【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 IEEE 802 系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分成邏輯鏈路控制子層LLC和介質(zhì)接入控制子層MAC兩個(gè)子層。 標(biāo)準(zhǔn)中定義，為802標(biāo)準(zhǔn)系列所共用；而MAC子層協(xié)議則依賴于各自的物理層。LLC子層的主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)包的分段和重組，以及確保數(shù)據(jù)包安順序傳輸。而MAC層功能更加強(qiáng)大：a、 處理MPDU；b、 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器信標(biāo)產(chǎn)生及與協(xié)調(diào)器信標(biāo)同步；c、 ED 、ACTIVE和ORPHAN機(jī)制參與頻道存取，數(shù)據(jù)應(yīng)答重傳機(jī)制；d、 利用CSMA—CA機(jī)制參與頻道存取，數(shù)據(jù)應(yīng)答重傳機(jī)制；e、 處理與維護(hù)保證時(shí)槽機(jī)制；f、 關(guān)聯(lián)和退出關(guān)聯(lián)功能； MPDU 數(shù)據(jù)單元的處理MAC層負(fù)責(zé)分解接受到的MPDU包，并對(duì)來(lái)自NWK層數(shù)據(jù)包進(jìn)行MPDU封裝。MAC層含數(shù)據(jù)幀、命令幀、信標(biāo)幀、應(yīng)答幀，幀格式及不同類型幀的格式特點(diǎn)如下：表23 MAC幀格式[1]字節(jié)：210/20/2/80/20/2/8長(zhǎng)度可變2幀控制域（FCF）幀序列碼接收端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)號(hào)接收端設(shè)備地址發(fā)送端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)號(hào)發(fā)送端設(shè)備地址幀載荷FCS地址域偵頭MAC負(fù)荷幀尾通用的MAC幀（MPDU）格式如表23所示，包括幀頭（MHR）、MAC幀載荷域及幀尾三部分組成。幀頭由幀控制域、序列號(hào)、地址域組成。MAC幀載荷域即為MAC層的有效數(shù)據(jù)單元。幀尾為幀頭和MAC幀負(fù)荷域的16位CRC校驗(yàn)序列FCS）。 表24 幀控制域（FCF）的格式[1]Bits：0~234567~910~1112~1314~15幀類型安全使能幀待決請(qǐng)求確認(rèn)PAN保留目的地址保留源地址注：幀類型：信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、ACK幀、命令幀； 幀待決：定義發(fā)送端是否還有數(shù)據(jù)給接受端；請(qǐng)求確認(rèn)：定義是否要求接收端應(yīng)答（反饋ACK）；PAN：定義是否省略發(fā)送端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)號(hào)（PAN ID）； 目的地址和源地址有三種模式：不含地址、16位網(wǎng)絡(luò)地址、64位IEEE地址；幀序號(hào)為該幀在源設(shè)備中的幀標(biāo)識(shí)符，每個(gè)設(shè)備都有自己的幀序列號(hào)發(fā)生器，序列號(hào)采用循環(huán)計(jì)數(shù)方式，范圍值為00xFF； 地址域包括接受端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備地址，發(fā)送端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)號(hào)和設(shè)備地址。MAC層幀頭的接收端設(shè)備和發(fā)送端設(shè)備屬于單跳關(guān)系。 四種MAC幀格式說(shuō)明：MAC幀含數(shù)據(jù)幀、信標(biāo)幀、ACK幀、命令幀四種幀類型。數(shù)據(jù)幀的幀數(shù)據(jù)單元對(duì)應(yīng)于NWK層幀NPDU（NWK Protocal data unit），信標(biāo)幀、ACK幀、命令幀均由MAC層處理或構(gòu)造。信號(hào)幀：具有父節(jié)點(diǎn)功能的節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送信標(biāo)幀，告知自己的相關(guān)信息，如是否允許新節(jié)點(diǎn)加入。ACK幀：只含幀頭中的幀控制域和序列號(hào)域，及幀尾的FCS校驗(yàn)碼域，由接收方反饋給發(fā)送方，告知某條幀正確接收。命令幀：MAC層的命令幀，其負(fù)荷域由命令I(lǐng)D和具體的命令參數(shù)組成。IEEE ，如表25，其中，物理層的數(shù)據(jù)格式是在MAC層的數(shù)據(jù)格式前加上物理頭以及同步頭兩部分。表25 [1]物理層（PHY）MAC層同步頭（SHR）物理頭MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU）前同步碼：4bSFD：1b幀長(zhǎng)：1b物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PSDU）物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU） MAC層數(shù)據(jù)的傳輸重傳機(jī)制分別實(shí)現(xiàn)了信道的共享及數(shù)據(jù)幀的可靠傳輸。1）、CSMACA傳輸機(jī)制，MAC子層發(fā)送數(shù)據(jù)幀和命令幀須使用CSMACA機(jī)制訪問(wèn)信道，以減少由于幀發(fā)送沖突而帶來(lái)的不必要的能量損耗。CSMACA以包括載波檢測(cè)機(jī)制和隨機(jī)退避規(guī)則，即等待一段隨機(jī)時(shí)間，隨后通過(guò)檢測(cè)物理信道能量來(lái)判斷當(dāng)前信道是否空閑，若當(dāng)前信道空閑，則占用信道并立即發(fā)送幀，否則，再次重復(fù)上述過(guò)程。CSMA/CA通信方式將時(shí)間域的劃分與幀格式緊密聯(lián)系起來(lái)，保證某一時(shí)刻只有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集中控制。CSMA/CA采取了三種檢測(cè)信道空閑的方式：能量檢測(cè)（ED）、載波檢測(cè)（CS）和能量載波混臺(tái)檢測(cè)。能量檢測(cè)（ED）：接收端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行能量大小的判斷，當(dāng)功率大 于某一確定值時(shí)，表示有用戶在占用信道，否則信道為空。載波檢測(cè)（CS）：接收端將接收到的信號(hào)與本機(jī)的偽隨機(jī)碼（PN碼）進(jìn)行 運(yùn)算比較，如果其值超過(guò)某一極限時(shí)，表示有用戶在占用信道，否則認(rèn)為信道 為空。 MAC層使用CSMACA（Carrier Sense Multiple Access with Collision avoidance）機(jī)制和應(yīng)答能量載波檢測(cè)：它是能量檢測(cè)和載波檢測(cè)兩種工作方式的結(jié)合。2）、應(yīng)答重傳機(jī)制為了保證傳輸?shù)目煽啃?。發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)幀或命令幀時(shí)，可以通過(guò)置位幀控制域的Ack request子域，實(shí)現(xiàn)MAC層的幀應(yīng)答重傳。當(dāng)Ackrequest子域?yàn)?時(shí)，不需要接收端反饋ACK幀，發(fā)送端默認(rèn)接收端正確收到數(shù)據(jù)幀，通訊流程如下圖所示。圖23 無(wú)應(yīng)答的成功數(shù)據(jù)傳輸[1]當(dāng)Ack request子域?yàn)?時(shí)，發(fā)送端將幀發(fā)送出去后，開(kāi)啟定時(shí)器，等待接收來(lái)自接收端的應(yīng)答幀（ACK幀）。接收端接收到該幀后，立即向發(fā)送端反饋應(yīng)答幀，并將該接收幀傳給上層。若發(fā)送端在定時(shí)器超時(shí)之前接收到該應(yīng)答幀，確認(rèn)其序列號(hào)與原幀相同后，停止該定時(shí)器計(jì)數(shù)，并向上層反饋一成功確認(rèn)，否則，若發(fā)送端沒(méi)有在有效時(shí)間內(nèi)接收到正確的ACK幀，可嘗試最多aMaxFram eRetries次重傳，若都以失敗告終，則認(rèn)為此次通訊失敗，并向上層發(fā)送失敗確認(rèn)。成功的有應(yīng)答數(shù)據(jù)傳輸如下圖所示。圖24 有應(yīng)答的成功數(shù)據(jù)傳輸[1]MAC層的各種掃描MAC層向上層提供了三種掃描：a、ED（EnergyDetect）掃描：用于PAN建立前選擇合適信道的信道；b、Active掃描：用于獲取物理通訊范圍內(nèi)所有父節(jié)點(diǎn)信標(biāo)幀的信道；c、orphan掃描：用于與父節(jié)點(diǎn)失去聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)重新建立關(guān)聯(lián)；1）、ED掃描ED信道掃描，即對(duì)目標(biāo)信道中接收信號(hào)的功率強(qiáng)度測(cè)量，以得出指定信道現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)的活躍程度。，MAC層接收到該原語(yǔ)，并確認(rèn)其掃描類型為ED掃描后，根據(jù)原語(yǔ)所提供的phyChannelssupported這一通道列表屬性值，對(duì)所有指定的通道進(jìn)行逐一掃描。每個(gè)信道的掃描過(guò)程是先設(shè)置信道號(hào)，然后對(duì)該信道進(jìn)行多次ED測(cè)試，直到耗盡最長(zhǎng)時(shí)間aBasesuperframeDuration*（Zn+l）（n是MLM ），然后將此次所有測(cè)試的最大ED值記錄下來(lái)，作為該信道的ED測(cè)量值。如此，一個(gè)信道測(cè)量完畢，隨后切換到下一信道進(jìn)行新一輪的ED測(cè)試。待phyChannelssupported中的所有信道全部測(cè)試完畢，告知此次ED掃描狀態(tài)結(jié)果。2） 、Active掃描Active信道掃描使得設(shè)備獲取在其物理通訊范圍內(nèi)所有潛在父節(jié)點(diǎn)的 信標(biāo)幀。主要用于起動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)避免PANID沖突，及設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)選擇一最 佳父節(jié)點(diǎn)加入。Active信道掃描過(guò)程，即節(jié)點(diǎn)向外發(fā)送一信標(biāo)請(qǐng)求（beaeon request）命令幀，周邊的所有具有父節(jié)點(diǎn)功能的節(jié)點(diǎn)聽(tīng)到該命令幀后，各自組建一信標(biāo)幀反饋給該節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)等待最多aBasesuperframeDuration*（Zn+1）時(shí)間，（n為Scan Duration）在這段等待時(shí)間內(nèi)，設(shè)備只處理信標(biāo)幀，且將 信標(biāo)幀上的相關(guān)信息記錄到網(wǎng)絡(luò)描述符列表中（PAN Descriptor List）中，同時(shí)還寫入鄰接表中。3） 、orphan掃描當(dāng)節(jié)點(diǎn)與自己的父節(jié)點(diǎn)失去聯(lián)系，它就需要使用orphan掃描嘗試重新建立與原關(guān)聯(lián)父節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系。在orphan掃描期間，該節(jié)點(diǎn)MAC層只處理 接收到的Coordinator realignment命令幀。orphan信道掃描過(guò)程，節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送orphan notification命令幀，只有原父節(jié)點(diǎn)聽(tīng)到該幀后才會(huì)反饋coordinator realignment命令幀，這一過(guò)程只允許在aResponsewaitTime時(shí)間內(nèi)完成。一般情況下，若orphan掃描沒(méi)有成功，則該設(shè)備可重新嘗試orphan掃描或是尋找新的父節(jié)點(diǎn)加入。 Zigbee網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層（NWK）位于媒體訪問(wèn)控制層（MAC）和應(yīng)用層（APL）之間，主 要功能如下： a、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU）處理； b、信息路由； c、組網(wǎng)管理； NPDU 數(shù)據(jù)單元處理 NWK 幀分為數(shù)據(jù)幀和命令幀。 通用的幀類型格式 NWK幀由幀頭和幀負(fù)荷兩部分組成。幀頭包括幀控制域和路由信息域，其 中路由信息域含目標(biāo)端設(shè)備地址，源端設(shè)備地址，路由半徑及序列號(hào)四部分。 NWK幀的幀負(fù)荷域長(zhǎng)度可變，內(nèi)容和長(zhǎng)度取決于幀類型。格式如下圖：表26 通用的NWK 幀格式[5]字節(jié)：22211長(zhǎng)度可變幀控制域目標(biāo)端設(shè)備地址源端設(shè)備地址路由半徑序列號(hào)幀數(shù)據(jù)單元路由信息域NWK頭NWK 負(fù)荷說(shuō)明：a、幀頭的幀控制域含：幀類型，協(xié)議版本，路徑搜索及安全位四個(gè)子域。 幀類型子域：定義了數(shù)據(jù)幀和NWK命令幀； 協(xié)議版本子域：標(biāo)記該協(xié)議的版本號(hào)； 路徑搜索子域：用于決定是否使用路由搜索這一功能；表27 NWK 幀控制域格式[5]位：012567891015幀類型協(xié)議版本路徑搜索保留加密保留b、幀頭中的路由信息域：含目標(biāo)地址、源地址、路由半徑和序列號(hào)；c、目標(biāo)端設(shè)備地址：指該幀最終的目標(biāo)接收端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址；d、源端設(shè)備地址：指該幀最初發(fā)起方的發(fā)送端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址。e、路由半徑域：指出該幀的最大傳輸半徑覆蓋范圍，每被設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)一次，該值就減1，當(dāng)值為0時(shí)，該幀不再被轉(zhuǎn)發(fā)。f、序列號(hào)域：設(shè)備NWK層所定義的幀序列號(hào)，類似于MAC層的幀序列號(hào)，和目標(biāo)端設(shè)備地址及源端設(shè)備地址一起，用于識(shí)別該幀。獨(dú)立的幀類型格式NWK幀包括數(shù)據(jù)幀和命令幀。數(shù)據(jù)幀：其NWK負(fù)荷域?qū)?yīng)于APS層的APDU。命令幀：其NWK負(fù)荷域第一個(gè)字節(jié)為NWK命令標(biāo)識(shí)符，其后為長(zhǎng)度可變的NWK命令負(fù)荷。表28 不同類型NWK幀格式特點(diǎn)[5]NWK幀頭NWK幀負(fù)荷幀類型2字節(jié)6字節(jié)長(zhǎng)度可變數(shù)據(jù)幀幀控制域路由信息域數(shù)據(jù)載荷（APDU）NWK命令幀NWK命令標(biāo)識(shí)符NWK命令負(fù)荷NWK的命令幀目前包括路徑請(qǐng)求、路徑應(yīng)答、路徑錯(cuò)誤和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)四種命令類型。表29 NWK 命令幀[5]命令幀標(biāo)識(shí)符命令幀0x01路徑請(qǐng)求0x02路徑應(yīng)答0x03路徑錯(cuò)誤0x04離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)0x00,0x050xFF保留 組網(wǎng)管理組網(wǎng)管理所涉及到的NWK層功能如下：a、PAN協(xié)調(diào)器（PANCoordinator）負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)；b、PAN協(xié)調(diào)器和路由器需允許設(shè)備加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)；c、PAN協(xié)調(diào)器和路由器負(fù)責(zé)邏輯網(wǎng)絡(luò)地址的分配及鄰接表的維護(hù)；d、網(wǎng)絡(luò)中所有的設(shè)備，都需具備申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)設(shè)備擁有兩個(gè)地址：一個(gè)是64位IEEE物理地址，另一個(gè)是所在PAN里獨(dú)有的16位網(wǎng)絡(luò)地址，也稱短地址（Short address）。網(wǎng)絡(luò)地址是在節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，由其父節(jié)點(diǎn)分配給它。網(wǎng)絡(luò)地址根據(jù)地址分配算法得出，目前主流的地址分配算法為分布式地址分配機(jī)制（Distributed address assignmentmeehanism），地址間的關(guān)系映射出樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的從屬關(guān)系。分布式地址分配機(jī)制，主要基于nwkMaxDepth、nwkMaxehildren及nwkMaxRouters三個(gè)參數(shù)，如下表所示：表210 地址分配算法參數(shù)表[5]參數(shù)名稱簡(jiǎn)稱描述nwkMaxDepthLm網(wǎng)絡(luò)的最大深度nwkMaxehildrenCm表示一個(gè)父節(jié)點(diǎn)的最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)，包括路由或終端子節(jié)點(diǎn)nwkMaxRoutersRm父節(jié)點(diǎn)允許的路由子節(jié)點(diǎn)的最大個(gè)數(shù)由這三個(gè)參數(shù)，得出每層的潛在父節(jié)點(diǎn)（ZR）地址偏