ZigBee自组网地址分配与路由协议技术详解

1.ZigBee简介

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
 
ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）遵循IEEE802.15.4标准的规定。
 
2. ZigBee设备类型

ZigBee网络包含：
协调器（ZC）
路由器（ZR）
终端设备（ZED）

2.1 协调器

ZigBee网络中协调器主要作用是建立和维护网络。存储网络信息。是整个网络的认证中心。
 
2.2 路由器

ZigBee网络中路由器主要作用是网络的扩展功能。在障碍周围动态路由，为远端节点与中心节点的提供信息通道。
 
2.3 终端设备

ZigBee网络中终端设备是一个仅接收信息和发送信息的简易功能的ZigBee设备。它只能处于ZigBee网络的末端，并且只能与其父节点进行通信，可支持低功耗功能，没有路由能力和网络维护能力。
 
3. ZigBee网络结构

ZigBee网络可分为：星型网，树状网，网状网（MESH网）。
（特别提示：星型和树状网络适合点多多点、距离相对较近的应用）
 
3.1 星型网

ZigBee星型网络拓扑如下图所示。星形拓扑是最简单的一种拓扑形式，他包含一个Coordinator（协调者） 节点和一系列的 End Device（终端）节点。每一个End Device 节点只能和 Coordinator 节点进行通讯。如果需要在两个 End Device 节点之间进行通讯必须通过Coordinator 节点进行信息的转发。
 
这种拓扑形式的缺点是节点之间的数据路由只有唯一的一个路径。Coordinator（协调者）有可能成为整个网络的瓶颈。实现星形网络拓扑不需要使用 zigbee 的网络层协议，因为本身IEEE 802.15.4的协议层就已经实现了星形拓扑形式，但是这需要开发者在应用层作更多的工作，包括自己处理信息的转发。

ZigBee星型网络拓扑

3.2 树状网

ZigBee树状网络拓扑如下图所示。树状拓扑包括一个Coordinator（协调者）以及一系列的 Router（路由器） 和 End Device（终端）节点。Coordinator 连接一系列的 Router 和 End Device， 他的子节点的 Router也可以连接一系列的 Router 和End Device. 这样可以重复多个层级。
 
需要注意的是：

Coordinator 和 Router节点可以包含自己的子节点。
End Device 不能有自己的子节点。
有同一个父节点的节点之间称为兄弟节点
有同一个祖父节点的节点之间称为堂兄弟节点
每一个节点都只能和他的父节点和子节点之间通讯。

如果需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息将沿着树的路径向上传递到最近的祖先节点然后再向下传递到目标节点。
 
这种拓扑方式的缺点就是信息只有唯一的路由通道。另外信息的路由是由协议栈层处理的，整个的路由过程对于应用层是完全透明的

ZigBee树状网络拓扑

3.3网状网

ZigBee网状网拓扑如下图所示。网状拓扑包含一个Coordinator和一系列的Router 和End Device。这种网络拓扑形式和树状拓扑相同；请参考上面所提到的树状网络拓扑。但是，网状网络拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接的通讯。这种路由机制使得信息的通讯变得更有效率，而且意味这一旦一个路由路径出现了问题，信息可以自动的沿着其他的路由路径进行传输。
 
通常在支持网状网络的实现上，网络层会提供相应的路由探索功能，这一特性使得网络层可以找到信息传输的最优化的路径。需要注意的是，以上所提到的特性都是由网络层来实现，应用层不需要进行任何的参与。
 
网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能；

ZigBee网状网络拓扑

4. ZigBee地址分配机制

ZigBee 2007协议中，网络地址分配机制为树状网络分配机制，其主要实现为：
 
假设子设备数量的最大值nwkMaxChildren(Cm），网络最大深度为nwkMaxDepth(Lm），父节点将路由设备作为它的子设备的最大数为nwkMaxRouters(Rm)，自身网络深度(d)，则可计算函数Cskip(d)m，该函数为在给定网络深度和路由子设备个数的条件下福设备所能分配子区段地址数：

如果一个设备Cskip(d)的值为0，则没有路由能力，该设备为终端设备；
如果一个设备Cskip(d)的值大于0，则有路由能力，该设备为路由器设备。
网络中分配地址为（n为当前分配节点个数）
终端：An=Ak+1+Cskip(d)*(n-1)
路由器：An=Ak+Cskip(d)*Rm*(n-1);
下一个路由器设备分配地址为前一个已分配路由器地址加Cskip偏移量
CurNodeInfo.NextRouterAddr+ = CurNodeInfo.Cskip;
下一个要分配的终端设备地址为前一个已知分配地址+1
CurNodeInfo.NextEndDevAddr++;
 
5. ZigBee树状路由机制

假设一个路由器要发送数据包到目标地址D。这个路由器的网络地址个网络深度为A和d。它首先会判断目标地址设备是否是它的子设备，应当满足：

A < D < A+Cskip(d-1)
 
如果目标设备是它的子设备，下一跳地址就是

否则，路由器将此数据包发向它的父节点。