Granite River Labs, GRL Stanislas Charles
Zigbee 是一种强大且节能的无线通讯平台。他的多功能网路拓扑让设备轻松建立连线。这也使得 Zigbee 适用于自动家庭、工业控制系统等各种应用。让我们探索 Zigbee 网路拓扑的详细，了解 Zigbee 网路相容性背后的流程，并学会迅速将新装置加入 Zigbee 网路。
Zigbee 网络拓扑结构组成
灵活性和可扩展性是Zigbee网络最突出的特点。 根据应用需求，Zigbee可以采用不同的形状和尺寸，而该网络状的连接标准联盟（CSA）定义如下：
1. 协调机（PAN Coordinator）
每个 Zigbee 网络中只有一个协调器，而协调器是该网络的中心。 它启动进程并设置参数、安全设置和路由表。 协调器也促进网络连接设备之间的通信。
2. 路由器
Zigbee 网络所覆盖的范围会在路由器在设备之间发送数据包时扩大。而 扩展后的网络能创建网状网络，允许连接设备通过多条路由进行通信，提高可靠性。 换句话说，路由器是对于网络稳定性和弹性至关重要的数据传输中介。
3. 终端设备
大多数的终端设备由电池供电。 虽然它们消耗的功率较小，但在资源方面也受到限制。 除了发送和接收数据之外，终端设备一般不发挥其他作用。 相反，它们依赖路由器或协调器来执行路由和网络管理任务。
图1: Zigbee 网路拓扑
加入 Zigbee 网络：数据包交换
每当新设备向现有的 Zigbee 网络请求加入时，以下数据包交换流程将被启动：
第一步: 设备探测
- 通道扫描：新设备将扫描多条 Zigbee 通道（或频率）以搜索附近的 Zigbee 网络。 Zigbee 在 2.4 GHz ISM（工业、科学和医疗）频段的多个通道上运行，而新设备必须识别该通道。
- 信标帧接收：设备侦听协调器设备发送的信标帧。 这些信标帧包含关键信息，包括 PAN ID（个域网标识符）、通道号和扩展 PAN ID。 扩展 PAN ID 是 Zigbee 网络所独有的。
- 选择网络：一旦设备收到来自不同网络的信标帧，它就会选择符合其网络可用性、安全设置、PAN ID 和扩展 PAN ID 标准的网络。
第二步: 协议要求
- 设备初始化：选择Zigbee网络后，新设备会创建关联请求数据包来初始化关联过程。
- 关联请求数据包以下关键信息：
- 设备的独特 64 位 IEEE 地址。
- 定义设备网络角色的功能。
- 请求设备所需的 PAN ID（若适用）。
- 所需操作的通道（若与当前选择的通道不同）。
- 传输：新设备将关联请求数据包发送到目标 Zigbee 网络的协调器。
第三步: 协调答复
- 处理关联请求：协调器收到关联请求数据包后，对其进行处理以选择接受或拒绝该设备加入网络的请求。
- 协议数据包。若协调器接受请求，它将创建一个包含以下详细信息的关联响应数据包：
- 分配给加入设备的 16 位短地址。该地址用于网络内寻址。
- 指示关联请求结果（成功或不成功）的状态代码。
- 网络安全设置和密钥（若启用了安全性）。
- 传输：协调器将关联协议数据包发送回新设备。
第四步: 网络集成
- 设备初始化：收到关联协议数据包后，新加入设备将自身初始化，正式成为 Zigbee 网络的一部分。
- 分配短地址：设备使用短地址在网络内做通信。 这短地址对于路由和寻址目的至关重要。
- 角色分配：根据其功能，设备扮演终端设备或。。。
- 网络内的路由器：终端设备通常资源有限。因此，它通常依赖路由器进行路由。路由器则协助数据路由并扩展网络覆盖范围。
第五步: 更新路由表
- 路由表更新：当路由器加入网络时，协调器和现有路由器会更新其路由表。
- 网状网络建立：Zigbee 网络通常采用网状拓扑，这意味着设备可以通过多个路由进行通信，从而提高了可靠性。 更新的路由表确保数据可以通过网络有效路由。
第六步: 建立安全保障
- 密钥交换：安全性是 Zigbee 网络最重要的标准。 加入网络后，设备使用加密密钥建立安全通信通道。 这些密钥对于加密和解密数据至关重要。
- 信任中心角色：信任中心通常是协调者，在密钥管理中发挥着至关重要的作用。 它监督加密密钥的交换并确保只有授权的设备才能访问网络。
- 安全措施：安全机制涉及交换预共享密钥、安全证书或其他身份验证方法，以确保通信安全并防止窃听和未经授权的访问。
图2: 设备加入 Zigbee 3.0 网络示意图
1: 网络层
2: 应用支持子层
Zigbee 的网络拓扑结构因通用而适合广泛的应用。 协调器、路由器和终端设备的角色有助于网络的稳定性和可扩展性。每当新设备向 Zigbee 网络发送加入请求时，就会触发数据包交换过程，将其集成到现有网络中。 这使 Zigbee 网络保持可靠和安全，使其成为物联网和家庭自动化应用的理想选择。
关于作者
Stanislas Charles 拥有超过 7 年的无线和 RF 测试经验，熟悉蓝牙、Zigbee、Thread、Matter 等协议。致力于帮助客户解决对 Matter 和 Thread 测试及认证要求的疑问。