zigbee-MAC-NWK-Layers网络层物理层简介

zigbee_MAC_NWK_Layers网络层物理层简介第一页，共23页。IEEE802.15.4MACLayer分层结构与功能2.基于超帧的mac层通信3.MAC帧结构第二页，共23页。MACLayer分层结构MLME：MACLayerManagementEntityMAC-PIB：MACPANInformationBaseMAC层MediumAccessControl，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。802.15.4的MAC层提供两种服务：

MAC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（MLME）——维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。第三页，共23页。MACLayer分层结构802.15.4MAC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四页，共23页。MACLayer超帧超帧结构(3+1)：1.信标帧（beacon）：网络协调器发出；超帧将持续的时间及GTS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（GTS）第五页，共23页。超帧MACLayer信道竞争周期:CSMA-CA访问机制：载波侦听多路访问／冲突避免；youcanyouup,nocanyouwait;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，请求应答机制），处于信道竞争周期中的所有的数据发送事务必须在CAP结束之前的一个完整帧间间隔内完成。信道无竞争周期(信标使能):

协调器根据上一个超帧PAN网络中设备申请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。第六页，共23页。MACLayer各类帧结构IEEE

802.15.4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（MACheader(MHR)）、负载（MACpayload）和帧尾（MACfooter(MFR)）三部分组成。帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。帧尾是帧头和负载数据的16位CRC校验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：第七页，共23页。TheZigbeeNWKLayer结构与功能2.节点和网络拓扑类型3.网络路由的实现第八页，共23页。NWKLayer结构位置第九页，共23页。NWKLayer结构与功能ZigBee的网络层ISO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：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（NLDE）和网络层管理实体（NLME）第十页，共23页。NWKLayer具体功能网络层数据实体（NLDE）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，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（NLME）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，使之具有建立一个新网络的能力。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。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。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。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。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层的同步长或者正常接收等。第十一页，共23页。NWKLayer节点和拓扑节点类型ZigBee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(ZR)路由信息管理维护ZigBee终端节点（ZED）a)

向路由传递数据；睡眠和唤醒网络拓扑结构（Topology）Hierarchical(Tree)TopologymeshtopologyStartopology第十二页，共23页。树路由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分布式的地址分配机制，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(d)、最大深度(Lm)、最大子节点数(Cm)和最大子路由器数(Rm)来计算新节点的地址，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。NWKLayer第十三页，共23页。NWKLayer树路由第十四页，共23页。树型地址的路由树路由NWKLayer第十五页，共23页。Z-AODV能量平衡路由AODV能量平衡路由协议AODV(ad-hocon-demanddistancevector)协议在DSDV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。NWKLayer第十六页，共23页。路由成本Z-AODV能量平衡路由NWKLayer第十七页，共23页。mesh路由

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RREQ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RREP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。NWKLayer第十八页，共23页。NWKLayermesh路由流程图FFD维护三张路由表：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：在路由表建立过程中存在。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：路由请求分组路由应答分组路由出错分组第十九页，共23页。NWKLayermesh路由流程图第二十页，共23页。字节：222110/80/80/1变长变长帧控制目的地址源地址广播半径域广播序列号目的IEEE地址源IEEE地址多