ZigBee协议
一种低速低功耗短距离局域网协议
节点组成
协调器
网络核心与数据传递枢纽
- 网络组建与维护的唯一节点
- 全网络数据汇聚中心
- 实现与上位机的数据交互
路由器
数据转发与网络维护
- 数据包的多跳转发（类似传统路由器）
- 路由发现与维护（动态路径优化）
- 允许子节点接入网络
终端节点
直接或通过路由器连接协调器
- 仅支持数据采集与上传
- 不具备数据转发能力
- 可进入深度睡眠模式
全功能节点与半功能节点
FFD全功能设备:
- 可担任协调器/路由器/终端任一角色
- 支持完整协议栈功能
- 具备路由发现与维护能力
RFD精简功能设备:
- 仅能作为终端设备
- 功能限制：无数据转发能力
- 典型应用：电池供电的传感器节点
网络架构模型
四层架构（PHY/MAC/NWK/APL）、五层架构（细分APS层）
物理层
无线电收发管理与调制解调
频段：
- 2.4GHz（全球通用，16信道，250kbps）
- 868MHz（欧洲，单信道，20kbps）
- 915MHz（北美，10信道，40kbps）
功能：
- 载波侦听与冲突避免（CSMA-CA）
- 信号调制解调（DSSS技术）
- 信道能量检测（ED扫描）
MAC层
信道控制与通信
关键机制:
- 信标帧广播（网络发现与同步）
- 时隙分配（超帧结构）
- 可靠传输（ACK确认机制）
入网流程:
- 主动扫描可用信道
- 关联请求/响应握手
- 安全认证过程
网络层
路由、设备状态维护与子节点管理
地址体系:
- 64位长地址（IEEE MAC地址）
- 16位短地址（网络分配）
路由协议:
- AODVjr（简化版按需路由）
- 树路由（基于父子关系）
- 网状路由（多路径优化）
APS层
端到端数据重传与安全特性
核心服务:
- 应用数据分片重组
- 端到端确认重传
- 绑定表管理（间接寻址）
安全机制:
- AES-128加密
- 完整性校验（MIC）
- 密钥分发管理
应用层
用户应用与设备管理
功能划分:
- AF（应用框架）：用户自定义功能
- ZDO（设备对象）：网络管理接口
规范定义:
- 公共应用规范（如ZCL）
- 厂商特定应用规范
- 设备描述文件（.zcd格式）
拓扑类型与组网
星状结构:
- 中心节点依赖（类似WiFi）
- 协调器故障会导致全网瘫痪
- 组网简单但可靠性低
网状结构:
- 无严格中心节点（协调器仅负责入网）
- 多路径冗余（单节点故障不影响通信）
- 协调器损坏仅影响新设备加入
树状结构:
- 分层路由机制
- 父节点故障影响子树通信
- 能耗均衡性优于网状结构
组网流程
网络初始化
协调器必须满足两个条件才能初始化网络：
- 是全功能节点；
- 未连接其他网络。若已连接其他网络，则只能作为子节点。
协调器会主动进行能量扫描，发送信标请求（MAC层），检测是否存在其他网络协调器。
选择干扰最小的信道，可由开发者预定义或自动选择最优信道。
设置唯一的PAN ID（网络标识符），不能与广播地址0xFFFF冲突，也不能与其他网络重复。
协调器短地址固定为0x00000，其他设备由父节点分配短地址，需保证网络内唯一性。
节点加入网络
扫描阶段：节点扫描协调器发布的信标帧，获取网络信息（如PAN ID），支持开发者预定义连接特定设备。
连接请求：节点发起连接后，协调器先回复ACK，再判断资源是否充足。若资源不足则返回连接失败，节点需重试。
地址分配：连接成功后，协调器为节点分配短地址（非0x0000），后续通信使用该地址。
Zigbee安全机制
安全模式分类
非安全模式
- 特点：默认模式，无任何安全服务，密钥明文传输，易被窃听。
访问控制模式
- 机制：通过ACL列表限制设备接入（如MAC地址白名单），类似WiFi的MAC过滤。
安全模式
- 特点：使用加密，提供数据完整性和机密性保护，分为标准模式和高级模式。
核心密钥体系
三种128位对称密钥
- 主密钥：生成其他密钥。
- 网络密钥：用于广播加密。
- 链接密钥：用于单播加密。
信任中心
- 角色：由协调器担任，负责密钥分发管理。
- 功能：主密钥生成网络密钥和链接密钥。
安全模式的具体实现与风险
标准安全模式
- 密钥传输：通过网络明文传输密钥，存在被嗅探风险。
- 默认风险：默认链接传输密钥为
hex("ZigbeeAlliance09")，若未修改，攻击者可解密所有通信数据。
高级安全模式
- 预安装机制：密钥固件预置，不通过网络传输。
- 存在风险：存在固件逆向提取密钥的风险。
加密与防护技术
AES-CCM*
- 加密流程：数据分128位块加密，生成MIC校验值。接收方校验MIC匹配后才解密。
帧计数器
- 防重放攻击：每个节点维护32位帧计数器，拒绝重复或滞后的数据包。
