深入浅出Zigbee

ZigBee采用802.15.4标准作为其对等通信的基础。该标准由ZigBee联盟(ZigBee Alliance)开发并管理。ZigBee Alliance是一家投资于该标准并在无线领域进行推广的联合组织，并且日益为业界所关注。不过ZigBee拥有自己独特的应用功能，用户应对此进行充分了解，而不是仓促地将其应用于所有的低功耗无线应用领域。

　　ZigBee最常用作异步通信标准，其具备CSMA/CA通道接入能力，并拥有802.15.4章节所述的所有功能。针对相同市场领域的情况下，相比之下ZigBee可为寻求准担保信息交付、大规模轻松网络集成以及设备间互操作性的开发人员提供众多优势，同时还提供众多802.15.4标准不能直接解决的较高级别网络问题的解决方案。

　　ZigBee网络的实施有三种拓扑，如图3所示。与802.15.4类似，ZigBee支持对等通信与星型配置。ZigBee在802.15.4规范之上添加了路由协议与层级网络寻址方案，可实现群集树拓扑结构（具有相同PAN ID）以及多跳网状网络拓扑。

图1：ZigBee的网络配置

　　这些拓扑结构均由可实现三种逻辑抽象功能之一的802.15.4FFD和RFD节点提供支持。必须为FFD的ZigBee协调器将启动网络和管理网络连接与安全密钥等大多数网络参数，是路由消息不可分割的组成部分。ZigBee路由器也必须为FFD，负责转发往返于其他网络节点的消息，并实现ZigBee网络的网状网特性，同时扩展网络的总体覆盖范围。ZigBee协调器与路由器一般由主电源供电，因为它们应能够在任何时间接收和传输消息。如果预计应用的数据传输是周期性的，则ZigBee也可以采用802.15.4同步网络的TDMA消息传输协议。ZigBee终端设备以RFD方式实施，可以最大限度地减少其占空比和资源要求，从而实现采用电池供电并长期工作的目的。深圳无线龙推出的LBee系列Zigbee无线模块更是让Zigbee应用变得简单。

　　ZigBee理想适用于具有下列要求的应用：

　● 采用标准化的物理层与较低层协议(IEEE 802.15.4)；

　● 标准化的较高层协议（比如网状网拓扑，多跳等）；

　● 全面互操作性，甚至达到应用层级别（公共配置文件）；

　● 设计与开发要求低（仅限于应用）；

　● 技术支持与维护厂商/供应商之间竞争激烈。

　　ZigBee可接受下列劣势：

　● ZigBeel Alliance成员费用；

　 ● 认证费用（如果不专门针对符合ZigBee或者ZigBee认证的产品则无需此费用）；

　● 代码量（功能性的开销可能大到难以使用）；

　● 无线电广播通道限制（限于在IEEEl 802.15.4中指定的通道）。

　　上述所列各项表明需要对许多项目进一步澄清，因此首先对标准化的较高层协议进行描述。与802.15.4相比，如图4所示，ZigBee可向上实施至OSI无线应用网络模型的传输层，甚至能够达到部分会话层。

图2：ZigBee的OSI网络模型。

　　对802.15.4协议最突出的三项新特性是网状网路由算法，一个功能强大的安全实施，以及应用级抽象以在目标市场领域中实现设备与可互操作"应用配置文件"的强大关联性。

　　ZigBee网络的网状网路由算法使其成为网络上终端设备之间数据交付的极可靠方式。除了能够在网络中确保分组交付的可选端到端确认，ZigBee还定义了能够围绕故障节点进行通信的路由发现算法，这也称为ZigBee的通信自愈能力。路由发现是一种可由任何路由器设备启动并始终针对特定目的地执行的最短路径算法。计算的原理是由于每个节点都一直保留着至所有相邻设备的"链接成本"记录，其中链接成本是测量所接收信号的信号强度。累加沿路由所有链接的链接成本就可得出"路由成本"，并可计算网络中每个路由的路由成本。

　　节点可以通过向其相邻设备广播针对特定目的地的路由请求(RREQ)数据包来请求路由发现。每当某节点接收RREQ时，其就会向路由成本累加其链接成本，然后再相应广播RREQ。这种情况将反复进行，直至所有RREQ均到达目的地设备。然后目的地设备将选择路由成本最低的RREQ数据包，并广播路由回复(Route Reply)。当RREP数据包返回至源地，所有中间节点将更新它们的路由表，指示通往目的地的路由。这样，节点可丢失至下一跳的连接，并向网络发送路由错误(RERR)数据包，以便在下一次有人试图向其发送消息时，就会启动新的路由发现。

ZigBee可实施广泛的安全措施。ZigBee采用三种安全性密钥，即用于长期安全性的主密钥、加入网络的网络密钥，以及用于对等通信的加密密钥。采用AES-128位加密标准执行加密。在检验消息的完整性方面，ZigBee采用MIC-128，即消息完整性代码。此外，通过使用协调器作为信任中心从单个节点管理所有安全性