浅谈ZigBee网络层规范

【摘要】网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接，主要功能包括设备连接和断开网路时所采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。此外，还包括设备的路由发现和路由维护和转交。一个ZigBee协调器创建一个新网络，为新加入的设备分配短地址。网络层还提供一些必要的函数，确保ZigBee的MAC层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。

【关键词】ZigBee；网络层；拓扑结构

中图分类号：TP39

文献标识码：A

文章编号：1006-0278（2013）03-148-01

一、网络层数据实体（NLDE）

网络层数据实体为数据提供服务，在连个或者更多的设备之间传送数据时，将按照应用协议数据单元（APDU）的格式进行传送，并且这些设备必须在同一个网络中，即在同一个内部个域网中。

二、网络层管理实体（NLME）

网络层管理实体提供网络管理服务，允许应用与堆栈相互作用。网络层管理实体应该提供如下服务：

1.配置一个新的设备：为保证设备正常工作的需要，设备应具有足够的堆栈，以满足配置的需要。配置选项包括对一个ZigBee协调器或者连接一个现有网络设备的初始化的操作。2.初始化一个网络：使之具有建立一个新网络的能力。3.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协调器或者路由器，具有要求设备同网络断开的能力。4.寻址：ZigBee协调器和路由器具有为新加入网络的设备分配地址的能力。5.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。6.路由发现：具有发现和记录有效地传送信息的网络路由的能力。7.接收控制：具有控制设备接收状态的能力，即控制接收机什么时间接收、接收时间的长短，以保证MAC层的同步或正常接收等。

三、网络层服务协议

网络层通过两种服务接入点提供响应的两种服务。它们分别是网络层数据服务和网络层管理服务。网络层数据服务通过网络层数据实体服务接入点接入，网络层管理服务通过网络层管理实体服务接入点接入。这两种服务通过MCPS-SAP和MLME-SPA接口为MAC层提供接口。除此之外，在NLME和NLDE间还有一个接口使得NLME可以使用网络层数据服务。

四、网络层帧格式

网络层帧头，包含帧控制、地址和序列信息。网络层帧的可变长有效帧载荷，包含帧类型所指定的信息。网络层帧是一种按指定的序列排列的序列。本节中所有的帧格式按MAC层的传播顺序来描述，即从左到右，最左边的比特位最先发送。长度为k个比特的帧，按从0（最左为最低位）到k-1（最右为最高位）进行编号。帧长度大于一个8比特的帧，将按照最小序列的比特组到最大序列号的比特组顺序传送到MAC层。

网络层帧格式通常由一个网络层报头和一个网络层有效载荷组成。网络层报头按固定顺序出现。然而，仅仅只有多播标志值是1时才存在多播控制域。

帧控制域：帧控制域为16位，包含所定义的帧类型、地址和序列域以及其他控制标记。

帧类型子域：帧类型子域为2bit。

协议版本子域：协议版本子域为4bit，设置值反应了所使用的ZigBee网络层协议版本号特定设备上所使用的协议版本应像固定网络层协议版本号一样。

发现路由子域：发现路由子域用根据帧的传送控制路由发现操作。对于网络层命令帧，路由发现子域设置为0x00表明抑制路由发现。

多播标志域：多播标志域为lbit，如果是单播或者广播帧，值为0，如果为多播帧值为1。

安全子域：安全子域值为1时，该帧才具有网络层安全操作能力。如果该帧的安全由另一层来完成或者完成被禁止，则该值是0。

源路由子域：源路由子域值为1时，源路由子帧才在网络报头中存在。如果源路由子帧不存在则源路由子域值为0。

目的IEEE地址子域：目的IEEE地址是1时，网络帧报头包含整个目的IEEE地址。

源IEEE地址子域：源IEEE地址是1时，网络帧报头包含整个源IEEE地址。

目的地址域：在网络层帧中必须有目的地址域，其长度是2字节。如果帧控制域的多播标志子域值是0，那么目的地址域值是16位的目的设备网络地址或者为广播地址。如果多播标志子域值是1，目的地址域是16位目的多播组的Group ID。值得注意的是设备的网络地址与IEEE802.15.4-2003协议中的MAC层16位短地址相同。

源地址域：在网络层帧中必须有源地址域，其长度是2字节，其值是源设备的网络地址。值得注意的是设备的网络地址与在IEEE802.15.4-2003协议中的MAC层16位短地址相同。

半径域：在网络层帧中必须有半径域，其长度是1字节，并且限定了传输半径范围。每个设备接收一次该帧，则该值减1。

序列号域：在每个帧中都包含序列号域，其长度是1字节。每发送一个新的帧序列号值加1。帧的源地址和序列号子域是一对，在限定了序列号1字节的长度内是唯一的标识符。关于使用序列号的更多信息。

目的IEEE地址域：如果存在目的IEEE地址域，则包含与包含在网络层地址头中的目的地址域的16位网络地址相对应的64位IEEE地址。如果该16位网络地址是广播或者多播地址那么目的IEEE地址不存在。

源IEEE地址：如果存在源IEEE地址域，则包含与包含在网络层地址头中的源地址域的16位网络地址相对应的64位IEEE地址。

多播控制域：多播控制域是1字节长度且只有多播标志子域值是1时存在。它分成3个子域。

多播模式子域：多播模式子域表明无论是使用成员或非成员模式传输该帧。成员模式在目的组成员设备中使用传送多播帧。非成员模式是从不是多播组成员设备到是多播组成员设备换算多播帧。