zigbeeMACNWKLayers网络层物理层简介PPT学习教案

1、会计学1zigbeeMACNWKLayers网络层物理层网络层物理层简介简介IEEE 802.15.4 MAC Layer分层结构与功能2. 基于超帧的mac层通信3. MAC帧结构第1页/共22页MAC Layer分层结构MLME：MAC Layer Management EntityMAC-PIB：MAC PAN Information BaseMAC层层 Medium Access Control，即介质访问控制子层。与逻辑链路控制LLC组成数据链路层。 负责把物理层的“0”、“1”比特流组建成帧；提供对共享介质的访问方法；分配MAC地址。的的MAC层层 提供两种服务： MAC层数据服务

2、层数据服务保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发； MAC层管理服务（层管理服务（MLME）维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。第2页/共22页MAC Layer分层结构层主要功能：层主要功能：产生网络信标（如果设备是协调器）使设备与信标同步（根据协调器的信标帧）信道接入采用CSMA-CA接入机制处理和维护GTS机制在对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路支持设备与PAN的连接和断开连接（GTS，超帧同步分配时槽）支持设备的安全性第3页/共22页MAC Layer超帧超帧结构超帧结构(3+1)：1. 信标帧（ beacon ）：网络协调器发出；超帧将持续的时间及GT

3、S的分配2. 信道竞争周期（CAP）：动态调整3. 信道无竞争周期（CFP）：动态调整，信标使能时才存在4. 不活跃：设备间不通信，休眠以节能固定有保证时隙（固定有保证时隙（GTS）第4页/共22页超帧MAC Layer信道竞争周期信道竞争周期: CSMA-CA访问机制：载波侦听多路访问冲突避免；you can you up, no can you wait ; 信标使能，同步网络，基于时槽slot；非使能，非同步网络，随机时间（无CFP无协调器，类似ad-hoc）各设备节点通过CSMA/CA机制来接入信道，（信标帧、数据传送应答帧，），处于信道竞争周期中的所有的数据发送事务必须在CAP 结束

4、之前的一个完整帧间间隔内完成。信道无竞争周期信道无竞争周期(信标使能信标使能): 协调器根据中设备申请GTS的情况，将非竞争时段划分成若干个GTS。每个GTS由若干个时槽组成，时槽数目在设备申请GTS时指定。第5页/共22页MAC Layer各类帧结构网络共定义了四种类型的帧：信标帧，数据帧，确认帧和MAC命令帧。 帧类型：由帧头（ MAC header (MHR) ）、负载（ MAC payload ）和帧尾（ MAC footer (MFR) ）三部分组成。帧头帧头由 帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。负载负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。帧尾帧尾是帧头和负载数据的16位CRC校验

5、序列 帧结构设计目标：用最低复杂度实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。 通用结构：第6页/共22页The Zigbee NWK Layer结构与功能2. 节点和网络拓扑类型3. 网络路由的实现第7页/共22页NWK Layer结构位置第8页/共22页NWK Layer结构与功能 ZigBee的网络层的网络层 ISO制定的网络层：制定的网络层：解决网络间的通信问题，提供路由，即最佳路径主要功能主要功能：节点连接和断开网络里所采用的机制；传输安全性；设备之间的路由发现和维护和转交向应用层提供服务接入点（SAP），网络层提供了两个必要的功能服务实体网络层数据实体（网络层数据实体（NLDE）和网

6、络层管理实体（网络层管理实体（NLME）第9页/共22页NWK Layer具体功能网络层数据实体（网络层数据实体（NLDE）生成网络层协议数据单元（生成网络层协议数据单元（NPDU），网络层数据实体通过增加一个适当的协议头，从应用支持层协议数据单元中生成网络层的数据单元指定拓扑传输路由指定拓扑传输路由，网络层数据实体能够发送一个网络层的协议数据单元到一个合适的设备，该设备可以是最终的目的通信设备，也可能是通信链路中的一个中间通信设备。网络层管理实体（网络层管理实体（NLME）配置一个新的设备。配置一个新的设备。为保证设备正常工作的需要，设备应该具有足够堆栈，以满足配置的需要。配置选项包括对一个

7、ZigBee协调器和连接一个现有网络设备的初始化操作。初始化一个网络初始化一个网络，使之具有建立一个新网络的能力。连接和断开网络连接和断开网络，具有连接或者断开一个网络的能力，以及为建立一个ZigBee协调器或者ZigBee路由器，具有要求设备同网络断开的能力。寻址寻址。ZigBee协调器和ZigBee路由器具有为新加入网络的设备分配地址的能力。邻居设备发现邻居设备发现。具有发现记录和汇报有关一跳邻居设备信息的能力。路由发现路由发现。具有发现和记录有效地传送信息的网络路由能力。接收控制接收控制。具有控制设备接收机接收状态的能力，即控制接收机什么时间接收，接收时间的长短，以保证MAC层的同步长或

8、者正常接收等。第10页/共22页NWK Layer节点和拓扑 节点类型节点类型ZigBee 协调者（协调者（ZC）每个ZigBee 网络必须有一个建立初始化网络信息配置（路由器）ZigBee 路由器路由器(ZR)路由信息管理维护ZigBee 终端节点（终端节点（ZED）a) 向路由传递数据；睡眠和唤醒 网络拓扑结构（网络拓扑结构（Topology）Hierarchical (Tree) Topologymesh topologyStar topology第11页/共22页树路由 树型路由机制树型路由机制包括 配置树型地址 和 树型地址的路由网络地址分配机制网络地址分配机制分布式的地址分配机制，

9、即每个父设备拥有一个有限的网络地址段，从中选择一些地址给子设备根据四个参数深度深度(d) 、最大深度最大深度(Lm) 、最大子节点数最大子节点数(Cm)和最大子路由器数最大子路由器数(Rm)来计算新节点的地址，寻址寻址的时候根据地址就能计算出路径路由方向向子节点发送或者向父节点发送。NWK Layer第12页/共22页NWK Layer树路由第13页/共22页 树型地址的路由树型地址的路由树路由NWK Layer第14页/共22页Z-AODV 能量平衡路由 AODV 能量平衡路由能量平衡路由协议协议AODVAODV(ad-hoc on-demand distance vector)协议在 DS

10、DV协议（逐跳路由、序列号、定期广播机制）基础上，加入了DSR的按需路由发现和维护机制。与 DSDV 保存完整的路由表不同的是，AODV 通过建立按需路由来减少路由广播的次数;与DSR相比，AODV 的好处在于源路由并不需要包括在每一个数据包中，这样会降低路由协议的开销。 Z-AODV 能量平衡路由能量平衡路由Z-AODV 算法是针对 AODV 改进。基于路径的能量消耗的路由，考虑到节能、应用方便性等因素，简化了 AODV 的一些特点，但仍保持 AODV 的原始功能。NWK Layer第15页/共22页路由成本路由成本Z-AODV 能量平衡路由NWK Layer第16页/共22页mesh路由

11、ZigBee 网络中将二者结合，使用 Z-AODV 和分等级的树型（Tree）路由相结合的混合路由方法，构成网格型拓扑结构（Mesh）的网络。具体实现方法是在数据帧帧头的DiscoverRouter域指定路由。该域可以是如下三种值： Mesh路由路由 抑制路由发现： 原路由或tree路由 使能路由发现： 原路由或Z-AODV 路由算法初始化路由发现 强制路由发现： Z-AODV 路由算法初始化路由发现源节点通过广播发送源节点通过广播发送RREQ分组，具有路由功能的节点收到此信息后，建立反响路由，并转发分组，具有路由功能的节点收到此信息后，建立反响路由，并转发RREQ分组，并将源节点到此节点的路

12、由开销添加到路由搜索表和分组，并将源节点到此节点的路由开销添加到路由搜索表和RREQ中中直到目的节点收到此直到目的节点收到此RREQ，根据路由开销选择路由开销最少的反向路由，将，根据路由开销选择路由开销最少的反向路由，将RREP发送给源节点，中间节点收到发送给源节点，中间节点收到RREP也要添加此节点到目的节点的路由开销到路由搜索表和也要添加此节点到目的节点的路由开销到路由搜索表和RREP中，最终到达源节点。路由搜索表清楚，各个节点路由表建立。中，最终到达源节点。路由搜索表清楚，各个节点路由表建立。NWK Layer第17页/共22页NWK Layermesh路由流程图 FFD维护三张路由表：维护三张路由表：路由表路由表：包含此条路由下一跳节点地址，路由状态，目的地址。路由搜索表路由搜索表：在路由表建立过程中存在。邻居表邻居表： 保存一张邻居节点列表，用来存储此节点传输范围内其它节点的信息。 节点交互的分组：节点交互的分组：路由请求分组路由应答分组路由出错分组第18页/共22页NWK Layermesh路由流程图第19页/共22页字节：222110/80/80/1变长