zigbee协议与开发－NWK层作用解析

 在实际应用中，对MAC及下层的直接修改较少，因此直接看比较重要的NWK层。首先看一下NWK层的通信方式及支持的拓扑结构。

•  协调器的NWK层为网络中每一个设备分配一个短地址。同时NWK层会限制数据帧传送的跳数（Hops），这个参数通常称为Radius，即通信半径。另外，通信机制分为三种：Broadcast，Multicast和Unicast。
  • 广播时，目的地址是0xffff，PAN ID也是0xffff；任何一个设备的APS子层可以调用NWK接口来发送一个广播数据；广播数据不需要ACK，所有广播数据会被协调器和路由器记录在一个叫BTT（Broadcast Transaction Table）的表中。
  • 多播时，消息发送到网络中具有相同Group ID的节点，即同级节点。每个节点可以属于多个不同的Group，同时会保留这种身份记录在多播表中。多播有两种模式：MemberMode和Nonmember Mode，前者多播由组成员发送消息，后者由非成员将消息转发到成员节点。在Zigbee中，多播只限于数据，对命令不进行多播。
• 除了上述基本模式，还有一种Many-to-One，即多个节点向单个节点发送数据，非常适用于WSN。只不过是所有节点（包括协调器和路由器）向Sink节点发送数据。

接下来，看一下Zigbee中NWK支持的两种常用拓扑：

1. Hierarchical Topology(Tree)

• Zigbee支持树形拓扑（即Mesh网状拓扑的一种），特别是提供了一种叫缺省分布式地址分配的方式，可以为树形拓扑结构中每一个节点单独分配地址，分配地址时只需要知道树的深度和最大孩子节点数即可。这种算法会用到一个CSkip函数，参数d表示深度，其示意图如下：

      2.  Mesh拓扑：这种拓扑允许节点自动选择路由，因此可以自修复路由，更加健状，但是需要更多自行处理。

 

再接下来，看一下NWK层最最重要的功能：Route，分为以下几个部分：

• Route Discover：路由发现由协调器节点和路由器节点完成，它们会根据LQI（Link Quality Indicator）来评估包传输成功率。在这个过程中，会用到Routing　Table，Routing Discovery Table及每个节点都有一个Neighbor Table（如下表）。此外，APL层可以调用NLME-Route-Discoery.request原语来请求NWK实现路由发现。如果RD请求只包含一个目的地址，那就是为Unicast通信找路由；否则如果目的地址是一个１６位的Group ID，则是多播寻路由；如果APL层没有提供任何目的地址，那么就是请求Many-to-one方式寻路由。对于广播方式，不需要也不允许请求Routing Discovery。

• Route Maintenance and Repair

最后，看一下NWK层提供的管理服务功能，这一点对于理解组网过程十分重要。主要包括网络发现、网络形成等。

• Network Discovery：由APL层调用，NWK层就会利用MAC层的信道扫描来发现是否存在其它网络，扫描完成后会向APL层返回相关的参数。
• Network Formation(生成协调器)：NWK层在收到APL的请求后，可以将一个节点设置为协调器。首先，在上一步的主动扫描后，会进行一个ED扫描，该请求是由NLME向MLME提出。根据ED扫描结果，NWK层会选择一个Frequency　Channel和一个PAN ID。通常协调器为设置0x0000作为　它自身的MAC地址。
• Establishing the device as a router：由APL调用NWK层的NLME-START-ROUTER原语来完成。
• Joining and Leaving a network：协调器和路由器的NWK层允许其它设备通过请求MLME并设置macAssociationPermit＝TRUE，来完成加入或者退出一个网络。当然，节点的高层可以调用NLME-JOIN原主来请求NWK层将节点加入到一个已经存在的网络；相反，应用层也可以调用NLME-LEAVE原语来离开一个网络。
• Resetting the NWK Layer：由APL层调用NLME-RESET原语实现；
• Synchronization：由NLME-SYNC原语实现，主要用于节点间同步或者从协调器或路由器提取数据。

NWK层数据帧(Frame)格式：

NWK层数据按类型分为Data和Command，格式如下：

其中，Command包括以下：

以下是每一种命令中，NWK Payload的格式：

我们据此来分析一下前面提到的，TI Packet Sniffer收到的每一个数据包中的NWK Payload内容：

根据上面看到的，该包是Link Status查询包，这是Zigbee-PRO新增的命令，上面没有这个包的格式，无法继续分析，但是已经知道该包的含义。 因此可惜确定Collector路由器节点启动后会周期性发送NWK层的Link Status以测试链路层的状态，该消息的Radius是１。