zigbeeMACNWKLayers網(wǎng)絡(luò)層物理層簡介學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1zigbeeMACNWKLayers網(wǎng)絡(luò)層物理層簡介網(wǎng)絡(luò)層物理層簡介(jin ji)第一頁，共23頁。IEEE 802.15.4 MAC Layer分層結(jié)構(gòu)(jigu)與功能2. 基于(jy)超幀的mac層通信3. MAC幀結(jié)構(gòu)(jigu)第1頁/共22頁第二頁，共23頁。MAC Layer分層結(jié)構(gòu)(jigu)MLME：MAC Layer Management EntityMAC-PIB：MAC PAN Information BaseMAC層層 Medium Access Control，即介，即介質(zhì)訪問控制子層。與邏輯鏈路控制質(zhì)訪問控制子層。與邏輯鏈路控制LLC組成數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)(s

2、hj)鏈路層。鏈路層。 負(fù)責(zé)把物理層的負(fù)責(zé)把物理層的“0”、“1”比特流比特流組建成幀；提供對共享介質(zhì)的訪問方組建成幀；提供對共享介質(zhì)的訪問方法；分配法；分配MAC地址。地址。的的MAC層層 提供兩種服務(wù)：提供兩種服務(wù)： MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)層數(shù)據(jù)服務(wù)保證保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā)；正確收發(fā)； MAC層管理層管理(gunl)服務(wù)（服務(wù)（MLME）維護(hù)一個存儲維護(hù)一個存儲MAC子子層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫。層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫。第2頁/共22頁第三頁，共23頁。MAC Layer分層結(jié)構(gòu)(jigu)層主要層主要(zhyo)功能：功能：產(chǎn)

3、生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)（如果設(shè)備是協(xié)調(diào)(xitio)器）使設(shè)備與信標(biāo)同步（根據(jù)協(xié)調(diào)(xitio)器的信標(biāo)幀）信道接入采用CSMA-CA接入機(jī)制處理和維護(hù)GTS機(jī)制在對等的MAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路支持設(shè)備與PAN的連接和斷開連接（GTS，超幀同步分配時槽）支持設(shè)備的安全性第3頁/共22頁第四頁，共23頁。MAC Layer超幀超幀結(jié)構(gòu)超幀結(jié)構(gòu)(jigu)(3+1)：1. 信標(biāo)幀（ beacon ）：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出；超幀將持續(xù)的時間及GTS的分配2. 信道競爭周期（CAP）：動態(tài)調(diào)整3. 信道無競爭周期（CFP）：動態(tài)調(diào)整，信標(biāo)使能時才存在4. 不活躍：設(shè)備間不通信，休眠(ximin)以節(jié)能固定有

4、保證固定有保證(bozhng)時隙時隙（GTS）第4頁/共22頁第五頁，共23頁。超幀MAC Layer信道競爭周期信道競爭周期: CSMA-CA訪問機(jī)制：載波偵聽多路訪問沖突避免；訪問機(jī)制：載波偵聽多路訪問沖突避免；you can you up, no can you wait ; 信標(biāo)使能，同步網(wǎng)絡(luò)，基于時槽信標(biāo)使能，同步網(wǎng)絡(luò)，基于時槽slot；非使能，非；非使能，非同步網(wǎng)絡(luò)，隨機(jī)時間（無同步網(wǎng)絡(luò)，隨機(jī)時間（無CFP無協(xié)調(diào)器，類似無協(xié)調(diào)器，類似ad-hoc）各設(shè)備節(jié)點通過各設(shè)備節(jié)點通過CSMA/CA機(jī)制來接入信道，（信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)傳送應(yīng)答幀機(jī)制來接入信道，（信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)傳送應(yīng)答幀，請求應(yīng)答機(jī)

5、制），處于信道競爭周期中的所有的數(shù)據(jù)發(fā)送事務(wù)必須，請求應(yīng)答機(jī)制），處于信道競爭周期中的所有的數(shù)據(jù)發(fā)送事務(wù)必須(bx)在在CAP 結(jié)束之前的一個完整幀間間隔內(nèi)完成。結(jié)束之前的一個完整幀間間隔內(nèi)完成。信道信道(xn do)無競爭周期無競爭周期(信標(biāo)使能信標(biāo)使能): 協(xié)調(diào)器根據(jù)上一個超幀協(xié)調(diào)器根據(jù)上一個超幀PAN網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備申請網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備申請GTS的情況，將非競爭時段劃分成的情況，將非競爭時段劃分成若干個若干個GTS。每個每個GTS由若干個時槽組成，時槽數(shù)目在設(shè)備申請由若干個時槽組成，時槽數(shù)目在設(shè)備申請GTS時指定。時指定。第5頁/共22頁第六頁，共23頁。MAC Layer各類幀結(jié)構(gòu)(jigu)網(wǎng)絡(luò)

6、共定義了四種(s zhn)類型的幀：信標(biāo)幀，數(shù)據(jù)幀，確認(rèn)幀和MAC命令幀。幀類型(lixng)：由幀頭（ MAC header (MHR) ）、負(fù)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(fù)載負(fù)載具有可變長度，具體內(nèi)容由幀類型決定。幀尾幀尾是幀頭和負(fù)載數(shù)據(jù)的16位CRC校驗序列 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)：用最低復(fù)雜度實現(xiàn)在多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸。通用結(jié)構(gòu)：第6頁/共22頁第七頁，共23頁。The Zigbee NWK Layer結(jié)構(gòu)(jigu)與功能2. 節(jié)點(ji din)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋?. 網(wǎng)

7、絡(luò)(wnglu)路由的實現(xiàn)第7頁/共22頁第八頁，共23頁。NWK Layer結(jié)構(gòu)(jigu)位置第8頁/共22頁第九頁，共23頁。NWK Layer結(jié)構(gòu)(jigu)與功能ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)層ISO制定制定(zhdng)的網(wǎng)絡(luò)層：的網(wǎng)絡(luò)層：解決(jiju)網(wǎng)絡(luò)間的通信問題，提供路由，即最佳路徑主要功能主要功能：節(jié)點連接和斷開網(wǎng)絡(luò)里所采用的機(jī)制；傳輸安全性；設(shè)備之間的路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)和轉(zhuǎn)交向應(yīng)用層提供服務(wù)接入點（SAP），網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個必要的功能服務(wù)實體網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體（網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體（NLDE）和網(wǎng)絡(luò)層管理實體（網(wǎng)絡(luò)層管理實體（NLME）第9頁/共22頁第十頁，共23頁。NWK Laye

8、r具體(jt)功能網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)(shj)實體（實體（NLDE）生成網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)生成網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)(shj)單元（單元（NPDU），網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)），網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)(shj)實體通實體通過增加一個適當(dāng)?shù)膮f(xié)議頭，從應(yīng)用支持層協(xié)議數(shù)據(jù)過增加一個適當(dāng)?shù)膮f(xié)議頭，從應(yīng)用支持層協(xié)議數(shù)據(jù)(shj)單元中生成網(wǎng)單元中生成網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)絡(luò)層的數(shù)據(jù)(shj)單元單元指定拓?fù)鋫鬏斅酚?，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)指定拓?fù)鋫鬏斅酚?，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)(shj)實體能夠發(fā)送一個網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議實體能夠發(fā)送一個網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(shj)單元到一個合適的設(shè)備，該設(shè)備可以是最終的目的通信設(shè)備單元到一個合適的設(shè)備，該設(shè)備可以是最終的目的通信設(shè)備，也可能是

9、通信鏈路中的一個中間通信設(shè)備。，也可能是通信鏈路中的一個中間通信設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層管理實體（網(wǎng)絡(luò)層管理實體（NLME）配置一個新的設(shè)備。配置一個新的設(shè)備。為保證設(shè)備正常工作的需要，設(shè)備應(yīng)該具有足夠堆棧，以滿足配置的需要。配置選項包括對一個ZigBee協(xié)調(diào)器和連接一個現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化操作。初始化一個網(wǎng)絡(luò)初始化一個網(wǎng)絡(luò)，使之具有建立一個新網(wǎng)絡(luò)的能力。連接和斷開網(wǎng)絡(luò)連接和斷開網(wǎng)絡(luò)，具有連接或者斷開一個網(wǎng)絡(luò)的能力，以及為建立一個ZigBee協(xié)調(diào)器或者ZigBee路由器，具有要求設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)斷開的能力。尋址尋址。ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee路由器具有為新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址的能力。鄰居設(shè)備發(fā)現(xiàn)鄰居設(shè)備

10、發(fā)現(xiàn)。具有發(fā)現(xiàn)記錄和匯報有關(guān)一跳鄰居設(shè)備信息的能力。路由發(fā)現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)。具有發(fā)現(xiàn)和記錄有效地傳送信息的網(wǎng)絡(luò)路由能力。接收控制接收控制。具有控制設(shè)備接收機(jī)接收狀態(tài)的能力，即控制接收機(jī)什么時間接收，接收時間的長短，以保證MAC層的同步長或者正常接收等。第10頁/共22頁第十一頁，共23頁。NWK Layer節(jié)點(ji din)和拓?fù)涔?jié)點節(jié)點(ji din)類型類型ZigBee 協(xié)調(diào)者（協(xié)調(diào)者（ZC）每個每個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)必須有一個網(wǎng)絡(luò)必須有一個建立建立(jinl)初始化網(wǎng)絡(luò)信息配置（路由器）初始化網(wǎng)絡(luò)信息配置（路由器）ZigBee 路由器路由器(ZR)路由信息管理維護(hù)路由信息管理維護(hù)ZigBee

11、 終端節(jié)點（終端節(jié)點（ZED）a) 向路由傳遞數(shù)據(jù)；睡眠和喚醒向路由傳遞數(shù)據(jù)；睡眠和喚醒網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Topology）Hierarchical (Tree) Topologymesh topologyStar topology第11頁/共22頁第十二頁，共23頁。樹路由樹型路由機(jī)制樹型路由機(jī)制(jzh)包括包括 配置樹型地址配置樹型地址 和和 樹型地址的路由樹型地址的路由網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制分布式的地址分配機(jī)制，即每個父設(shè)備擁有一個有限的網(wǎng)絡(luò)地址段，從中選擇一些地址給子設(shè)備根據(jù)四個參數(shù)深度(d) 、最大深度(Lm) 、最大子節(jié)點數(shù)(Cm)和最大子路由器數(shù)(Rm)來計

12、算新節(jié)點的地址，尋址的時候根據(jù)地址就能計算出路徑路由方向向子節(jié)點發(fā)送(f sn)或者向父節(jié)點發(fā)送(f sn)。NWK Layer第12頁/共22頁第十三頁，共23頁。NWK Layer樹路由第13頁/共22頁第十四頁，共23頁。 樹型地址樹型地址(dzh)的路由的路由樹路由NWK Layer第14頁/共22頁第十五頁，共23頁。Z-AODV 能量(nngling)平衡路由 AODV 能量平衡能量平衡(pnghng)路由協(xié)議路由協(xié)議AODV(ad-hoc on-demand distance vector)AODV(ad-hoc on-demand distance vector)協(xié)議在協(xié)議在

13、DSDV DSDV協(xié)議（逐跳路由協(xié)議（逐跳路由、序列號、定期廣播機(jī)制）基礎(chǔ)上，加入了、序列號、定期廣播機(jī)制）基礎(chǔ)上，加入了DSRDSR的按需路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)機(jī)的按需路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)機(jī)制。制。與與 DSDV DSDV 保存完整的路由表不同的是，保存完整的路由表不同的是，AODV AODV 通過建立按需路由來減少通過建立按需路由來減少(jinsho)(jinsho)路由廣播的次數(shù)路由廣播的次數(shù); ;與與DSRDSR相比，相比，AODV AODV 的好處在于源路由并不需的好處在于源路由并不需要包括在每一個數(shù)據(jù)包中，這樣會降低路由協(xié)議的開銷。要包括在每一個數(shù)據(jù)包中，這樣會降低路由協(xié)議的開銷。 Z-AODV

14、 能量平衡路由能量平衡路由Z-AODV 算法是針對 AODV 改進(jìn)。基于路徑的能量消耗的路由，考慮到節(jié)能、應(yīng)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頁第十六頁，共23頁。路由成本路由成本(chngbn)Z-AODV 能量(nngling)平衡路由NWK Layer第16頁/共22頁第十七頁，共23頁。mesh路由 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中將二者結(jié)合(jih)，使用 Z-AODV 和分等級的樹型（Tree）路由相結(jié)合(jih)的混合路由方法，構(gòu)成網(wǎng)格型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Mesh）的網(wǎng)絡(luò)。具體實現(xiàn)方法是在數(shù)據(jù)幀幀頭的DiscoverRou

15、ter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(fā)現(xiàn)： 原路由或tree路由 使能路由發(fā)現(xiàn)： 原路由或Z-AODV 路由算法(sun f)初始化路由發(fā)現(xiàn) 強(qiáng)制路由發(fā)現(xiàn)： Z-AODV 路由算法(sun f)初始化路由發(fā)現(xiàn)源節(jié)點通過廣播發(fā)送源節(jié)點通過廣播發(fā)送RREQ分組，具有路由功能分組，具有路由功能(gngnng)的節(jié)點收到此信息后，建立反響路由，并轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點收到此信息后，建立反響路由，并轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組，并將源節(jié)點到此節(jié)點的路由開銷添加到路由搜索表和分組，并將源節(jié)點到此節(jié)點的路由開銷添加到路由搜索表和RREQ中中直到目的節(jié)點收到此直到目的節(jié)點收到此RREQ，根據(jù)路由開銷選

16、擇路由開銷最少的反向路由，將，根據(jù)路由開銷選擇路由開銷最少的反向路由，將RREP發(fā)送給源節(jié)點，中間節(jié)點收到發(fā)送給源節(jié)點，中間節(jié)點收到RREP也要添加此節(jié)點到目的節(jié)點的路由開銷到路由搜索表和也要添加此節(jié)點到目的節(jié)點的路由開銷到路由搜索表和RREP中，最終到達(dá)源節(jié)點。路由搜索表清楚，各個節(jié)點路由表建立。中，最終到達(dá)源節(jié)點。路由搜索表清楚，各個節(jié)點路由表建立。NWK Layer第17頁/共22頁第十八頁，共23頁。NWK Layermesh路由流程圖 FFD維護(hù)維護(hù)(wih)三張路由三張路由表：表：路由表：包含此條路由下一跳節(jié)點地址，路由狀態(tài)路由表：包含此條路由下一跳節(jié)點地址，路由狀態(tài)(zhungt

17、i)，目的地址。，目的地址。路由搜索表：在路由表建立過程中存在。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(jié)點列表，用來存儲此節(jié)點傳輸范圍內(nèi)其它節(jié)點的信息。保存一張鄰居節(jié)點列表，用來存儲此節(jié)點傳輸范圍內(nèi)其它節(jié)點的信息。 節(jié)點節(jié)點(ji din)交互的分組：交互的分組：路由請求分組路由應(yīng)答分組路由出錯分組第18頁/共22頁第十九頁，共23頁。NWK Layermesh路由流程圖第19頁/共22頁第二十頁，共23頁。字節(jié)：222110/80/80/1變長變長幀控制目的地址源地址廣播半徑域廣播序列號目的IEEE地址源IEEE地址多點傳送控制源路由幀幀的有效載荷網(wǎng)絡(luò)層幀報頭網(wǎng)絡(luò)層的有效載荷比特0-12-56-78910111213-15幀類型協(xié)議版本發(fā)現(xiàn)路由多播標(biāo)記安全源路由目的IEEE地址源IEEE地址保留 通用(tngyng)網(wǎng)絡(luò)層幀格式 幀控制(kngzh)域NWK幀格式(g shi)NWK Layer第20頁/共22頁第二十一頁，共23頁。THANKS!姓名