ZigBee無線通信協議隨機地址分配機制研究

董友俊

關鍵詞：ZigBee;隨機地址分配;地址沖突;NS2

1引言

ZigBee技術是在IEEE802.15.4無線通信協議標準上建立的近距離無線組網通信技術，具有近距離、自組織、低功耗、低復雜度等特點[1]，主要用于近距離低速率電子設備之間的數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據傳輸需求的場景，包括汽車工業、家庭自動化、遙控遙測、定位系統等領域。

ZigBee技術的地址分配有兩種機制，分別是分布式地址分配機制（Distributed Address AssignmentMechanism，簡稱DAAM）和隨機地址分配機制（Stochastic Address Assignment Mechanism，簡稱SAAM）。DAAM強調“地址——位置”的對應關系，更確切地說是“子節點地址——父節點地址”的對應關系，該對應關系是樹狀路由的基礎。而SAAM采用邏輯上更簡單的隨機方式分配地址，該機制對應的是網狀路由[2]。

現有的隨機地址分配算法（簡稱SAAM算法）雖能完成節點的入網地址分配工作，但時間消耗和通信開銷較大，對于采用電池供電的ZigBee設備而言，顯然是技術弊端。因此，本文在深入研究SSAM算法的基礎上，提出了新型的基于鄰居確認的隨機地址分配算法（Stochastic Address Assignment Mechanism basedon the Confirm of the Neighbors，簡稱SAAMCN），以減少時間和通信開銷，同時對重復地址進行有效清理。

本文的主要工作包括如下四個方面：（1）研究ZigBee現有的隨機地址分配算法SAAM并分析其優缺點;（2）針對SAAM的缺陷提出新型掃描算法SAAMCN;（3）將SAAM和SAAMCN在NS2網絡仿真平臺上實現;（4）對SAAM和SAAMCN進行多指標多場景的測試，驗證SAAMCN算法的有效性。

2SAAM算法分析

SAAM算法的邏輯是：從協調器開始，每個父節點都隨機從65533個地址中為子節點分配地址，而不考慮子節點的類型。因為短地址總共65536個，其中有3個（分別是Ox0000，OxFFFE，OxFFFF）不參與地址分配，故地址池大小為65533。父節點每隨機出一個地址，都要去自己的子地址列表中查詢，以確認該地址是否已經分配過。若是，則重新隨機，否則將該網絡地址通過入網應答命令傳遞給子節點。子節點在收到入網應答命令之后，需要向全網廣播“設備聲明”（Device Announce），其中包含剛獲得的網絡地址和64位長地址。其他設備收到該聲明之后，首先判斷自己的網絡地址與該聲明中的網絡地址是否一致，若是，則以廣播方式發送“地址沖突”（Address Conflict），并且自行重新隨機選擇網絡地址，同樣需要發送“設備聲明”，否則繼續轉廣播“設備聲明”。節點收到“地址沖突”的通告之后，自行重新隨機選擇網絡地址，繼續重復上述流程。節點在收到設備聲明之后，首先要判斷此前是否接收過，若已接收，則直接忽略。還需要注意若節點發現網絡地址沖突，即既要發送地址沖突通告，還要通過自行隨機的方式重新給自己分配網絡地址，最后還需廣播設備聲明將新獲得的網絡地址通知全網。

地址沖突通告中包含網絡地址、64位長地址、廣播序列號。這些信息在最初節點發送設備聲明時設置，此后的轉發節點只會讀取其中的信息并記錄在本地的聲明發送列表（或沖突發送列表），不會修改其中的值。只有最初發送設備聲明的節點收到地址沖突通告，才會在重新選擇網絡地址之后將廣播序列號加一，重復此前廣播。廣播序列號的作用除了避免無窮廣播之外，還可以便于節點識別這是來自某個節點的第幾個廣播包。

通過以上分析可知SAAM算法具有以下優點：（1）降低了欲入網節點選擇潛在父節點的邏輯復雜度，因此減輕了掃描階段的壓力。而且，潛在父節點采用隨機方式獲得網絡地址，操作方便;（2）由于不存在地址池枯竭的問題，節點的入網也就沒有靜態和動態之分，所以也就不用考慮借地址等問題，欲入網節點都能分到地址;（3）潛在父節點得出網絡地址不需要計算，因此不需要R。等參數。這就意味著在DAAM機制中，與這些參數對應的限制在SAAM機制中都不存在。在一些不能提供等參數值的場合下，SAAM算法非常合適。

SAAM算法把壓力集中到了獲得網絡地址之后，因為子節點要進行全網廣播來避免地址沖突，并對沖突的地址進行處理。從上述對設備聲明和地址沖突通告的處理邏輯上，我們不難發現，SAAM算法以下明顯的缺點：（1）子節點獲得網絡地址后都需要進行全網廣播設備聲明，即已入網節點都要為剛入網節點轉發一次設備聲明，除非該節點的網絡地址與剛入網的節點沖突，但沖突的情況更糟糕，因為沖突就需要廣播地址沖突通告，節點重新選擇網絡地址之后還需要廣播，又加重了整個網絡的負擔。而且，這種廣播是每個節點剛入網是都會促發的，顯然通信開銷很大，耗時很長;（2）在出現地址沖突時，SAAM算法要求重復的地址都要重新選擇，但并未考慮原網絡地址在網絡中存在過，在部分節點的路由表、鄰居表等屬性表中都有記錄，SAAM算法并未對這些記錄進行有效的處理。

3SAAMCN算法

針對SAAM算法存在的問題，本文提出基于鄰居確認的隨機地址分配算法-SAAMCN，可以看作是對SAAM算法的優化或者補充。

首先，對于廣播成本高的問題，SAAMCN算法采用將廣播限制在兩跳范圍內的方法來解決。這就從根本上解決了成本問題，能夠明顯減少廣播的通信開銷，節省時間。但必須指出的是，該算法在網絡規模很大的情況下效果不太理想，因為隨著網絡規模的擴大，兩跳廣播覆蓋的范圍占全網的比率比較小，雖然通信開銷和時間消耗控制在低位，但是避免地址沖突的功能就受限制，因此該算法的適用范圍是中等及以下規模的網絡[3]。

SAAMCN算法在節點接到設備聲明之后，不僅要跟本節點的網絡地址比較，還要跟本地的路由表、鄰居表等屬性表中記錄的節點網絡地址比較，只要查到有設備聲明中網絡地址的記錄，就可確定該網絡地址是重復的，直接發送地址沖突通告即可，因為該通告并非一定要網絡地址重復的節點才能發送。

在出現地址沖突后，擁有該網絡地址的節點都將會修改地址，則網絡中其他節點關于該網絡地址的記錄就無效了，因此SAAMCN算法在節點收到地址沖突通告之后，如果本節點的短地址跟正在進行設備聲明的短地址不相同（此類節點稱為第三方節點），則查詢本地的各種屬性表，若發現通告中的短地址記錄，則刪除相應的信息，以解決地址變更時節點信息未清理的問題。

通過對SAAM算法的一系列改進，不難發現SAAMCN算法的已具有如下優勢：（1）同樣具有邏輯復雜度低、地址池不枯竭、不受參數限制等優勢，即SAAMCN算法完全保留了SAAM算法的優勢;（2）采用兩跳廣播代替SAAM算法的全網廣播，有效地控制了通信開銷和時間消耗;（3）查詢屬性表確認地址沖突的策略擴大了設備通告的實際范圍，因此彌補了兩跳廣播造成搜索范圍有限的劣勢;（4）特有的沖突地址信息清理機制保證了已失效的地址信息不會繼續存在于網絡中，保障了網絡的正常運行。

4模擬仿真及數據分析

為了驗證SAAMCN算法的有效性，本文將其在NS2上進行仿真實現并做相應的測試。本文模擬仿真所采用的NS2是開源免費的仿真軟件，其具有較高的執行效率、豐富的構件庫、靈活的配置，良好的可擴展性和開放性等優點[4]。同時，將SAAM算法也在NS2上模擬實現并測試，將兩組算法的測試數據進行對比，以增強說服力。

本文設置了7套模擬仿真場景，具體如表1所列。在200個節點以下的場景中，SAAMCN能保證0.050-/0以下的重復率，特別是150個及以下節點的場景，重復的情況基本上統計不到，所以SAAMCN算法的非常適用于200個節點以下的場景。在現實生活中，小規模ZigBee網絡大約是十幾個節點，中等規模網絡節點數約幾十或者上百個，因此SAAMCN算法在中小規模網絡中表現優異。

圖2和圖3顯示，SAAMCN算法時間消耗和通信開銷都遠低于SAAM算法。

綜合比較三組數據，發現在網絡規模低于200個節點時，SAAMCN的重復率和SAAM很接近，但通信開銷和時間消耗遠遠低于SAAM，因此SAAMCN算法具有明顯優勢。在網絡規模大于200個節點時，SAAMCN的時間消耗和通信開銷遠低于SAAM.重復率高于SAAM。因此，得出結論：在網絡規模不是很大時，SAAMCN算法在總體指標上優于SAAMCN算法。

5結束語

本文在對ZigBee網絡隨機地址分配機制進行深入研究的基礎上，分析出現有隨機地址分配算法SAAM會造成較大的通信開銷和時間消耗，且未能有效清理重復地址信息的問題，并提出了新型隨機地址分配算法SAAMCN。該算法對廣播的跳數做出限制，并充分利用屬性表來清理重復地址信息，以解決上述問題。最后，通過在NS2仿真平臺上的模擬測試，證明SAAMCN在其適用范圍內的優越性。