ZIGBEE帧结构

ZIGBEE帧结构 在ZigBee技术中，每一个层都增加了各自的帧头和帧尾 在PAN网络结构中定义了4种帧结构： 信标帧——主协调器用来发送信标的帧； 数据帧——用于所有数据传输的帧； 确认帧/应答帧——用于确认成功接收的帧； MAC命令帧——用于处理所有MAC层对等实体间的控制传输。 1. 信标帧 信标帧由主协调器的MAC层生成，并向网络中的所有从设备发送，以保证各从设备与主协调器同步，使网络运行的成本最低，即采用信标网络通信，可减少从设备的功耗，保证正常的通信。帧结构如下图所示： MHR是MAC层帧头；MSDU是MAC层服务数据单元，表示MAC层载荷；MFR是MAC层帧尾。其中，MSDU包括超帧格式、未处理事务地址格式、地址列表能及信标载荷；MHR包括MAC帧的控制字段、信标序列码(BSN)以及寻址信息；MFR中包含16位帧校验序列(FCS)。这三部分MHR、MSDU、MFR共同构成了MAC层协议数据单元(MPDU)。 MAC层协议数据单元(MPDU)被发送到物理层(PHY)时，它便成为了物理层服务数据单元(PSDU)。如果在PSDU前面加上物理层帧头(PHR)和同步帧头(SHR)便可构成物理层协议数据单元(PPDU)。其中，SHR包括前同步帧序列和帧起始定界符(SFD)；PHR包含有PSDU长度的信息。使用前同步码序列的目的是使从设备与主协调器达到符号同步。SHR、PHR、PSDU共同构成了物理层的信标包(PPDU)。 通过上述过程，最终在PHY层就形成了网络信标帧。 2. 数据帧 数据帧由应用层发起，在ZigBee设备之间进行数据传输时，传输的数据由应用层生成，经过逐层数据处理后发送给MAC层，形成MAC层服务数据单元(MSDU)。通过添加MAC层帧头MHR和帧尾MFR，形成完整的MAC数据帧MPDU。 MAC的数据帧作为物理层载荷(PSDU)发送到物理层。在PSDU前面，加上同步帧头(SHR)和物理层帧头(PHR)。同信标帧一样，前同步码序列和数据SFD能够使接收设备与发送设备达到符号同步。SHR、PHR、PSDU共同构成了物理层的数据包(PPDU)。 帧结构如下图所示： 3. 确认帧/应答帧 在通信接收设备中，为保证通信的可靠性，通常要求接收设备在接收到正确的帧信息后，向发送设备返回一个确认信息。以向发送设备表示已经正确地接收到相应的信息。接收设备将接收到的信息经PHY层和MAC层后，由MAC层经纠错解码后，恢复发送端的数据，如没有检查出数据的错误，则由MAC层生成一个确认帧，发送回发送端。帧结构如下： MAC层的确认帧由一个MHR和一个MFR构成，MHR和MFR共同构成了MAC层的确认帧（MPDU）。MPDU作为物理层确认帧载荷（PSDU）发送到物理层，在PSDU前面加上SHR和PHR。SHR、PHR、PSDU共同构成了物理层的确认包（PPDU）。 4. MAC命令帧 MAC命令帧由MAC子层发起。在ZigBee网络中，为了对设备的工作状态进行控制，同网络中的其他设备进行通信，控制命令由应用层产生，在MAC层根据命令的类型，生成的MAC层命令帧。帧结构如下图所示： 包含命令类型字段和命令数据的MSDU叫作命令载荷。同其他帧一样，在MSDU前面，加上帧头MHR，在其结尾后面，加上帧尾MFR。MHR、MSDU、MFR共同构成了MAC层命令帧(MPDU)。 MPDU作为物理层载荷发送到物理层，在PSDU前加上SHR和PHR。SHR、PHR、PSDU共同构成了物理层命令包(PPDU)。 注： 1、同步头SHR: 包括帧引导序列，接下来是帧开始界定符（SFD）。在IEEE802.15.4规范中，帧引导序列定义为四个字节的0x00。SFD是一个字节，设置为0Xa. 2、帧控制域格式： 3、FCS的表达式是： G(s)=x16+x12+x5+1 网络建立过程： 入网前 路由器 路由器在入网之前，一直发送信标请求帧，它的作用是，让在它附近的所有具备介绍人资格的节点，都回复信标帧，这些返回的信标帧被这个想要加入的无线模块拿到，通过这些信标帧，选出最佳介绍人节点，请求加入。 终端 它在入网前的行为和下载了路由器代码模块在入网前行为是一样的。 协调器 发送了一帧信标请求帧，发送这一帧也会得到周围具备介绍人资格的节点回复信标帧，但是协调器拿到这些信标帧，用来判断周围的环境情况，为创建网络做准备。 当协调器创建成功以后，就会发送一个数据帧，这个帧里面可以看到协调器的地址0x0000,PANID,可以把这个帧叫做网络连接状态帧。 从入网到稳定工作 路由器 1、协调器发出的网络连接状态帧，表明协调器稳定工作，与路由器入网无关 2 路由器模块发出的信标请求帧，用于发现周围的网络，请求加入 3、协调器模块发出的信标请求帧，路由器模块在拿到这个帧之后，可以得到协调器模块相对于它自己的信号强度，判断是不是最佳介绍人。 4-5 6-7 重复2-3的过程 补充： 在Zigbee网络里，如果一个模块发出的射频帧，非常明确的指定接收目标节点的地址，那么目标节点在接收到这个帧以后，硬件会自动回复一个ACK，表明已经收到了。 TI在CC2530出厂的时候在flash上固话一个8个字节编号唯一的值，这个值是这颗芯片的物理地址，又叫MAC地址，或叫IEEE地址，3种说法说的都是一回事。 8 是路由器模块发给协调模块，这个帧的作用是，在前面路由器模块收到了协调器模块的信标帧，通过信标帧判断协调器是当前路由器模块的最佳介绍人，路由器模块发送这一帧是告诉协调器，你是我当前的最佳介绍人，请你从当我入网的介绍人，介绍我入网，并且在这个帧携带了自己MAC,这个MAC地址是介绍人模块（协调器模块）给被介绍人模块（路由器模块）分配网络的地址的依据。 9 是协调器模块硬件回复给路由器模块的ACK，表明我已经收到了你发过来的帧 10 是路由器模块发给协调器模块的帧，请求协调器，把你根据我前面发给你的MAC地址给我分配的网络地址现在发给我。是一个数据请求帧。 11 协调器回复给路由器的ACK表明收到了路由器发过来的帧 12 协调器把为路由器分配好的网络地址发给路由器。而这个帧需要非常明确的发给路由器模块，但是路由器模块还不知道自己的网络地址是多少，所有在指定目标地址的时候用MAC地址 13 在路由器模块根据自己的MAC地址收到了协调器发过来分配给自己的网络地址，硬件自己回复ACK，表明已经收到了， 14 入网宣告，告诉当前网络里所有的节点，我入网了，我的网络地址是0xE9EB。 15 是协调器模块在收到了路由器模块发的入网宣告帧以后，转发的帧。 16 17是协调器模块和路由器模块在工作稳定时，发出的网络连接状态帧。 协调器和路由器在入网后，稳定工作时的行为是，每隔一段时间发一次网络连接状态帧，默认是15S 终端 入网过程，终端的入网过程和路由器入网的过程，所有的行为都是一样的 终端.psd 16 终端节点发送给它的父节点协调器的数据请求帧，为了告诉它的父节点，我还在线。 17 协调器在收到终端发来的帧，硬件自动回复的ACK （1）如果协调器的ZDAPP_CONFIG_PANID设置为OxFFFF，则协调器将产生一个随机的PANID。 （2）如果协调器的ZDAPP_CONFIG_PANID设置为非OxFFFF，则协调器根据自身的IEEE地址或ZDAPP_CONFIG_PANID值随机产生PANID。 （3）如果协调器的PANID设为小于等于Ox3FFF的有效值，协调器就会以这个特定的PANID值建立网络。 对于路由器和终端，如果ZDAPP_CONFIG_PANID设置为OxFFFF，那么他们将会在自己默认的信道上随机选择一个网络加入，网络协调器的PANID即为自己的PANID。如果ZDAPP_CONFIG_PANID设置为一个有效值，则搜索对应的PANID的协调器请求加入其中。