ZigBee协议学习之网络层

ZigBee的体系结构中，底层采用IEEE 802.15.4的物理层和媒介层，再次基础上，ZigBee联盟建立了自己的网络层(NWL)和应用层框架。

ZigBee网络层的主要功能包括设备的连接和断开、在帧信息传递时采用的安全机制、路由发现和路由维护的交互，并且，网络层完成对一跳邻居设备的发现和相关节点信息的存储。

ZigBee网络由所有节点都有两个地址：16位的网络地址和64位的IEEE扩展地址。其中，16位的网络地址仅仅在网络内部使用，用于路由机制和数据传输。这个地址实在节点加入网络时，有其父节点动态分配的。

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1. ZigBee组网功能

ZigBee网络层的主要功能室路由，路由算法是它的核心。根据组网类型的不同，支持三种路由算法，星型路由、树形路由和网状路由。

1.1 星型网络

星型网络有一个中心节点，所有消息都经它传输。

1.2 树型网络

树型网络由一个顶端节点，下面有枝有叶，消息先上行再下传。

树型路由把网络看成是以协调器为根的一棵树，因为整个网络是由协调器所建立的，而协调器的子节点可以是路由器或者末端节点。

树型路由利用一种默认分布式地址分配算法，使用四个参数(由PAN协调器确定)：PAN协调器的地址为0，深度为0，

树状网络的最大深度(不包括PAN协调器本身) Lm
网络路由器所能拥有的最大子节点数 Cm
网络路由器所能拥有的最大子路由器数 Rm
设备在网络中的深度 d (0---Lm-1)
来计算新节点的地址。在寻址时，根据地址就能计算出路径。路由只有两个方向--向子节点发送或者向父节点发送。无需路由表，节省存储资源。

一个父设备通过Lm，Cm和Rm来完成Cskip(d)的计算。

如果一个设备Cskip值为0，则表明该设备为终端设备。

如果设备的Cskip的值大于0，则表示其可以接受子设备，并且将

1. 父设备首先为它的第一个路由器子设备分配一个比它自己更大(+1)的地址

2. 给随后的路由器分配的地址将以Cskip(d)的数值为间隔，依次类推为所有的路由器分配地址

第n个终端设备的网络地址按照如下公式来分配：

以下图作为实例说明：Lm=3,Cm=2,Rm=2，d取值为[0,3]

每个深度对于的Cski值都计算出来，在每层之间，首先加入的节点(X)比父节点地址(C)大1，其次加入的节点(Y)的地址值为上一个节点X的地址值加上父节点的Cskip值。依次类推。

Cskip值为0的设备为终端设备，对于每个终端设备来说，其地址计算方式如下：

父设备直连的，第一(n)个终端设备的地址=它的父设备地址+该父设备的Cskip*Rm+1(n)

当一个设备想要去路由信息时，Cskip的值很重要。路由设备需要知道将要传递的信息的目的设备是否为自身的子节点。

如果路由设备在深度d，它自身的地址为A，需要传递的目的设备有一个目的地址D。如果满足A< D < Cskip(d-1)的话，那么设备D一定为设备A的子孙节点，进行下行路由(route down)。否则进行上行路由(route up)。

一旦可以确定目的地址是自身地址的子节点，下一步就是计算下一跳的地址。如果目的地址为终端设备类型，下一跳地址就是为目的地址(l例如信息在设备Y，前往地址为9的设备)。

如果目的地址为非直连子节点(例如信息在设备Y，前往地址为10的设备)，则下一跳地址遵循如下的计算方式：

树族型拓扑的树簇算法是指消息沿着树形拓扑进行传输的算法，它是静态的，不需要存储路由表，适用于节点静止或者移动较少的场合

网状路由AODVjr算法是对Ad Hoc按照距离矢量路由算法的改进，按需分配的路由协议，只有在路由节点收到网络数据包时，并且网络数据包不在节点的路由表中时才会进行路由发现过程。AODVjr的优点是，相对于有线网络的路由协议而言，它不需要周期性的路由信息广播，节省了一定的网络资源和网络功耗。缺点是在需要时才发起路由寻找过程，会增加数据到达目的地的时间。由于ZigBee网络中个，对数据的实时性要求不大，而更重视对网络能量的节省，因此AODVjr更适合在ZigBee网络中。

依次路由的建立由以下三个步骤组成：

1. 路由发现

2. 反向路由建立

3. 正向路由建立

经过这三个步骤，即可建立起一条路由节点到目的节点的有效传输路径，在此过程中，AODVjr使用3种消息

Route Request(路由请求，RREQ)， Route Replies(路由回复，RREP)，Route Error(路由错误，RERR)

路由发现流程：

路由建立：

这两种算法的结合使用确定了WSN路由的三种模式

1. 禁止路由模式(SUPPRESS): 禁止对路径进行查找，只能使用树簇算法沿着树型拓扑进行路由。

具体操作，如果发现网络路由器存在，则数据包指向该路由器，否则，数据包沿着树形推进。

2. 使能路由模式(ENABLE)：将树簇算法和AODVjr算法相结合，视具体情况使用哪种算法。

具体操作：

如果发现网络路由器存在，则数据包指向该路由器

如果网络路由器不存在，路由器可以启动路由发现能力的话，则发起路由发现，数据包沿着计算的路由传送。

如果该路由器没有路由发现能力，数据包沿着树形推进。

3. 强制路由模式(FORCE)：完全使用AODVjr算法，。

具体操作：只要设备具备路径查找能力，不管消息传输路径是否已经存在，都要启动路径查找过程，当查找完成后，数据包将沿着计算出来的路径传送，如果没有路由发现能力，数据包沿着树形推进。

这三种方式具体怎么选择？在代码里面，目前没有找到，疑惑中…..

1.3 mesh网络

网状网络与树型类型，但它的某些枝叶可以直接连接。网状路由是AODV路由算法的一个简化版本，非常适合于低成本的无线自组织网络的路由，适用于较大规模的网络，需要节点维护一个路由表，使用灵活，路由效率高。使用路由发现和维护机制。

除了以上两种路由方式外，PAN协调器或路由器本身还有邻接设备表，记录一定区域内与其具有邻接关系的设备。只需要一跳就可以发送到目的节点。

对于网状拓扑结构来说，要使用路由表来进行路由。

网状网络提供路径维护和网络自愈功能。

每一个路由器(包含协调器)都包含一个路由表，设备在路由表中保存数据包参与路由所需的信息，每一条路由记录都包含目的地址、下一级节点和连接状态。

路径发现表：保存路径发现过程中的临时信息，这些记录只在路径发现操作期间存在。

参考资料：http://blog.csdn.net/skyxfire/article/details/6698469

http://blog.csdn.net/tanqiuwei/article/details/7641375