IEEE 802.15.4標(biāo)準[1]于2003年5月制定完成，它滿足國際標(biāo)準化組織 (ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型，主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。IEEE 802.15.4協(xié)議與其他無線網(wǎng)絡(luò)相比，突出的優(yōu)點是：組網(wǎng)能力強，適應(yīng)面廣，可靠性高，節(jié)能性好。

2.2 ZigBee協(xié)議棧

完整的Zigbee協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和高層應(yīng)用規(guī)范組成。

圖1 ZigBee協(xié)議棧

如圖1所示，ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用程序接口等由ZigBee聯(lián)盟制定。其中安全層（Security）主要實現(xiàn)密鑰管理、存取等功能。應(yīng)用程序接口負責(zé)向用戶提供簡單的應(yīng)用軟件接口（API），包括應(yīng)用子層支持（Application Sub-layger Support，APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZigBee Device Object，ZDO）等，實現(xiàn)應(yīng)用層對設(shè)備的管理。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)

ZigBee協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能，支持Cluster-Tree，AODVjr，Cluster-Tree＋AODVjr等多種路由算法，支持星形（Star）、樹形（Cluster-Tree）、網(wǎng)格（Mesh）等多種拓撲結(jié)構(gòu)。

Cluster-Tree（簇－樹）是一種由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Coordinator）展開生成樹狀網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，適合于節(jié)點靜止或者移動較少的場合，屬于靜態(tài)路由，不需要存儲路由表。AODVjr算法是針對AODV[5,6]（Ad hoc按需距離矢量路由協(xié)議）算法的改進，考慮到節(jié)能、應(yīng)用方便性等因素，簡化了AODV的一些特點，但是仍然保持AODV的原始功能。表1是兩種算法的優(yōu)缺點比較。

表1 Cluster-Tree和AODVjr的優(yōu)缺點比較

Cluster-Tree＋AODVjr路由算法匯聚了Cluster-Tree和AODVjr的優(yōu)點。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點被分成四種類型：Coordinator、RN+、RN－、RFD（RN：Routing Node，路由節(jié)點；RFD：Reduced Function Device）。其中Coordinator的路由算法跟RN+相同，Coordinator、RN+和RN－都是全功能節(jié)點（FFD: Full Function Device），能給其他節(jié)點充當(dāng)路由節(jié)點；RFD只能充當(dāng)Cluster-Tree的葉子（Leaf Node）。如果待發(fā)送數(shù)據(jù)的目標(biāo)節(jié)點是自己的鄰居，直接通信即可；反之，如果不是自己的鄰居時，三種類型的節(jié)點處理數(shù)據(jù)包各不相同：RN+可以啟動AODVjr，主動查找到目標(biāo)節(jié)點的最佳路由，且它可以扮演路由代理（Routing Agent）的角色，幫助其他節(jié)點查找路由；RN-只能使用Cluster-Tree算法，它可以通過計算，判斷該交給數(shù)據(jù)包請自己的父節(jié)點還是某個子節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)；而RFD只能把數(shù)據(jù)交給父節(jié)點，請其轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2為Cluster-Tree＋AODVjr算法時網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸示意圖。節(jié)點E發(fā)送數(shù)據(jù)包給節(jié)點D，數(shù)字代表各種包發(fā)送的時間先后次序。從圖中可以看出，節(jié)點E的類型是RFD，它只能將數(shù)據(jù)DATA傳送給其父節(jié)點C。C的類型是RN+，所以它先把數(shù)據(jù)放入緩存后，再通過組播AODVjr路由請求包RREQ查找到節(jié)點D的路由，節(jié)點D再通過單播沿最短的路徑D-B-C給節(jié)點C回復(fù)AODVjr路由應(yīng)答包RREP。節(jié)點C找到路由后，把緩存數(shù)據(jù)沿C-B-D發(fā)送給節(jié)點D，節(jié)點D再沿D-B-C-E發(fā)送確認包ACK給節(jié)點E，節(jié)點E收到確認包后，整個通信過程結(jié)束。

圖2 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸示意圖

3.網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)

作者已在符合IEEE 802.15.4的硬件平臺上實現(xiàn)ZigBee協(xié)議棧，成功研發(fā)出ZigBee開發(fā)包（ZigBee Development Kit，ZDK）,驗證了其可行性。同時，根據(jù)一些特定的應(yīng)用將算法改進，取得良好的運用效果。本節(jié)將重點介紹ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的實現(xiàn)。

3.1無線模塊的設(shè)計

根據(jù)不同類型節(jié)點功能不同的特點，作者在不同的硬件平臺設(shè)計模塊。設(shè)計制作的ZigBee系列模塊完全滿足IEEE 802.15.4和ZigBee協(xié)議的規(guī)范要求，符合ISM/SRD規(guī)范，通過美國FCC認證。模塊集無線收發(fā)器、微處理器、存儲器和用戶API等軟硬件于一體，能實現(xiàn)1.0版ZigBee協(xié)議棧的功能。Coordinator可以連接使用ARM處理器開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，功能較多的路由節(jié)點（RN+，RN-）由高檔單片機充當(dāng)，功能較少的葉子節(jié)點（RFD）使用普通的單片機。模塊還可以根據(jù)實際需要，工作在不同的睡眠模式和節(jié)能方式。

圖3是模塊的硬件設(shè)計框圖，射頻芯片采用Chipcon公司生產(chǎn)的符合IEEE 802.15.4標(biāo)準的模塊CC2420；控制射頻芯片的微處理器，可以根據(jù)需要選擇Atmel公司的AVR系列單片機或者Silicon Labs公司的8051內(nèi)核單片機。單片機與射頻芯片之間通過SPI進行通信，連接速率是6Mbps。單片機與外部設(shè)備之間通過串口進行通信，連接速率是38.4kbps。單片機自帶若干ADC或者溫度傳感器，可以實現(xiàn)簡單的模數(shù)轉(zhuǎn)換或者溫度監(jiān)控。為了方便代碼移植到不同的硬件平臺，模塊固件采用標(biāo)準C語言編寫代碼實現(xiàn)。

圖3 ZigBee模塊框圖

3.2網(wǎng)絡(luò)的建立

ZigBee網(wǎng)絡(luò)最初是由協(xié)調(diào)器發(fā)動并且建立。協(xié)調(diào)器首先進行信道掃描（Scan），采用一個其他網(wǎng)絡(luò)沒有使用的空閑信道，同時規(guī)定Cluster-Tree的拓撲參數(shù)，如最大的兒子數(shù)（Cm）、最大層數(shù)（Lm）、路由算法、路由表生存期等。

圖4 節(jié)點加入及脫離網(wǎng)絡(luò)握手示意圖

圖4是設(shè)計的節(jié)點加入及脫離網(wǎng)絡(luò)握手示意圖。協(xié)調(diào)器啟動后，其他普通節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，只要將自己的信道設(shè)置成與現(xiàn)有的協(xié)調(diào)器使用的信道相同，并提供正確的認證信息，即可請求加入（Join）網(wǎng)絡(luò)。一個節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，可以從其父節(jié)點得到自己的短MAC地址，ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址以及協(xié)調(diào)器規(guī)定的拓撲參數(shù)。同理，一個節(jié)點要離開（Leave）網(wǎng)絡(luò)，只須向其父節(jié)點提出請求即可。一個節(jié)點若成功地接收一個兒子，或者其兒子成功脫離網(wǎng)絡(luò)，都必須向協(xié)調(diào)器匯報。因此，協(xié)調(diào)器可以即時掌握網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點信息，維護網(wǎng)絡(luò)信息庫（PIB，PAN Information Base）。