2 树状网络
树状网络是点对点网络的一个例子,也是ZigBee典型的网络拓扑结构。在一般的点对点网络中,任意2个设备只要能够彼此收到对方的无线信号,就可以进行直接通信,不需要其他设备的转发。但点对点网络中仍然需要一个网络协调器,不过该协调器的功能不再是为其他设备转发数据,而是完成设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。网络协调器的产生同样由上层协议规定,例如,把某个信道上第一个开始通信的设备作为该信道上的网络协议器。
在ZigBee的树状网络中,绝大多数设备是FFD设备,而RFD设备总是作为树状的叶设备连接到网络中。任意一个FFD都可以充当RFD协调器或者网络协调器,为其他设备提供同步信息。在这些协调器中,只有一个可以充当整个点对点网络的网络协调器。网络协调器可能和网络中其他设备一样,也可能拥有比其他设备更多的计算资源和能量资源。网络协调器首先将自己设为簇头(Cluster Header,CLH),并将簇标识符(Cluster Identifier,CID)设置为0,同时为该簇选择一个未被使用的PAN网络标识符,形成网络中的第一个簇。接着,网络协调器开始广播信标帧;邻近设备收到信标帧后,就可以申请加入该簇;设备可否成为簇成员,由网络协调器决定。如果请求被允许,则该设备将作为簇的子设备加入网络协调器的邻居列表。新加入的设备会将簇头作为它的父设备加入到自己的邻居列表中。
上面描述的只是一个由单簇构成的最简单的树状,个域网网络协调器可以指定另一个设备成为邻接的新簇头,以此形成更多的簇。新簇头同样可以选择其他设备成为簇头,进一步扩大网络的覆盖范围。但是过多的簇头会增加簇间消息传递的延迟和通信开销。为了减少延迟和通信开销,簇头可以选择最远的通信设备作为相邻簇的簇头,这样可以最大限度地缩小不同簇间消息传递的跳数,达到减少延迟和开销的目的。
3 网状网络
MESH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。
网状(Mesh)网是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构,其路由可自动建立和维护。通过图1可以得知,一个ZigBee网络只有一个网络协调器,但可以有若干个路由器。协调器负责整个网络的建网,同时它也可作为与其他类型网络的通信节点(网关)。构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件(FFD),而构成终端设备的器件可以是全功能器件,也可是简约功能器件(RFD)。
图1 ZigBee网状网网络结构图
节点功能及配置文件
1 节点功能
典型的ZigBee节点可支持多种特性和功能。例如,I/O节点可能有多种数字和模拟输入/输出。一些数字输入可能被一个远程控制器节点用到,而其他数字输入可能被另一个远程控制器节点使用。这种分配将创建一个真正的分布式控制网络。为了便于在I/O节点和2个控制器节点之间进行数据传输,所有节点中的应用程序必须保存多个数据链路。为了减少成本,ZigBee节点仅使用一个无线信道来和多个端点/接口来创建多条虚拟链路或信道。
一个ZigBee节点支持32个端点(编号为0~31)和8个接口(编号为0~7)。端点0被保留用于设备配置,而端点31被保留仅用于广播,剩下的总共30个端点用于应用。每个端点总共有8个接口。因此,实际上,应用在一个物理信道中最多可能有240条虚拟信道。
一个典型的ZigBee节点也将有很多属性。例如,I/O节点包含称为数字输入1、数字输入2、模拟输入1等的属性。每个属性都有自己的值。例如,数字输入1属性可能有值1或0。属性的集合被称为群集。在整个网络中,每个群集都被分配了一个唯一的群集ID,每个群集最多有65535个属性。
2 配置文件
ZigBee协议还定义了一个称为配置文件的术语。配置文件就是指对分布式应用的描述。它根据应用必须处理的数据包和必须执行的操作来描述分布式应用。使用描述符对配置文件进行描述,描述符仅仅是各种值的复杂结构。此配置文件使ZigBee设备可以互操作。ZigBee联盟已经定义了很多标准的配置文件,例如,远程控制开关配置文件和光传感器配置文件等。任何遵循某一标准配置文件的节点都可以与其他实现相同配置文件的节点进行互操作。每个配置文件可以定义最多256个群集,每个群集最多可以有65535个属性。此灵活性允许节点有大量的属性(或I/O点)。
结语
随着其应用环境的不断拓展和延伸,对于ZigBee无线个域网络的配置机制还需要不断完善,以适应不同应用环境的工作需要。研究ZigBee无线个域网络的配置机制对于个域网络技术的推广应用具有重要的实践意义。