【文章內容簡介】 IEEE 802 系列標準把數據鏈路層分成邏輯鏈路控制子層LLC和介質接入控制子層MAC兩個子層。 標準中定義，為802標準系列所共用；而MAC子層協議則依賴于各自的物理層。LLC子層的主要功能是進行數據包的分段和重組，以及確保數據包安順序傳輸。而MAC層功能更加強大：a、 處理MPDU；b、 網絡協調器信標產生及與協調器信標同步；c、 ED 、ACTIVE和ORPHAN機制參與頻道存取，數據應答重傳機制；d、 利用CSMA—CA機制參與頻道存取，數據應答重傳機制；e、 處理與維護保證時槽機制；f、 關聯和退出關聯功能； MPDU 數據單元的處理MAC層負責分解接受到的MPDU包，并對來自NWK層數據包進行MPDU封裝。MAC層含數據幀、命令幀、信標幀、應答幀，幀格式及不同類型幀的格式特點如下：表23 MAC幀格式[1]字節(jié)：210/20/2/80/20/2/8長度可變2幀控制域（FCF）幀序列碼接收端設備網絡號接收端設備地址發(fā)送端設備網絡號發(fā)送端設備地址幀載荷FCS地址域偵頭MAC負荷幀尾通用的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、地址域組成。MAC幀載荷域即為MAC層的有效數據單元。幀尾為幀頭和MAC幀負荷域的16位CRC校驗序列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求確認PAN保留目的地址保留源地址注：幀類型：信標幀、數據幀、ACK幀、命令幀； 幀待決：定義發(fā)送端是否還有數據給接受端；請求確認：定義是否要求接收端應答（反饋ACK）；PAN：定義是否省略發(fā)送端設備網絡號（PAN ID）； 目的地址和源地址有三種模式：不含地址、16位網絡地址、64位IEEE地址；幀序號為該幀在源設備中的幀標識符，每個設備都有自己的幀序列號發(fā)生器，序列號采用循環(huán)計數方式，范圍值為00xFF； 地址域包括接受端設備網絡和設備地址，發(fā)送端設備網絡號和設備地址。MAC層幀頭的接收端設備和發(fā)送端設備屬于單跳關系。 四種MAC幀格式說明：MAC幀含數據幀、信標幀、ACK幀、命令幀四種幀類型。數據幀的幀數據單元對應于NWK層幀NPDU（NWK Protocal data unit），信標幀、ACK幀、命令幀均由MAC層處理或構造。信號幀：具有父節(jié)點功能的節(jié)點通過發(fā)送信標幀，告知自己的相關信息，如是否允許新節(jié)點加入。ACK幀：只含幀頭中的幀控制域和序列號域，及幀尾的FCS校驗碼域，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，其負荷域由命令ID和具體的命令參數組成。IEEE ，如表25，其中，物理層的數據格式是在MAC層的數據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協議數據單元（MPDU）前同步碼：4bSFD：1b幀長：1b物理層服務數據單元（PSDU）物理層協議數據單元（PPDU） MAC層數據的傳輸重傳機制分別實現了信道的共享及數據幀的可靠傳輸。1）、CSMACA傳輸機制，MAC子層發(fā)送數據幀和命令幀須使用CSMACA機制訪問信道，以減少由于幀發(fā)送沖突而帶來的不必要的能量損耗。CSMACA以包括載波檢測機制和隨機退避規(guī)則，即等待一段隨機時間，隨后通過檢測物理信道能量來判斷當前信道是否空閑，若當前信道空閑，則占用信道并立即發(fā)送幀，否則，再次重復上述過程。CSMA/CA通信方式將時間域的劃分與幀格式緊密聯系起來，保證某一時刻只有一個站點發(fā)送，實現了網絡系統(tǒng)的集中控制。CSMA/CA采取了三種檢測信道空閑的方式：能量檢測（ED）、載波檢測（CS）和能量載波混臺檢測。能量檢測（ED）：接收端對接收到的信號進行能量大小的判斷，當功率大 于某一確定值時，表示有用戶在占用信道，否則信道為空。載波檢測（CS）：接收端將接收到的信號與本機的偽隨機碼（PN碼）進行 運算比較，如果其值超過某一極限時，表示有用戶在占用信道，否則認為信道 為空。 MAC層使用CSMACA（Carrier Sense Multiple Access with Collision avoidance）機制和應答能量載波檢測：它是能量檢測和載波檢測兩種工作方式的結合。2）、應答重傳機制為了保證傳輸的可靠性。發(fā)送端發(fā)送數據幀或命令幀時，可以通過置位幀控制域的Ack request子域，實現MAC層的幀應答重傳。當Ackrequest子域為0時，不需要接收端反饋ACK幀，發(fā)送端默認接收端正確收到數據幀，通訊流程如下圖所示。圖23 無應答的成功數據傳輸[1]當Ack request子域為1時，發(fā)送端將幀發(fā)送出去后，開啟定時器，等待接收來自接收端的應答幀（ACK幀）。接收端接收到該幀后，立即向發(fā)送端反饋應答幀，并將該接收幀傳給上層。若發(fā)送端在定時器超時之前接收到該應答幀，確認其序列號與原幀相同后，停止該定時器計數，并向上層反饋一成功確認，否則，若發(fā)送端沒有在有效時間內接收到正確的ACK幀，可嘗試最多aMaxFram eRetries次重傳，若都以失敗告終，則認為此次通訊失敗，并向上層發(fā)送失敗確認。成功的有應答數據傳輸如下圖所示。圖24 有應答的成功數據傳輸[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所有父節(jié)點信標幀的信道；c、orphan掃描：用于與父節(jié)點失去聯系的節(jié)點重新建立關聯；1）、ED掃描ED信道掃描，即對目標信道中接收信號的功率強度測量，以得出指定信道現存網絡的活躍程度。，MAC層接收到該原語，并確認其掃描類型為ED掃描后，根據原語所提供的phyChannelssupported這一通道列表屬性值，對所有指定的通道進行逐一掃描。每個信道的掃描過程是先設置信道號，然后對該信道進行多次ED測試，直到耗盡最長時間aBasesuperframeDuration*（Zn+l）（n是MLM ），然后將此次所有測試的最大ED值記錄下來，作為該信道的ED測量值。如此，一個信道測量完畢，隨后切換到下一信道進行新一輪的ED測試。待phyChannelssupported中的所有信道全部測試完畢，告知此次ED掃描狀態(tài)結果。2） 、Active掃描Active信道掃描使得設備獲取在其物理通訊范圍內所有潛在父節(jié)點的 信標幀。主要用于起動網絡時避免PANID沖突，及設備加入網絡選擇一最 佳父節(jié)點加入。Active信道掃描過程，即節(jié)點向外發(fā)送一信標請求（beaeon request）命令幀，周邊的所有具有父節(jié)點功能的節(jié)點聽到該命令幀后，各自組建一信標幀反饋給該節(jié)點，該節(jié)點等待最多aBasesuperframeDuration*（Zn+1）時間，（n為Scan Duration）在這段等待時間內，設備只處理信標幀，且將 信標幀上的相關信息記錄到網絡描述符列表中（PAN Descriptor List）中，同時還寫入鄰接表中。3） 、orphan掃描當節(jié)點與自己的父節(jié)點失去聯系，它就需要使用orphan掃描嘗試重新建立與原關聯父節(jié)點的聯系。在orphan掃描期間，該節(jié)點MAC層只處理 接收到的Coordinator realignment命令幀。orphan信道掃描過程，節(jié)點首先發(fā)送orphan notification命令幀，只有原父節(jié)點聽到該幀后才會反饋coordinator realignment命令幀，這一過程只允許在aResponsewaitTime時間內完成。一般情況下，若orphan掃描沒有成功，則該設備可重新嘗試orphan掃描或是尋找新的父節(jié)點加入。 Zigbee網絡層 網絡層（NWK）位于媒體訪問控制層（MAC）和應用層（APL）之間，主 要功能如下： a、網絡層協議數據單元（NPDU）處理； b、信息路由； c、組網管理； NPDU 數據單元處理 NWK 幀分為數據幀和命令幀。 通用的幀類型格式 NWK幀由幀頭和幀負荷兩部分組成。幀頭包括幀控制域和路由信息域，其 中路由信息域含目標端設備地址，源端設備地址，路由半徑及序列號四部分。 NWK幀的幀負荷域長度可變，內容和長度取決于幀類型。格式如下圖：表26 通用的NWK 幀格式[5]字節(jié)：22211長度可變幀控制域目標端設備地址源端設備地址路由半徑序列號幀數據單元路由信息域NWK頭NWK 負荷說明：a、幀頭的幀控制域含：幀類型，協議版本，路徑搜索及安全位四個子域。 幀類型子域：定義了數據幀和NWK命令幀； 協議版本子域：標記該協議的版本號； 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：含目標地址、源地址、路由半徑和序列號；c、目標端設備地址：指該幀最終的目標接收端設備的網絡地址；d、源端設備地址：指該幀最初發(fā)起方的發(fā)送端設備的網絡地址。e、路由半徑域：指出該幀的最大傳輸半徑覆蓋范圍，每被設備轉發(fā)一次，該值就減1，當值為0時，該幀不再被轉發(fā)。f、序列號域：設備NWK層所定義的幀序列號，類似于MAC層的幀序列號，和目標端設備地址及源端設備地址一起，用于識別該幀。獨立的幀類型格式NWK幀包括數據幀和命令幀。數據幀：其NWK負荷域對應于APS層的APDU。命令幀：其NWK負荷域第一個字節(jié)為NWK命令標識符，其后為長度可變的NWK命令負荷。表28 不同類型NWK幀格式特點[5]NWK幀頭NWK幀負荷幀類型2字節(jié)6字節(jié)長度可變數據幀幀控制域路由信息域數據載荷（APDU）NWK命令幀NWK命令標識符NWK命令負荷NWK的命令幀目前包括路徑請求、路徑應答、路徑錯誤和離開網絡四種命令類型。表29 NWK 命令幀[5]命令幀標識符命令幀0x01路徑請求0x02路徑應答0x03路徑錯誤0x04離開網絡0x00,0x050xFF保留 組網管理組網管理所涉及到的NWK層功能如下：a、PAN協調器（PANCoordinator）負責建立網絡；b、PAN協調器和路由器需允許設備加入和離開網絡；c、PAN協調器和路由器負責邏輯網絡地址的分配及鄰接表的維護；d、網絡中所有的設備，都需具備申請加入網絡和離開網絡的功能。ZigBee網絡，每個設備擁有兩個地址：一個是64位IEEE物理地址，另一個是所在PAN里獨有的16位網絡地址，也稱短地址（Short address）。網絡地址是在節(jié)點加入網絡時，由其父節(jié)點分配給它。網絡地址根據地址分配算法得出，目前主流的地址分配算法為分布式地址分配機制（Distributed address assignmentmeehanism），地址間的關系映射出樹狀網絡節(jié)點間的從屬關系。分布式地址分配機制，主要基于nwkMaxDepth、nwkMaxehildren及nwkMaxRouters三個參數，如下表所示：表210 地址分配算法參數表[5]參數名稱簡稱描述nwkMaxDepthLm網絡的最大深度nwkMaxehildrenCm表示一個父節(jié)點的最大子節(jié)點數，包括路由或終端子節(jié)點nwkMaxRoutersRm父節(jié)點允許的路由子節(jié)點的最大個數由這三個參數，得出每層的潛在父節(jié)點（ZR）地址偏