第三部分

　　本文第一部分和第二部分討論了網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)，其中包括開(kāi)放系統(tǒng)互連 （OSI） 網(wǎng)絡(luò)模式、低功耗網(wǎng)絡(luò)和802.15.4的特點(diǎn)與選用標(biāo)準(zhǔn)（如應(yīng)用層問(wèn)題、穩(wěn)健性/可靠性）以及如何根據(jù)這些選擇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較判斷。第三部分將討論 zigbee 和 SimpliciTI，并將提供如何選擇協(xié)議的相應(yīng)例子。

　　zigbee

　　zigbee 采用 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)作為其對(duì)等通信的基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)由 zigbee 聯(lián)盟 （zigbee Alliance） 開(kāi)發(fā)并管理。zigbee Alliance 是一家投資于該標(biāo)準(zhǔn)并在無(wú)線領(lǐng)域進(jìn)行推廣的聯(lián)合組織，并且日益為業(yè)界所關(guān)注。不過(guò)zigbee 擁有自己獨(dú)特的應(yīng)用功能，用戶應(yīng)對(duì)此進(jìn)行充分了解，而不是倉(cāng)促地將其應(yīng)用于所有的低功耗無(wú)線應(yīng)用領(lǐng)域。

　　zigbee 最常用作異步通信標(biāo)準(zhǔn)，其具備 CSMA/CA 通道接入能力，并擁有 802.15.4 章節(jié)所述的所有功能。針對(duì)相同市場(chǎng)領(lǐng)域的情況下，相比之下 zigbee 可為尋求準(zhǔn)擔(dān)保信息交付、大規(guī)模輕松網(wǎng)絡(luò)集成以及設(shè)備間互操作性的開(kāi)發(fā)人員提供眾多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還提供眾多 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)不能直接解決的較高級(jí)別網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的解決方案。

　　zigbee 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施有三種拓?fù)?，如圖 9 所示。與 802.15.4 類(lèi)似，zigbee 支持對(duì)等通信與星型配置。zigbee 在 802.15.4 規(guī)范之上添加了路由協(xié)議與層級(jí)網(wǎng)絡(luò)尋址方案，可實(shí)現(xiàn)群集樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（具有相同PAN ID）以及多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

　　這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均由可實(shí)現(xiàn)三種邏輯抽象功能之一的 802.15.4 FFD 和 RFD 節(jié)點(diǎn)提供支持。必須為 FFD 的zigbee 協(xié)調(diào)器將啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)連接與安全密鑰等大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，是路由消息不可分割的組成部分。zigbee 路由器也必須為 FFD，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)往返于其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的消息，并實(shí)現(xiàn) zigbee 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)特性，同時(shí)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的總體覆蓋范圍。zigbee 協(xié)調(diào)器與路由器一般由主電源供電，因?yàn)樗鼈儜?yīng)能夠在任何時(shí)間接收和傳輸消息。如果預(yù)計(jì)應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸是周期性的，則 zigbee 也可以采用 802.15.4 同步網(wǎng)絡(luò)的TDMA 消息傳輸協(xié)議。zigbee 終端設(shè)備以 RFD 方式實(shí)施，可以最大限度地減少其占空比和資源要求，從而實(shí)現(xiàn)采用電池供電并長(zhǎng)期工作的目的。

　　zigbee 理想適用于具有下列要求的應(yīng)用：

　　采用標(biāo)準(zhǔn)化的物理層與較低層協(xié)議 （IEEE 802.15.4）

　　標(biāo)準(zhǔn)化的較高層協(xié)議（比如網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)洌嗵龋?/p>

　　全面互操作性，甚至達(dá)到應(yīng)用層級(jí)別（公共配置文件）

　　設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)要求低（僅限于應(yīng)用）

　　技術(shù)支持與維護(hù)廠商/供應(yīng)商之間競(jìng)爭(zhēng)激烈

　　zigbee 可接受下列劣勢(shì)：

　　zigbee Alliance 成員費(fèi)用

　　認(rèn)證費(fèi)用（如果不專(zhuān)門(mén)針對(duì)符合 zigbee 或者 zigbee 認(rèn)證的產(chǎn)品則無(wú)需此費(fèi)用）

　　代碼量（功能性的開(kāi)銷(xiāo)可能大到難以使用）

　　無(wú)線電廣播通道限制（限于在 IEEE 802.15.4 中指定的通道）

　　上述所列各項(xiàng)表明需要對(duì)許多項(xiàng)目進(jìn)一步澄清，因此首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的較高層協(xié)議進(jìn)行描述。與 802.15.4 相比，如圖 10 所示，zigbee 可向上實(shí)施至 OSI 無(wú)線應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)模型的傳輸層，甚至能夠達(dá)到部分會(huì)話層。

　　對(duì) 802.15.4 協(xié)議最突出的三項(xiàng)新特性是網(wǎng)狀網(wǎng)路由算法，一個(gè)功能強(qiáng)大的安全實(shí)施，以及應(yīng)用級(jí)抽象以在目標(biāo)市場(chǎng)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)設(shè)備與可互操作“應(yīng)用配置文件”的強(qiáng)大關(guān)聯(lián)性。

　　zigbee 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)路由算法使其成為網(wǎng)絡(luò)上終端設(shè)備之間數(shù)據(jù)交付的極可靠方式。除了能夠在網(wǎng)絡(luò)中確保分組交付的可選端到端確認(rèn)，zigbee 還定義了能夠圍繞故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的路由發(fā)現(xiàn)算法，這也稱為zigbee 的通信自愈能力。路由發(fā)現(xiàn)是一種可由任何路由器設(shè)備啟動(dòng)并始終針對(duì)特定目的地執(zhí)行的最短路徑算法。計(jì)算的原理是由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都一直保留著至所有相鄰設(shè)備的“鏈接成本”記錄，其中鏈接成本是測(cè)量所接收信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度。累加沿路由所有鏈接的鏈接成本就可得出“路由成本”，并可計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)路由的路由成本。

　　節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)向其相鄰設(shè)備廣播針對(duì)特定目的地的路由請(qǐng)求 （RREQ） 數(shù)據(jù)包來(lái)請(qǐng)求路由發(fā)現(xiàn)。每當(dāng)某節(jié)點(diǎn)接收 RREQ 時(shí)，其就會(huì)向路由成本累加其鏈接成本，然后再相應(yīng)廣播 RREQ。這種情況將反復(fù)進(jìn)行，直至所有 RREQ 均到達(dá)目的地設(shè)備。然后目的地設(shè)備將選擇路由成本最低的 RREQ 數(shù)據(jù)包，并廣播路由回復(fù) （Route Reply）。當(dāng) RREP 數(shù)據(jù)包返回至源地，所有中間節(jié)點(diǎn)將更新它們的路由表，指示通往目的地的路由。這樣，節(jié)點(diǎn)可丟失至下一跳的連接，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送路由錯(cuò)誤 （RERR） 數(shù)據(jù)包，以便在下一次有人試圖向其發(fā)送消息時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)新的路由發(fā)現(xiàn)。

　　zigbee 可實(shí)施廣泛的安全措施。zigbee 采用三種安全性密鑰，即用于長(zhǎng)期安全性的主密鑰、加入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)密鑰，以及用于對(duì)等通信的加密密鑰。采用 AES-128 位加密標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行加密。在檢驗(yàn)消息的完整性方面，zigbee 采用 MIC-128，即消息完整性代碼。此外，通過(guò)使用協(xié)調(diào)器作為信任中心從單個(gè)節(jié)點(diǎn)管理所有安全性，網(wǎng)絡(luò)還能夠定期選擇對(duì)對(duì)稱加密密鑰進(jìn)行更新，從而實(shí)現(xiàn)安全通信的無(wú)限管理。

　　不過(guò)，應(yīng)用級(jí)抽象可能是 zigbee 最具有競(jìng)爭(zhēng)力的特性?？梢詫?duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯編以容納多達(dá) 270 個(gè)“端點(diǎn)”或者應(yīng)用。舉例來(lái)說(shuō)，每個(gè)端點(diǎn)都可以代表一個(gè)電燈開(kāi)關(guān)或者一個(gè)燈泡（燈泡 01、燈泡 02 等）。每個(gè)端點(diǎn)可以接受任意類(lèi)型的數(shù)據(jù)，也可以發(fā)送任意類(lèi)型的數(shù)據(jù)。從某端點(diǎn)輸出到另一端點(diǎn)的輸入數(shù)據(jù)有單個(gè)描述符，一般稱為群集 （Cluster）。為繼續(xù)使用燈泡作為例子，假定被命名為“l(fā)ight_status_on_off”的燈泡開(kāi)關(guān)狀態(tài)是這些稱為群集的數(shù)據(jù)描述符之一。然后，每個(gè)端點(diǎn)就可以根據(jù)端點(diǎn) ID （1-270） 及其群集列表（接收或者傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型）進(jìn)行描述。在群集匹配的情況下，就可以進(jìn)行一對(duì)一或者一對(duì)多端點(diǎn)的邏輯綁定。在該例中，某一燈泡開(kāi)關(guān)可以與任一或者所有被描述為支持“l(fā)ight_status_on_off”群集的燈泡邏輯綁定。這種應(yīng)用級(jí)的一對(duì)一或者一對(duì)多綁定是 zigbee 協(xié)議功能強(qiáng)大的特性。

　　如果 zigbee Alliance 當(dāng)時(shí)定義了群集列表和解釋端點(diǎn)間群集流的方法，就可以為特定應(yīng)用（如電燈開(kāi)關(guān)/電燈泡等）指定標(biāo)準(zhǔn)，且無(wú)需擔(dān)心用于實(shí)施應(yīng)用的具體硬件。zigbee Alliance 正好已經(jīng)完成了這項(xiàng)任務(wù)，將這些標(biāo)準(zhǔn)稱為應(yīng)用配置文件，從而不僅使來(lái)自不同廠商的應(yīng)用能夠完全實(shí)現(xiàn)互操作性，而且還加強(qiáng)了zigbee 低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)市場(chǎng)領(lǐng)域的整體競(jìng)爭(zhēng)性。

　　如果互操作性不是設(shè)計(jì)人員的主要意圖，zigbee Alliance 還可以讓設(shè)計(jì)人員定義不共享的企業(yè)專(zhuān)用型應(yīng)用配置文件。為簡(jiǎn)明扼要，我們就不對(duì) zigbee 實(shí)施的其他特性進(jìn)行詳細(xì)討論了，這些特性包括群組尋址、頻率捷變、會(huì)話故障的自動(dòng)重加入和協(xié)議最新版本 zigbee 2007（也稱為 zigbee PRO）提供的系列附加特性。zigbee PRO 基本上仍屬于 zigbee 標(biāo)準(zhǔn)范疇，但在編輯時(shí)增加了用于優(yōu)化支持超大網(wǎng)絡(luò)集成的特性。如欲了解更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn) zigbee Alliance 網(wǎng)站：www.zigbee.org。

　　采用 zigbee 協(xié)議進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的劣勢(shì)包括與開(kāi)發(fā) zigbee 產(chǎn)品相關(guān)的成本：按年支付給 zigbee Alliance的成員費(fèi)用、認(rèn)證產(chǎn)品是否符合 zigbee 的費(fèi)用以及協(xié)議本身的存儲(chǔ)器占用。zigbee 協(xié)議加載的特性很難在每項(xiàng)應(yīng)用中都得到充分利用，從而在定制解決方案的情況下需要設(shè)計(jì)額外的存儲(chǔ)器資源。在某些情況下，對(duì)存儲(chǔ)器與資源的要求甚至可以限制到最終應(yīng)用級(jí)。因此，部分企業(yè)推出了具備集成 MCU、預(yù)加載了 zigbee 軟件協(xié)議棧的無(wú)線電廣播組件，其運(yùn)行則由少量 API 對(duì)另一個(gè)以應(yīng)用為中心的 MCU 的調(diào)用來(lái)控制。通過(guò)采用 SPI 通信來(lái)更新zigbee芯片的配置，應(yīng)用 MCU 可以免受協(xié)議對(duì)存儲(chǔ)器與資源要求的限制，可以有效地處理其他應(yīng)用任務(wù)。