zigbee 协议概述

z-stack,cc2530,zigbee 2019-09-24 115 次浏览 次点赞


zigbee protocol overview

摘要:zigbee 协议是异常庞大的知识体系,入门到精通是一个需要注重方法的过程。重心需要放在协议的学习,很多初学者,包括我都早期都是把zigbee当成了单片机学习使用,本末倒置。剥茧抽丝,这里直接开始协议概述。

对于复杂协议的深入学习,我们都建议一个通用的学习方法,从规范->实现->抓包,规范是无关编程语言、语法的自然语言表达,实现是各家sdk、api、源码的集合,对于抓包则是对应实现理解规范的中间过程。一旦对zigbee有了感性认识,都建议从直接入手规范文档,做到知其所有然。

zigbee 协议架构

如上架构图详细展示了zigbee 协议规范的系统框图,不管是采用ti、silicon-labs、nordic的soc方案,以及它们对应不同sdk实现,核心标准都来自如上规范。这些规范主要是由ieee 组织zigbee 联盟共同定义,并且公开了完整的规范文档。

提示:这些协议规范都可以从网上直接获取,但是最新的规范文档是需要注册zigbee联盟会员和直接向ieee组织购买。

需要一提的是不同厂商的zigbee 实现协议栈有不同策略,ti是半开源,aps以上应用层是开放源码的,包含完整的af、zdo、zcl、bdb,所以对于新手入门来说并不能急于求成,必须打好基本功,对于nordic实现协议栈采用zboos3.1,几乎是一个全闭源的sdk,厂商应用只需要基于应用层(bdb、zcl)一些公共接口和实现其回调函数同协议栈交互。相对新手入门相对容易,但是可能出现不可控。

如下列出各个分层协议规范,并且详细阐述其功能。

  • ieee 802.15.4

    由ieee组织定义,最新版本。802.15.4-2011.pdf

  • ZigBee Specification, revision 21 and revision 22

    Zigbee PRO 2015 Spec

    提示:zigbee 联盟公开了zigbee pro 2015 revision 21版本版本,zigbee3.0是基于基于zigbee 2017 pro revision22版本,需要加入zigbee 联盟会员。
  • ZigBee Cluster Library Specification, revision 7

    Zigbee Cluster Library

    提示:zigbee 联盟公开revision 6版本,zigbee3.0是基于基于revision7版本,需要加入zigbee 联盟会员。
  • Zigbee 3.0 Base Device Behavior Specification

    Base Device Behavior Specification

I. mac 802.15.4

mac层数据服务:

  • 数据传输;
  • 信道选择;
  • CSMA-CA (载波监听,多路访问冲突避免)机制;
  • 帧过滤筛选(filtration);
  • 自动应答;

mac层管理服务:

  • 建立并维护个域网(PAN);
  • 关联请求/取消关联(Association);
  • Beacon 帧构造和请求;

II. network layer

网络层数据服务

  • 单播/广播/组播通信;

网络管理服务和维护

  • 建立一个新的网络;
  • 运行设备加入网络;
  • 邻居表支持实现;
  • 网络发现;
  • 加入网络;
  • 离开网络;
  • 解决并解决地址冲突;
  • 管理PANID冲突;
  • 路由中继;
  • 网络配置;
  • Frequency agility
  • 终端设备(End Device)超时协议,老化机制;

III. application layer

需要明白的是,mac和nwk已经完成zigbee协议规范的所有功能集合,apl之内的zdo、aps、af、zdp都是为应用和交互nwk层服务的,其不再需要继续实现zigbee相关功能。

zdo

zdo属于apl,在aps之上的应用接口层,主要负责:

  • 实现除af应用端点之外的,包含nwk、aps、ssp初始化;
  • 解析用户应用的不同配置实现包含,Primary Discovery Cache Device Operation、Device and Service Discovery 、安全管理、网络管理、绑定管理、Node Manager 、Group Manager 服务。

zcl

zcl 是zigbee 应用框架层上用以约定抽象描述物联网设备的协议规范,zigbee 将不同的物联网设备按照功能分类分解成单个cluster 元素,而zcl就是所有cluster的集合,也就是对于不同厂商需要的物联网产品,都可以基于zcl 的中cluster描述,通过这样的标准设备描述语言,实现真正意义的万物互联。

如下是物联网设备中典型设备开关/插座,其产品功能集合可以通过一系列cluster描述,其中on/off(0x0006) 用以描述开关功能,basic(0x0000)用以描述程序版本等基础信息。

zcl 框图

提示:详细zcl协议概述参考 http://notes.leconiot.com/zcl.html

bdb

bdb 是zigbee 应用层上面的纯接口层,提供了设备操作网络相关的交互行为,也就是bdb已经概况总结了可能的人机操作网络的行为(例如,建立网络/加入网络/离开网络),并且规划成接口,方便应用层直接调用,从而进一步规范厂商的应用行为,达到标准化。

提示:详细信息参考http://notes.leconiot.com/bdb.html

IV. zigbee frame construct

有了如上描述分层结构认识和功能概况,也可以对应zigbee 空中包加深认识,如下数据结构,从mac从开始每层包含一个协议头和数据负载,依次向上,上层的帧构造是基于下一层的数据负载。

对应mac层,这里展开了协议头,由一些列的标志位来表示mac层的协议实现。

zigbee 帧构造

有了上面的帧构造认识,我们就可以清晰解析如下空包,但是具体的协议头和数据负载解析还需要按照ieee组织和zigbbee 联盟协议规范对应章节的帧构造查询。

zigbee 一完整数据帧

这里总结了所有分层实现的帧构造对应章节,方便直接查询。

帧构造
zclzigbee-cluster-library-specification.pdf ->Chapter 2 Foundation->2.4 Command Frame Formats->2.4.1 General ZCL Frame Format
apszigbee specification.pdf ->Chapter 2 Application Layer Specification->2.2.5 Frame Formats
nwkzigbee sepecification.pdf ->Chapter 3 Network Specification->3.3 Frame Formats
mac802.15.4-2011.pdf->5. MAC protocol->5.2 MAC frame formats->5.2.1 General MAC frame format

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