1、會計學1zigbeeMACNWKLayers網絡層物理層網絡層物理層簡介簡介IEEE 802.15.4 MAC Layer分層結構與功能2. 基于超幀的mac層通信3. MAC幀結構第1頁/共22頁MAC Layer分層結構MLME：MAC Layer Management EntityMAC-PIB：MAC PAN Information BaseMAC層層 Medium Access Control，即介質訪問控制子層。與邏輯鏈路控制LLC組成數據鏈路層。 負責把物理層的“0”、“1”比特流組建成幀；提供對共享介質的訪問方法；分配MAC地址。的的MAC層層 提供兩種服務： MAC層數據服務

2、層數據服務保證MAC協議數據單元在物理層數據服務中的正確收發； MAC層管理服務（層管理服務（MLME）維護一個存儲MAC子層協議狀態相關信息的數據庫。第2頁/共22頁MAC Layer分層結構層主要功能：層主要功能：產生網絡信標（如果設備是協調器）使設備與信標同步（根據協調器的信標幀）信道接入采用CSMA-CA接入機制處理和維護GTS機制在對等的MAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路支持設備與PAN的連接和斷開連接（GTS，超幀同步分配時槽）支持設備的安全性第3頁/共22頁MAC Layer超幀超幀結構超幀結構(3+1)：1. 信標幀（ beacon ）：網絡協調器發出；超幀將持續的時間及GT

3、S的分配2. 信道競爭周期（CAP）：動態調整3. 信道無競爭周期（CFP）：動態調整，信標使能時才存在4. 不活躍：設備間不通信，休眠以節能固定有保證時隙（固定有保證時隙（GTS）第4頁/共22頁超幀MAC Layer信道競爭周期信道競爭周期: CSMA-CA訪問機制：載波偵聽多路訪問沖突避免；you can you up, no can you wait ; 信標使能，同步網絡，基于時槽slot；非使能，非同步網絡，隨機時間（無CFP無協調器，類似ad-hoc）各設備節點通過CSMA/CA機制來接入信道，（信標幀、數據傳送應答幀，），處于信道競爭周期中的所有的數據發送事務必須在CAP 結束

4、之前的一個完整幀間間隔內完成。信道無競爭周期信道無競爭周期(信標使能信標使能): 協調器根據中設備申請GTS的情況，將非競爭時段劃分成若干個GTS。每個GTS由若干個時槽組成，時槽數目在設備申請GTS時指定。第5頁/共22頁MAC Layer各類幀結構網絡共定義了四種類型的幀：信標幀，數據幀，確認幀和MAC命令幀。 幀類型：由幀頭（ MAC header (MHR) ）、負載（ MAC payload ）和幀尾（ MAC footer (MFR) ）三部分組成。幀頭幀頭由 幀控制信息、幀序列號和地址信息組成。負載負載具有可變長度，具體內容由幀類型決定。幀尾幀尾是幀頭和負載數據的16位CRC校驗

5、序列 幀結構設計目標：用最低復雜度實現在多噪聲無線信道環境下的可靠數據傳輸。 通用結構：第6頁/共22頁The Zigbee NWK Layer結構與功能2. 節點和網絡拓撲類型3. 網絡路由的實現第7頁/共22頁NWK Layer結構位置第8頁/共22頁NWK Layer結構與功能 ZigBee的網絡層的網絡層 ISO制定的網絡層：制定的網絡層：解決網絡間的通信問題，提供路由，即最佳路徑主要功能主要功能：節點連接和斷開網絡里所采用的機制；傳輸安全性；設備之間的路由發現和維護和轉交向應用層提供服務接入點（SAP），網絡層提供了兩個必要的功能服務實體網絡層數據實體（網絡層數據實體（NLDE）和網

6、絡層管理實體（網絡層管理實體（NLME）第9頁/共22頁NWK Layer具體功能網絡層數據實體（網絡層數據實體（NLDE）生成網絡層協議數據單元（生成網絡層協議數據單元（NPDU），網絡層數據實體通過增加一個適當的協議頭，從應用支持層協議數據單元中生成網絡層的數據單元指定拓撲傳輸路由指定拓撲傳輸路由，網絡層數據實體能夠發送一個網絡層的協議數據單元到一個合適的設備，該設備可以是最終的目的通信設備，也可能是通信鏈路中的一個中間通信設備。網絡層管理實體（網絡層管理實體（NLME）配置一個新的設備。配置一個新的設備。為保證設備正常工作的需要，設備應該具有足夠堆棧，以滿足配置的需要。配置選項包括對一個

7、ZigBee協調器和連接一個現有網絡設備的初始化操作。初始化一個網絡初始化一個網絡，使之具有建立一個新網絡的能力。連接和斷開網絡連接和斷開網絡，具有連接或者斷開一個網絡的能力，以及為建立一個ZigBee協調器或者ZigBee路由器，具有要求設備同網絡斷開的能力。尋址尋址。ZigBee協調器和ZigBee路由器具有為新加入網絡的設備分配地址的能力。鄰居設備發現鄰居設備發現。具有發現記錄和匯報有關一跳鄰居設備信息的能力。路由發現路由發現。具有發現和記錄有效地傳送信息的網絡路由能力。接收控制接收控制。具有控制設備接收機接收狀態的能力，即控制接收機什么時間接收，接收時間的長短，以保證MAC層的同步長或

8、者正常接收等。第10頁/共22頁NWK Layer節點和拓撲 節點類型節點類型ZigBee 協調者（協調者（ZC）每個ZigBee 網絡必須有一個建立初始化網絡信息配置（路由器）ZigBee 路由器路由器(ZR)路由信息管理維護ZigBee 終端節點（終端節點（ZED）a) 向路由傳遞數據；睡眠和喚醒 網絡拓撲結構（網絡拓撲結構（Topology）Hierarchical (Tree) Topologymesh topologyStar topology第11頁/共22頁樹路由 樹型路由機制樹型路由機制包括 配置樹型地址 和 樹型地址的路由網絡地址分配機制網絡地址分配機制分布式的地址分配機制，

9、即每個父設備擁有一個有限的網絡地址段，從中選擇一些地址給子設備根據四個參數深度深度(d) 、最大深度最大深度(Lm) 、最大子節點數最大子節點數(Cm)和最大子路由器數最大子路由器數(Rm)來計算新節點的地址，尋址尋址的時候根據地址就能計算出路徑路由方向向子節點發送或者向父節點發送。NWK Layer第12頁/共22頁NWK Layer樹路由第13頁/共22頁 樹型地址的路由樹型地址的路由樹路由NWK Layer第14頁/共22頁Z-AODV 能量平衡路由 AODV 能量平衡路由能量平衡路由協議協議AODVAODV(ad-hoc on-demand distance vector)協議在 DS

10、DV協議（逐跳路由、序列號、定期廣播機制）基礎上，加入了DSR的按需路由發現和維護機制。與 DSDV 保存完整的路由表不同的是，AODV 通過建立按需路由來減少路由廣播的次數;與DSR相比，AODV 的好處在于源路由并不需要包括在每一個數據包中，這樣會降低路由協議的開銷。 Z-AODV 能量平衡路由能量平衡路由Z-AODV 算法是針對 AODV 改進?；诼窂降哪芰肯牡穆酚?，考慮到節能、應用方便性等因素，簡化了 AODV 的一些特點，但仍保持 AODV 的原始功能。NWK Layer第15頁/共22頁路由成本路由成本Z-AODV 能量平衡路由NWK Layer第16頁/共22頁mesh路由

11、ZigBee 網絡中將二者結合，使用 Z-AODV 和分等級的樹型（Tree）路由相結合的混合路由方法，構成網格型拓撲結構（Mesh）的網絡。具體實現方法是在數據幀幀頭的DiscoverRouter域指定路由。該域可以是如下三種值： Mesh路由路由 抑制路由發現： 原路由或tree路由 使能路由發現： 原路由或Z-AODV 路由算法初始化路由發現 強制路由發現： Z-AODV 路由算法初始化路由發現源節點通過廣播發送源節點通過廣播發送RREQ分組，具有路由功能的節點收到此信息后，建立反響路由，并轉發分組，具有路由功能的節點收到此信息后，建立反響路由，并轉發RREQ分組，并將源節點到此節點的路

12、由開銷添加到路由搜索表和分組，并將源節點到此節點的路由開銷添加到路由搜索表和RREQ中中直到目的節點收到此直到目的節點收到此RREQ，根據路由開銷選擇路由開銷最少的反向路由，將，根據路由開銷選擇路由開銷最少的反向路由，將RREP發送給源節點，中間節點收到發送給源節點，中間節點收到RREP也要添加此節點到目的節點的路由開銷到路由搜索表和也要添加此節點到目的節點的路由開銷到路由搜索表和RREP中，最終到達源節點。路由搜索表清楚，各個節點路由表建立。中，最終到達源節點。路由搜索表清楚，各個節點路由表建立。NWK Layer第17頁/共22頁NWK Layermesh路由流程圖 FFD維護三張路由表：維護三張路由表：路由表路由表：包含此條路由下一跳節點地址，路由狀態，目的地址。路由搜索表路由搜索表：在路由表建立過程中存在。鄰居表鄰居表： 保存一張鄰居節點列表，用來存儲此節點傳輸范圍內其它節點的信息。 節點交互的分組：節點交互的分組：路由請求分組路由應答分組路由出錯分組第18頁/共22頁NWK Layermesh路由流程圖第19頁/共22頁字節：222110/80/80/1變長