ZigBee协议栈网络层的研究与实现
1、ZigBee协议栈体系结构 本节将在介绍IEEE802.15.4标准和ZigBee协议的基础上，重点分析ZigBee协议栈的网络层关键技术及其工作机制。 2.1IEEE802.15.4标准 IEEE802.15.4标准[1]于2003年5月制定完成，它满足国际标准化组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模型，主要包括物理层、数据链路层。IEEE802.15.4协议与其他无线网络相比，突出的优点是：组网能力强，适应面广，可靠性高，节能性好。 2.2ZigBee协议栈 完整的Zigbee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成。
图1ZigBee协议栈 如图1所示，ZigBee协议栈的网络层、安全层和应用程序接口等由ZigBee联盟制定。其中安全层（Security）主要实现密钥管理、存取等功能。应用程序接口负责向用户提供简单的应用软件接口（API），包括应用子层支持（ApplicationSub-laygerSupport，APS）、ZigBee设备对象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）等，实现应用层对设备的管理。 2.3网络层关键技术 ZigBee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能，支持Cluster-Tree，AODVjr，Cluster-Tree＋AODVjr等多种路由算法，支持星形（Star）、树形（Cluster-Tree）、网格（Mesh）等多种拓扑结构。 Cluster-Tree（簇－树）是一种由网络协调器（Coordinator）展开生成树状网络的拓扑结构，适合于节点静止或者移动较少的场合，属于静态路由，不需要存储路由表。AODVjr算法是针对AODV（Adhoc按需距离矢量路由协议）算法的改进，考虑到节能、应用方便性等因素，简化了AODV的一些特点，但是仍然保持AODV的原始功能。表1是两种算法的优缺点比较。
表1Cluster-Tree和AODVjr的优缺点比较 Cluster-Tree＋AODVjr路由算法汇聚了Cluster-Tree和AODVjr的优点。网络中的每个节点被分成四种类型：Coordinator、RN+、RN－、RFD（RN：RoutingNode，路由节点；RFD：ReducedDevice）。其中Coordinator的路由算法跟RN+相同，Coordinator、RN+和RN－都是全功能节点（FFD:FullDevice），能给其他节点充当路由节点；RFD只能充当Cluster-Tree的叶子（LeafNode）。如果待发送数据的目标节点是自己的邻居，直接通信即可；反之，如果不是自己的邻居时，三种类型的节点处理数据包各不相同：RN+可以启动AODVjr，主动查找到目标节点的最佳路由，且它可以扮演路由代理（RoutingAgent）的角色，帮助其他节点查找路由；RN-只能使用Cluster-Tree算法，它可以通过计算，判断该交给数据包请自己的父节点还是某个子节点转发；而RFD只能把数据交给父节点，请其转发。 图2为Cluster-Tree＋AODVjr算法时网络层数据传输示意图。节点E发送数据包给节点D，数字代表各种包发送的时间先后次序。从图中可以看出，节点E的类型是RFD，它只能将数据DATA传送给其父节点C。C的类型是RN+，所以它先把数据放入缓存后，再通过组播AODVjr路由请求包RREQ查找到节点D的路由，节点D再通过单播沿最短的路径D-B-C给节点C回复AODVjr路由应答包RREP。节点C找到路由后，把缓存数据沿C-B-D发送给节点D，节点D再沿D-B-C-E发送确认包ACK给节点E，节点E收到确认包后，整个通信过程结束。
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