ZigBee自組網(wǎng)地址分配與路由協(xié)議技術(shù)詳解

1. ZigBee簡介

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。

ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。其中物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2. ZigBee設(shè)備類型

ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含：

協(xié)調(diào)器（ZC）

路由器（ZR）

終端設(shè)備（ZED）

2.1 協(xié)調(diào)器

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器主要作用是建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。存儲網(wǎng)絡(luò)信息。是整個網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證中心。

2.2 路由器

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中路由器主要作用是網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展功能。在障礙周圍動態(tài)路由，為遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)的提供信息通道。

2.3 終端設(shè)備

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備是一個僅接收信息和發(fā)送信息的簡易功能的ZigBee設(shè)備。它只能處于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的末端，并且只能與其父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，可支持低功耗功能，沒有路由能力和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)能力。

3. ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)可分為：星型網(wǎng)，樹狀網(wǎng)，網(wǎng)狀網(wǎng)（MESH網(wǎng)）。

（特別提示：星型和樹狀網(wǎng)絡(luò)適合點(diǎn)多多點(diǎn)、距離相對較近的應(yīng)用）

3.1星型網(wǎng)

ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦聢D所示。星形拓?fù)涫亲詈唵蔚囊环N拓?fù)湫问?，他包含一個Coordinator（協(xié)調(diào)者） 節(jié)點(diǎn)和一系列的 End Device（終端）節(jié)點(diǎn)。每一個End Device 節(jié)點(diǎn)只能和 Coordinator 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。如果需要在兩個 End Device 節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通訊必須通過Coordinator 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)。

這種拓?fù)湫问降娜秉c(diǎn)是節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一的一個路徑。Coordinator（協(xié)調(diào)者）有可能成為整個網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。實(shí)現(xiàn)星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳恍枰褂?zigbee 的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，因?yàn)楸旧鞩EEE 802.15.4的協(xié)議層就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了星形拓?fù)湫问?，但是這需要開發(fā)者在應(yīng)用層作更多的工作，包括自己處理信息的轉(zhuǎn)發(fā)。

ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3.2 樹狀網(wǎng)

ZigBee樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦聢D所示。樹狀拓?fù)浒ㄒ粋€Coordinator（協(xié)調(diào)者）以及一系列的 Router（路由器） 和 End Device（終端）節(jié)點(diǎn)。Coordinator 連接一系列的 Router 和 End Device， 他的子節(jié)點(diǎn)的 Router也可以連接一系列的 Router 和End Device. 這樣可以重復(fù)多個層級。

需要注意的是：

Coordinator 和 Router節(jié)點(diǎn)可以包含自己的子節(jié)點(diǎn)。

End Device 不能有自己的子節(jié)點(diǎn)。

有同一個父節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)之間稱為兄弟節(jié)點(diǎn)

有同一個祖父節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)之間稱為堂兄弟節(jié)點(diǎn)

每一個節(jié)點(diǎn)都只能和他的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間通訊。

如果需要從一個節(jié)點(diǎn)向另一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的祖先節(jié)點(diǎn)然后再向下傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

這種拓?fù)浞绞降娜秉c(diǎn)就是信息只有唯一的路由通道。另外信息的路由是由協(xié)議棧層處理的，整個的路由過程對于應(yīng)用層是完全透明的

ZigBee樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3.3網(wǎng)狀網(wǎng)

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)淙缦聢D所示。網(wǎng)狀拓?fù)浒粋€Coordinator和一系列的Router 和End Device。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问胶蜆錉钔負(fù)湎嗤?；請參考上面所提到的樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。但是，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂懈屿`活的信息路由規(guī)則，在可能的情況下，路由節(jié)點(diǎn)之間可以直接的通訊。這種路由機(jī)制使得信息的通訊變得更有效率，而且意味這一旦一個路由路徑出現(xiàn)了問題，信息可以自動的沿著其他的路由路徑進(jìn)行傳輸。

通常在支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)上，網(wǎng)絡(luò)層會提供相應(yīng)的路由探索功能，這一特性使得網(wǎng)絡(luò)層可以找到信息傳輸?shù)淖顑?yōu)化的路徑。需要注意的是，以上所提到的特性都是由網(wǎng)絡(luò)層來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用層不需要進(jìn)行任何的參與。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能；

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

4. ZigBee地址分配機(jī)制

ZigBee 2007協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制為樹狀網(wǎng)絡(luò)分配機(jī)制，其主要實(shí)現(xiàn)為：

假設(shè)子設(shè)備數(shù)量的最大值nwkMaxChildren(Cm），網(wǎng)絡(luò)最大深度為nwkMaxDepth(Lm），父節(jié)點(diǎn)將路由設(shè)備作為它的子設(shè)備的最大數(shù)為nwkMaxRouters(Rm)，自身網(wǎng)絡(luò)深度(d)，則可計(jì)算函數(shù)Cskip(d)m，該函數(shù)為在給定網(wǎng)絡(luò)深度和路由子設(shè)備個數(shù)的條件下福設(shè)備所能分配子區(qū)段地址數(shù)：

如果一個設(shè)備Cskip(d)的值為0，則沒有路由能力，該設(shè)備為終端設(shè)備；

如果一個設(shè)備Cskip(d)的值大于0，則有路由能力，該設(shè)備為路由器設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)中分配地址為（n為當(dāng)前分配節(jié)點(diǎn)個數(shù)）

終端：An=Ak+1+Cskip(d)*(n-1)

路由器：An=Ak+Cskip(d)*Rm*(n-1);

下一個路由器設(shè)備分配地址為前一個已分配路由器地址加Cskip偏移量

CurNodeInfo.NextRouterAddr+ = CurNodeInfo.Cskip;

下一個要分配的終端設(shè)備地址為前一個已知分配地址+1

CurNodeInfo.NextEndDevAddr++;

5. ZigBee樹狀路由機(jī)制

假設(shè)一個路由器要發(fā)送數(shù)據(jù)包到目標(biāo)地址D。這個路由器的網(wǎng)絡(luò)地址個網(wǎng)絡(luò)深度為A和d。它首先會判斷目標(biāo)地址設(shè)備是否是它的子設(shè)備，應(yīng)當(dāng)滿足：

A < D < A+Cskip(d-1)

如果目標(biāo)設(shè)備是它的子設(shè)備，下一跳地址就是

否則，路由器將此數(shù)據(jù)包發(fā)向它的父節(jié)點(diǎn)。

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