ZigBee網絡路由協議性能分析

摘 要在信息時代，無線通信網絡與人們的生活息息相關。ZigBee技術在實際應用過程中表現出低能耗、低數據傳輸速率、低成本等特點。這一技術的規范和應用仍在不斷的完善與發展之中。本文主要對ZigBee網絡路由協議的性能問題進行了探究。

【關鍵詞】ZigBee網絡 路由協議 性能

隨著信息技術和移動通信技術的快速發展，讓無線通信技術在各行各業得到了廣泛的應用。組網靈活、使用方便是無線傳感器網絡在實際應用中表現出來的主要特點。ZigBee協議的出現，可以讓傳統無線協議對無線傳感器的適應問題得到有效解決。

1 ZigBee協議的概述

ZigBee技術不僅功耗、成本和速率均比較低，而且便于操作使用。而IEEE 802.15.4標準具有數據傳輸率低、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各種設備之間的低速互連提供一個統一的標準。為了保證所制定出的應用層與網絡層的規范能夠匹配IEEE802.15.4標準，ZigBee規范成為ZigBee聯盟中不可缺少的因素。在與之有關的LR-WPAN網絡中，IEEE802.15.4標準編制了以下兩種要素：

（1）系統的媒體接入控制子層；

（2）系統的物理層協議規范。

ZigBee聯盟在這一前提下，所構建的應用層與網絡層協議相關的規范構成了ZigBee協議。簡言之，ZigBee協議是為適應IEEE802.15.4標準而構建的網絡層與應用層協議規范。其中，協議規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；

（3）ZigBee設備對象和廠商所定義的應用對象。

分層結構是這一協議所采用的主要結構。數據實體和管理實體這兩種服務實體在這種結構的每一層都有所涉及。數據傳輸服務是數據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據傳輸服務。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自身功能的保障性因素。圖1中的內容就是協議層之間的服務接口。

2 ZigBee網絡拓撲

ZigBee網絡拓撲結構主要由以下幾種結構組成：

（1）星型結構；

（2）樹形結構，

（3）網狀結構。

如圖2所示。

從圖中所示的內容來看，中心協調器和終端節點是星型網絡中的主要器件。這種中心協調器采用的是FFD節點，可以在整個網絡的維護和建立過程中發揮出自身的功能。RFD和FFD是終端節點主要組成部分，一般的情況下，在中心協調器覆蓋范圍以內的區域是這兩大節點的主要分布區域，這種便利性可以讓這些節點與中心協調器進行有效通信的能力得到有效提升。兩個不同設備之間進行通信的過程，也是兩設備將各自所要傳送的數據包向中心協調器進行傳送的過程。可以說，中心協調器發揮的是一種中轉作用。對中心協調器的中轉功能進行發揮的網絡系統又被稱為主從網絡。同步與控制的簡單性特點是星型網的主要特點，這種網絡體系目前僅能在一些擁有較少節點數量的場合中得到應用。網狀網絡是一種由多個FFD組合而成的骨干網絡，各節點之間的通信完全對等，在整個通信范圍內，各節點都可以與其它節點進行通信。如果其中一條路徑發生故障，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，是網狀網絡構建過程中所遵循的一個重要原則，此種有助于網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。樹狀拓撲結構主要由以下三個部分組成：

（1）中心協調器；

（2）路由節點；

（3）終端節點。

在實際應用過程中，連接路由節點和終端節點的功能是該結構的主要功能。在路由節點成為中心協調器子節點的情況下，這一結構會借助一系列的終端節點與路由節點相連。終端節點不能涵蓋自身的子節點，但路由節點與中心協調器可以涵蓋自身的子節點。在樹狀拓撲結構中，各個節點只具備一種功能，就是實現子節點與父節點之間的通訊。在這樣的情況下，如果要將一個節點中的數據傳輸到另一個節點，這種樹狀結構會讓信息順著樹的路徑進行輸送。網絡覆蓋范圍大是這一網絡結構的主要特點。由于信息路由通道在該系統中存在單一性，隨著網絡覆蓋范圍增加，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網絡路由協議的性能

3.1 路由協議的基本思想

低成本、低功效和高可靠性是ZigBee網絡路由協議的主要設計目標。樹路由和按需距離矢量路由相結合的路由算法的構建，為上述目標的實現提供了幫助。在對ZigBee網絡中使用的AODVjr與自組網中所應用的AODV協議進行對比分析以后，我們可以發現，AODVjr可以被看作是AODV的一種簡化版本。在ZigBee網絡中，節點之間存在一種類似于父子關系的從屬關系。在依托路由算法進行路徑選擇的過程中，節點會在接收到分組信息以后對信息進行判斷，如果發現其中的內容與自己無關，會把該信息傳送給其父節點或其他子節點。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的其他具備同樣功能的節點的措施，是一些具備路由功能的節點進行信息傳輸的主要措施，而針對那些不具備路由功能的節點，則只能借助樹路由來對控制分組與數據分組進行傳輸。

3.2 ZigBee的路由過程

在zigBee網絡路由協議中，節點既具備路由表能力，又具有路由發現表能力，表1所示的內容為路由發現表的格式

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

如果網絡層接收到來源于低層的數據幀，則是否需要轉發該數據幀主要取決于該數據幀的目的節點是否是本地節點。在終端設備成為目的節點以后，設備在應用過程中出現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避的有效方式。數據幀頭中的Discover Route字段決定著如何選取ZigBee網絡層的具體路由方法。

3.3 路由選擇

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

（1）抑制路由發現，這一性能是建立在已經存在的路由表基礎之上的；

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

（3）強制路由發現功能，在這一功能的作用下，不論相應的路由表是否存在，節點都會在對AODVjr路由算法進行強制應用的情況下進行初始化路由發現。可以說，數據驅動思想是與數據的傳輸種類和傳輸需要之間存在著一定的聯系；

（4）樹路由發現功能，即只應用樹狀路由方式發起路由發現，且不遵從現有的路由表。所謂的數據驅動思想就是指針對不同類型及需求的數據傳遞，可以采取多種路由方式。如果需要傳遞大量的數據，那么可以對使能路由發現功能加以選取，發現并構建最佳路徑。如果需要傳遞控制數據或突發型數據，則可以對樹路由發現功能與抑制路由發現功能加以選取，這兩種路由發現功能能夠實現快速響應，而且不需要構建路由表。如果需要更新路由表內的信息，那么可以對強制路由發現功能加以選取，以此來對路由表進行更新，對路由表加以重新構建。

4 結論

ZigBee結束對進場通信市場所表現出的低成本、低速率和低功耗的問題進行了有效解決。這一技術的應用，對低端無線傳感器和控制網絡設計的優化有著一定的促進作用。ZigBee通過結合ZigBee規范與IEEE802.15.4標準，可以有效的實現數以萬計的微波傳感器之間進行協同通信。在當下ZigBee快速發展、不斷優化的新時代下，ZigBee技術勢必會為無線接入技術領域注入全新的活力，必將使人們的生活模式及工作模式發生翻天覆地的改變，促進社會以及經濟建設更快、更好地發展。

參考文獻

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[2]關學忠，張新城，孟伸伸.基于ZigBee技術的無線傳感器網絡路由算法的性能分析[J].自動化技術與應用，2017（03）：36-39.

作者簡介

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

作者單位

湖南機電職業技術學院 湖南省長沙市 410151