ZigBee網(wǎng)絡路由協(xié)議性能分析

摘 要在信息時代，無線通信網(wǎng)絡與人們的生活息息相關(guān)。ZigBee技術(shù)在實際應用過程中表現(xiàn)出低能耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本等特點。這一技術(shù)的規(guī)范和應用仍在不斷的完善與發(fā)展之中。本文主要對ZigBee網(wǎng)絡路由協(xié)議的性能問題進行了探究。

【關(guān)鍵詞】ZigBee網(wǎng)絡 路由協(xié)議 性能

隨著信息技術(shù)和移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，讓無線通信技術(shù)在各行各業(yè)得到了廣泛的應用。組網(wǎng)靈活、使用方便是無線傳感器網(wǎng)絡在實際應用中表現(xiàn)出來的主要特點。ZigBee協(xié)議的出現(xiàn)，可以讓傳統(tǒng)無線協(xié)議對無線傳感器的適應問題得到有效解決。

1 ZigBee協(xié)議的概述

ZigBee技術(shù)不僅功耗、成本和速率均比較低，而且便于操作使用。而IEEE 802.15.4標準具有數(shù)據(jù)傳輸率低、成本少、功耗低等特性，其最終目標就是為家庭或個人范圍內(nèi)各種設(shè)備之間的低速互連提供一個統(tǒng)一的標準。為了保證所制定出的應用層與網(wǎng)絡層的規(guī)范能夠匹配IEEE802.15.4標準，ZigBee規(guī)范成為ZigBee聯(lián)盟中不可缺少的因素。在與之有關(guān)的LR-WPAN網(wǎng)絡中，IEEE802.15.4標準編制了以下兩種要素：

（1）系統(tǒng)的媒體接入控制子層；

（2）系統(tǒng)的物理層協(xié)議規(guī)范。

ZigBee聯(lián)盟在這一前提下，所構(gòu)建的應用層與網(wǎng)絡層協(xié)議相關(guān)的規(guī)范構(gòu)成了ZigBee協(xié)議。簡言之，ZigBee協(xié)議是為適應IEEE802.15.4標準而構(gòu)建的網(wǎng)絡層與應用層協(xié)議規(guī)范。其中，協(xié)議規(guī)范可以由以下幾方面因素組成：

（1）應用支持子層；

（2）應用架構(gòu)；

（3）ZigBee設(shè)備對象和廠商所定義的應用對象。

分層結(jié)構(gòu)是這一協(xié)議所采用的主要結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)實體和管理實體這兩種服務實體在這種結(jié)構(gòu)的每一層都有所涉及。數(shù)據(jù)傳輸服務是數(shù)據(jù)實體所承擔的主要形式。管理實體提供的服務中并沒有涉及到數(shù)據(jù)傳輸服務。服務接入點是為上層提供接口的重要工具。服務原語命令是服務接入點實現(xiàn)自身功能的保障性因素。圖1中的內(nèi)容就是協(xié)議層之間的服務接口。

2 ZigBee網(wǎng)絡拓撲

ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)主要由以下幾種結(jié)構(gòu)組成：

（1）星型結(jié)構(gòu)；

（2）樹形結(jié)構(gòu)，

（3）網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

如圖2所示。

從圖中所示的內(nèi)容來看，中心協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點是星型網(wǎng)絡中的主要器件。這種中心協(xié)調(diào)器采用的是FFD節(jié)點，可以在整個網(wǎng)絡的維護和建立過程中發(fā)揮出自身的功能。RFD和FFD是終端節(jié)點主要組成部分，一般的情況下，在中心協(xié)調(diào)器覆蓋范圍以內(nèi)的區(qū)域是這兩大節(jié)點的主要分布區(qū)域，這種便利性可以讓這些節(jié)點與中心協(xié)調(diào)器進行有效通信的能力得到有效提升。兩個不同設(shè)備之間進行通信的過程，也是兩設(shè)備將各自所要傳送的數(shù)據(jù)包向中心協(xié)調(diào)器進行傳送的過程?？梢哉f，中心協(xié)調(diào)器發(fā)揮的是一種中轉(zhuǎn)作用。對中心協(xié)調(diào)器的中轉(zhuǎn)功能進行發(fā)揮的網(wǎng)絡系統(tǒng)又被稱為主從網(wǎng)絡。同步與控制的簡單性特點是星型網(wǎng)的主要特點，這種網(wǎng)絡體系目前僅能在一些擁有較少節(jié)點數(shù)量的場合中得到應用。網(wǎng)狀網(wǎng)絡是一種由多個FFD組合而成的骨干網(wǎng)絡，各節(jié)點之間的通信完全對等，在整個通信范圍內(nèi)，各節(jié)點都可以與其它節(jié)點進行通信。如果其中一條路徑發(fā)生故障，那么還可以選擇其他一條或若干條路徑。然而，正是因為兩個節(jié)點之間的路徑較多，所以顯得冗余非常高。一般情況下，路由功能的實現(xiàn)，是網(wǎng)狀網(wǎng)絡構(gòu)建過程中所遵循的一個重要原則，此種有助于網(wǎng)絡層找到最佳的信息傳遞路徑，事實上屬于一種多信道通信。樹狀拓撲結(jié)構(gòu)主要由以下三個部分組成：

（1）中心協(xié)調(diào)器；

（2）路由節(jié)點；

（3）終端節(jié)點。

在實際應用過程中，連接路由節(jié)點和終端節(jié)點的功能是該結(jié)構(gòu)的主要功能。在路由節(jié)點成為中心協(xié)調(diào)器子節(jié)點的情況下，這一結(jié)構(gòu)會借助一系列的終端節(jié)點與路由節(jié)點相連。終端節(jié)點不能涵蓋自身的子節(jié)點，但路由節(jié)點與中心協(xié)調(diào)器可以涵蓋自身的子節(jié)點。在樹狀拓撲結(jié)構(gòu)中，各個節(jié)點只具備一種功能，就是實現(xiàn)子節(jié)點與父節(jié)點之間的通訊。在這樣的情況下，如果要將一個節(jié)點中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點，這種樹狀結(jié)構(gòu)會讓信息順著樹的路徑進行輸送。網(wǎng)絡覆蓋范圍大是這一網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的主要特點。由于信息路由通道在該系統(tǒng)中存在單一性，隨著網(wǎng)絡覆蓋范圍增加，信息的傳輸時延也會有所增加，并且時間同步也會越來越繁瑣。

3 ZigBee網(wǎng)絡路由協(xié)議的性能

3.1 路由協(xié)議的基本思想

低成本、低功效和高可靠性是ZigBee網(wǎng)絡路由協(xié)議的主要設(shè)計目標。樹路由和按需距離矢量路由相結(jié)合的路由算法的構(gòu)建，為上述目標的實現(xiàn)提供了幫助。在對ZigBee網(wǎng)絡中使用的AODVjr與自組網(wǎng)中所應用的AODV協(xié)議進行對比分析以后，我們可以發(fā)現(xiàn)，AODVjr可以被看作是AODV的一種簡化版本。在ZigBee網(wǎng)絡中，節(jié)點之間存在一種類似于父子關(guān)系的從屬關(guān)系。在依托路由算法進行路徑選擇的過程中，節(jié)點會在接收到分組信息以后對信息進行判斷，如果發(fā)現(xiàn)其中的內(nèi)容與自己無關(guān)，會把該信息傳送給其父節(jié)點或其他子節(jié)點。為了對路由效率進行進一步的提升，AODVjr也會為一些具備路由功能的節(jié)點搜尋路由，也就是說，在傳輸信息的過程中，在不遵從父子從屬關(guān)系的情況下，通過直接傳遞的方式將信息傳送到其通信范圍內(nèi)的其他具備同樣功能的節(jié)點的措施，是一些具備路由功能的節(jié)點進行信息傳輸?shù)闹饕胧?，而針對那些不具備路由功能的?jié)點，則只能借助樹路由來對控制分組與數(shù)據(jù)分組進行傳輸。

3.2 ZigBee的路由過程

在zigBee網(wǎng)絡路由協(xié)議中，節(jié)點既具備路由表能力，又具有路由發(fā)現(xiàn)表能力，表1所示的內(nèi)容為路由發(fā)現(xiàn)表的格式

從階段網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)幀獲取情況來看，在網(wǎng)絡層從更高層接受數(shù)據(jù)幀的情況下，廣播發(fā)送是節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳送的主要方式。在接收節(jié)點為路由器或協(xié)調(diào)器的情況下，如果數(shù)據(jù)幀的目的節(jié)點是該節(jié)點的子節(jié)點，這一數(shù)據(jù)幀會被直接傳送到目的地址之中。如果網(wǎng)絡層接收的是來自低層的數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀的目的節(jié)點成為了系統(tǒng)對數(shù)據(jù)幀的發(fā)送方式進行確定的主要方式。在對一些具備路由功能的節(jié)點進行確定的過程中，系統(tǒng)會對目的地址在路由表中的地址加以核查，在節(jié)點目的地址的路由條目不確定的情況下，首先針對數(shù)據(jù)幀頭系統(tǒng)需要對幀控制域中的路由發(fā)現(xiàn)標志進行核查，如果路由發(fā)現(xiàn)標志值為0，或者此節(jié)點缺少路由功能，則可采取樹路由的方式傳輸數(shù)據(jù)幀；倘若該發(fā)現(xiàn)路由標志值為1，則該節(jié)點可根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)的發(fā)起方式及條件來發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)。針對目的地址的路由條目明確的節(jié)點，必須借助已有路由表條目進行路由傳輸。

如果網(wǎng)絡層接收到來源于低層的數(shù)據(jù)幀，則是否需要轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀主要取決于該數(shù)據(jù)幀的目的節(jié)點是否是本地節(jié)點。在終端設(shè)備成為目的節(jié)點以后，設(shè)備在應用過程中出現(xiàn)的休眠問題會給信息的傳輸效率帶來不利的影響。間接傳遞方式的應用，就成為了對休眠效應的不利影響進行規(guī)避的有效方式。數(shù)據(jù)幀頭中的Discover Route字段決定著如何選取ZigBee網(wǎng)絡層的具體路由方法。

3.3 路由選擇

在節(jié)點的職能定義和工作狀態(tài)存在一定差異性的情況下，路由策略選擇就成為了zigBee網(wǎng)絡路由協(xié)議性能的一種表現(xiàn)。路由選擇策略主要由以下幾種策略組成。

（1）抑制路由發(fā)現(xiàn)，這一性能是建立在已經(jīng)存在的路由表基礎(chǔ)之上的；

（2）使能路由的發(fā)現(xiàn)，即路由表中存在該路由地址，則按路由表執(zhí)行，否則路由器進行初始化路由發(fā)現(xiàn)處理。如果路由表中的節(jié)點不具備初始路由的發(fā)現(xiàn)能力，系統(tǒng)會對樹形路由進行運用；

（3）強制路由發(fā)現(xiàn)功能，在這一功能的作用下，不論相應的路由表是否存在，節(jié)點都會在對AODVjr路由算法進行強制應用的情況下進行初始化路由發(fā)現(xiàn)。可以說，數(shù)據(jù)驅(qū)動思想是與數(shù)據(jù)的傳輸種類和傳輸需要之間存在著一定的聯(lián)系；

（4）樹路由發(fā)現(xiàn)功能，即只應用樹狀路由方式發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)，且不遵從現(xiàn)有的路由表。所謂的數(shù)據(jù)驅(qū)動思想就是指針對不同類型及需求的數(shù)據(jù)傳遞，可以采取多種路由方式。如果需要傳遞大量的數(shù)據(jù)，那么可以對使能路由發(fā)現(xiàn)功能加以選取，發(fā)現(xiàn)并構(gòu)建最佳路徑。如果需要傳遞控制數(shù)據(jù)或突發(fā)型數(shù)據(jù)，則可以對樹路由發(fā)現(xiàn)功能與抑制路由發(fā)現(xiàn)功能加以選取，這兩種路由發(fā)現(xiàn)功能能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應，而且不需要構(gòu)建路由表。如果需要更新路由表內(nèi)的信息，那么可以對強制路由發(fā)現(xiàn)功能加以選取，以此來對路由表進行更新，對路由表加以重新構(gòu)建。

4 結(jié)論

ZigBee結(jié)束對進場通信市場所表現(xiàn)出的低成本、低速率和低功耗的問題進行了有效解決。這一技術(shù)的應用，對低端無線傳感器和控制網(wǎng)絡設(shè)計的優(yōu)化有著一定的促進作用。ZigBee通過結(jié)合ZigBee規(guī)范與IEEE802.15.4標準，可以有效的實現(xiàn)數(shù)以萬計的微波傳感器之間進行協(xié)同通信。在當下ZigBee快速發(fā)展、不斷優(yōu)化的新時代下，ZigBee技術(shù)勢必會為無線接入技術(shù)領(lǐng)域注入全新的活力，必將使人們的生活模式及工作模式發(fā)生翻天覆地的改變，促進社會以及經(jīng)濟建設(shè)更快、更好地發(fā)展。

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作者簡介

李玉林（1981-），男，湖南省永興縣人。碩士學位。現(xiàn)為湖南機電職業(yè)技術(shù)學院講師。主要研究方向為計算機網(wǎng)絡管理。

作者單位

湖南機電職業(yè)技術(shù)學院 湖南省長沙市 410151