《物联网技术与应用导论 战略性新兴产业系列丛书——物联网 教学课件 ppt 作者 暴建民 第5章 物联网相关协议》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物联网技术与应用导论 战略性新兴产业系列丛书——物联网 教学课件 ppt 作者 暴建民 第5章 物联网相关协议（198页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第5章 物联网相关协议,本章主要针对目前物联网的一些主要的业务需求，就物联网领域所涉及的相关协议作一总体概述与展望，特别是在未来的泛在计算环境下，对异构平台下不同的物和人要实现互连互通，就亟需一种更为灵活、高效的物联网应用协议来解决所遇到的通信挑战。,5.1 ZigBee协议,5.1.1 IEEE 802.15.4/ZigBee的技术标准基本概述 在介绍ZigBee协议之前，先介绍一下传感网络通信的发展所经历的几个阶段和对应的模式：,（1）自动控制：计算机 + 智能器件； （2）传感网：网络 + 传感器； （3）ZigBee：网络 + 传感器 + 通信协议，是一种无线个域网（LR-WPAN）。
2、,1WPAN技术标准,WPAN的传输范围比无线区域网络（Wireless Local Area Networks，WLAN）要小，目前常听到的WPAN技术有3种主要公开的标准，即蓝牙、WiMedia与ZigBee。,此3种WPAN标准分别相当于IEEE 802.15.1、IEEE 802.15.3a与IEEE 802.15.4。 此公开的网络标准所订定范围与IEEE 标准工作群所订定范围的关系，即IEEE 802.15.4负责订定WPAN协议中的LLC层、MAC层与PHY（物理层）标准，而ZigBee运用此3底层来发展网络层与应用层等。,在此3种WPAN标准中，目前蓝牙标准 主要应用于短距离无
3、线语音传输；WiMedia主要应用方向为短距离无线多媒体传输；而ZigBee较适用于低耗电与低数据量的短距离 无线传输，在IEEE 802.15协议簇中定义了如下3类具体的协议规范：,（1）IEEE 802.15.1：中速无线个域网，蓝牙； （2）IEEE 802.15.3：高速无线个域网，超宽带（UWB）；,（3）IEEE 802.15.4：低速无线个域网，LR-WPAN（无线个域网，属于低速无线个域网，协议簇802.15），主要为电源能力受限、吞吐量要求不高、无线应用提供低成本的连接。,其中IEEE 802.15.4是ZigBee、Wireless HART、MiWi等规范的基础，描述了低
4、速 率无线个人局域网的物理层和媒体接入控 制协议，具有如下特点。, 共27个信道：16个2 450MHz的信道，10个915MHz的信道，1个868MHz的信道。 支持250kbit/s、40kbit/s、20kbit/s 3 种速率。, 支持星状网络结构和点对点的对等网络结构。 分配16位短地址或16位扩展地址。, 支持时隙保证机制，通过预留保证时隙（GTS）提供无竞争媒体访问，或实现CSMA/CA以避免竞争。, 确认握手保证传输的可靠性。 低功耗，可以能量检测。 有链路质量指标。,2ZigBee协议规范标准,ZigBee又称“紫蜂”，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线
5、通信技术。 主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的具有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。,2.4GHz为ZigBee主要频段（16个250kbit/s 信道），也可以在915MHz（10个40kbit/s信道），868MHz（1个20kbit/s信道），这几个频段都是 不需要注册、批准的，称为免许可通信频段。,3ZigBee读写器,ZigBee读写器是短距离、多点、多跳无线通信产品，能够简单、快速的为串口终端设备增加无线通信的能力。 产品有效识别距离可达1 500m，最高识别速度可达200km/h，能同时识别200张标签。,具有性能稳定、工
6、作可靠，信号传输能力强、使用寿命长等优势。 该设备已广泛应用于门禁、考勤、会议签到、及高速公路、油站、停车场、公交等收费系统等各种领域。,该产品的主要优势是防水、防雷、防冲击，满足工业环境要求。 图5-1所示为一固定式读写器实物图。,图5-1 ZigBee读写器产品,ZigBee读写器具有非常广阔的应用领域，如停车场车辆免伸手出入控制、煤矿井下人员定位管理系统、驾校考试系统、机动车电子牌照自动识别系统、高速公路ETC电子收费系统、公交车进出站“标杆”自动管理系统、“家校通”学生出入校平安短信系统、重要会议和活动的人员会议报道系统、企事业单位人员出入自动考取系统、城市宠物追踪和管理、野生动物追踪
7、和管理、动物园管理、仓库电力设备巡检、燃气管线、变压设备智能检修、高附加值产品追踪、工厂生产线工序管理、仓储托盘等容器追踪和管理、海运、水运、公路和铁路中的集装箱运输等领域。,5.1.2 ZigBee协议栈,图5-2 几种无线通信技术性能比较,MAC层往上就属于ZigBee真正定义的部分了，我们可以参看一下ZigBee的协议栈（如图5-3所示）。,图5-3 ZigBee协议栈,底层技术，包括物理层和MAC层由IEEE 802.15.4制定，而高层的网络层、应用支持子 层（APS）、应用框架（AF）、ZigBee设备对象（ZDO）和安全组件（SSP），均由ZigBee 联盟所制定。,ZigBee
8、网络架构支持点对点对等与星状型态，星形型态也可以是簇树状网络型态（如图5-4、图5-5和图5-6所示）。,图5-4 点对点对等拓扑,图5-5 星状拓扑,图5-6 ZigBee的簇树网络结构图,在星状WPAN型态中，FFD网路协调器做为控制器，负责启动或终止ZigBee元件间的通信，并且负责选定某些主要WPAN参数，同时也担任网内元件间路由（Route）的功能；星状型态特别适合有中心控制器的家庭或建筑物自动化网路应用。,点对点型态可以是网状（Mesh）型态。 点对点WPAN型态中，任一ZigBee元件可不必通过网路协调器，而直接和传输范畴内的任一ZigBee元件通信。,点对点型态特别适合于无线网
9、路感测 器应用，且可以实现具多跃式（Multihop）的随意网路（AdHocNetworks）或网状网路（MeshNetworks）。 在树状或网状型态中，可借助ZigBee 路由器扩充网路的范围。如图5-6所示。,网络层包括网络层数据部分（Network Layer Data Entity，NLDE）与网络层管理 部分（Network Layer Management Entity， NLME）两个部分。 NLDE负责产生网络层协议数据（Network Level PDU）与传输所需的路由。,而NLME工作包括负责设定ZigBee元件成为网络协调器，或加入或离开已存在的PAN，启动WPAN定
10、址，发现临近ZigBee元件，寻找路由路径，与MAC接收启动控制。,网络层的上面是应用层，包括了APS、AF和ZDO几部分，主要规定了一些和应用相关的功能，包括端点的规定，还有绑定、服务发现和设备发现等。,ZigBee应用层主要是透过应用层支援子层（APS）与网路层沟通。 在APS中有APS数据个体（APSDE）与APS控管个体（APSME）两个软体模组。,其中APSDE提供同一WPAN中不同元件间的数据传输服务，而APSME则提供元件间发现与连系服务，并且APSME也维护一个称为APS资讯基础AIB的物件数据库。,ZigBee应用层亦提供元件间的连系功能，即在互补的应用元件间产生逻辑连动，此
11、连动记录在一连系表中，这对于有相互关系的控制元件或感测器特别有用。,在应用层中还有一个称为ZigBee元件物件ZDO的软体模组，做为应用物件、元件应用类别与APS间的界面。,ZigBee还提供了安全组件，采用了AES128的算法对网络层和应用层的数据进行加密保护，另外还规定了信任中心的角色全网有一个信任中心，用于管理密钥和管理设备，可以执行设置的安全策略。,5.1.3 ZigBee的自组织网络通信方式,动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。,在网络管理软件中，路径
12、的选择使用的是“梯度法”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如果传不通，再使用另外一条稍远一点的通路进行传输，以此类推，直到数据送达目的地为止。,在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。 动态路由结合网状拓扑结构，就可以很好解决这个问题，从而保证数据的可靠传输。,（1）ZigBee自组织网络形式,自组织网络可以通过一个例子加以说明：当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互连互通的ZigBee网络。,而且，由于人员的移
13、动，彼此间的联络还会发生变化。 因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新，这就是自组织网。,（2）ZigBee自组织网络通信方式的优点,网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸，道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于有多个通道，车辆仍然可以通过其他道路到达目的地。 而这一点对工业现场控制而言则非常重要。,5.1.4 ZigBee可靠性及安全技术规范,在可靠性方面，ZigBee有很多方面都做出了努力。 首先是物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干
14、扰，而MAC层和应用层 （APS部分）有应答重传功能，另外MAC层 的CSMA机制使节点发送之前先监听信道， 也可以起到避开干扰的作用，网络层采用了 网状网的组网方式（如图5-7所示）。,图5-7 ZigBee可靠的网状网组网方式,从源节点到达目的节点可以有多条路径，路径的冗余加强了网络的健壮性，如果原先的路径出现了问题，比如受到干扰，或者其中一个中间节点出现故障，ZigBee可以进行路由修复，另选一条合适的路径来保持通信（如图5-8、图5-9所示）。,图5-8 ZigBee网络受到外部干扰,图5-9 通过更换路径避开干扰,在最新的ZigBee 2007协议栈规范当中，引入一个新的特性频率捷变
15、，这也是ZigBee加强其可靠性的一个重要特性。 这个特性大致的意思是当ZigBee网络受到外界干扰，比如WiFi的干扰，无法正常工作时，整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上。,时延也是一个重要的考察因素。 ZigBee是一种基于开放的全球标准之上的无线技术。 ZigBee可以提供简单而强大的端到端的安全性能。,1ZigBee安全服务分析,ZigBee的安全体系结构包括：在两个协 议栈层的安全机制。 网络层（NWK）和应用支持子层（APS）负责各自帧的安全传输。 它们都是使用基于128位AES算法安全机 制。,ZigBee提出的安全性主要基于以下3条原则。 （1）简洁性 （2）直接性 （3
16、）端到端的安全性,在安全性方面ZigBee具有如下特点。 （1）ZigBee提供连续的刷新。 （2）ZigBee提供了帧完整性检查功能。 （3）ZigBee提供实体认证服务。 （4）ZigBee提供对数据的加密。 （5）ZigBee定义可信中心的作用。,可信负责承担以下的安全角色。 可信性管理者 网络管理者 配置管理者 （6）ZigBee采用CCM*加密算法。,2安全密钥,ZigBee使用3种类型的密钥进行安全管理：控制、网络和链接。 控制密钥不是用于加密数据帧，而是用作当两个设备执行密钥建立程序生成链接密钥时的初始共享密码。,网络密钥负责一个ZigBee网络的网络层的安全。 在ZigBee网络中的所有设备共享同一个密钥。 一个设备可以通过密钥传输或预安装来获得网络密钥。,链接密钥保证在应用层两个设备之间的单播消息的安全。 一台设备可通过密钥传输， 密钥建立或预安装来取得链接密钥。 用于获得链接密钥的密钥建立技术是基于一个控制密钥。,最后，设备之间的安全性取决于安全初始化和这些密钥的安装。 链接密钥和控制密钥仅仅可用于APL层。,3有
