Z-Wave技術的五大協議介紹（物理、MAC、傳輸、路由及應用層）

　　z-wave協議是一種低速率，半雙工的可靠，健壯的無線傳輸協議，適用于低成本的網狀控制網絡。協議的主要目的是以可靠的方式從一個控制單元到一個或多個節點網絡傳輸短控制消息。z-wave協議不是用來傳輸大量數據或者傳輸任何類型的流或臨界時間的數據。

　　協議由下至上分為5層：物理層、MAC層、傳輸層、路由層和應用層。MAC層負責設備間無線數據鏈路的建立、維護和結束。同時控制信道接入，進行幀校驗，并預留時隙管理。為了提高數據傳輸的可靠性，當有節點進行數據傳送時，媒體介質層還采用了載波偵聽多址、沖突避免(CSMA/CA)機制以防止其他節點傳送信號。

　　傳輸層主要用于提供節點之間的可靠的數掘傳輸，主要功能包括重新傳輸、幀校驗、幀確認以及實現流量控制等。路由層控制節點間數據幀的路由、確保數據幀在不同節點間能夠多次重復傳輸、掃描網絡拓撲和維持路由表等。應用層負責Z-Wave網絡中的譯碼和指令的執行，主要功能包括曼徹斯特譯碼、指令識別、分配HomeID和Node ID、實現網絡中控制器的復制以及對于傳送和接收幀的有效荷載進行控制等。

　　Z-Wave技術的五大協議介紹

　　1)物理層

　　Z-Wave是一種低速率無線技術，專注于低速率應用，有9.6Kbit/s和40Kbit/s兩種傳輸速率，前者用來傳輸控制命令綽綽有余，而后者可以提供更為高級的網絡安全機制。它的工作頻段靈活，處于900MHz (ISM (Industrial ScienTIfic Medical)頻帶)、868.42MHz(歐洲)、908.42MHz(美國)，工作在這些頻帶上的設備相對較少，而ZigBee或藍牙所使用的2.4GHz頻帶正變得日益擁擠，相互之間的干擾不可避免，因此Z-Wave技術更能保證通信的可靠性。

　　Z-Wave的功耗極低。它使用了頻移鍵控(Frequency-Shift Keying，FSK)無線通方式，適合智能家居網絡使用，電池供電節點通常保持在睡眠狀態，每隔一段時間喚醒一次，監聽是否有需要接收的數據，兩節普通7號電池可以使用長達10年時間，免去了頻繁充電和更換電池的麻煩，保證了應用的長久穩定。

　　Z-Wave的系統復雜性比ZigBee小， 比藍牙設備要小得多，協議簡單，所要求的存儲空間很小。標準的Z-Wave模塊中設計了32KB的閃存用于存放協議，而同等功能的ZigBee模塊則至少需要128KB才能使用，藍牙則需要更多。所以Z-Wave模塊的成本要低于ZigBee或者藍牙設備。

　　Z-Wave網絡容量為單網絡最多232個節點，遠低于ZigBee的65535個。Z-Wave節點的典型覆蓋范圍為室內30m以及室外100m，最多支持4級路由。在應用的普適性方面差于ZigBee，不能使用單一技術建立大規模網絡。但對于智能家居應用來說，已經足以覆蓋到全部范圍。通過使用虛擬節點技術，Z-Wave網絡也可以與其他類型的網絡進行通信。

　　2) MAC層

　　Z-Wave的MAC層控制無線媒介。數據流采用曼徹斯特編碼，數據幀包含了前碼、幀頭、幀數據、幀尾。幀數據是幀傳遞給傳輸層的部分。所有數據都通過小端模式傳輸。MAC層獨立無線媒介、頻率和調制方法，但是要求接收到數據時能從曼徹斯特編碼比特流或解碼比特流獲得幀數據或整個二進制信號。數據通過8bit據塊傳輸，第—位是最高有效位(Most Significant Bit，MSB)，數據經過曼徹斯特編碼，以便得到一個無直流的信號。

　　MAC層具有沖突避免機制，防止節點在其他節點發送數據時開始數據的傳輸。沖突避免機制通過以下方法實現：讓不在傳輸數據的節點進入接收模式，如果MAC層正處于接收數據階段則延遲傳輸，沖突避免機制在所有類型的節點上都被激活。當媒介正忙時，幀的傳輸延遲一個隨機的毫秒數。

　　MAC層沖突避免機制的核心是CSMA/CA，包括載波監聽、幀間間隔和隨機退避機制。每=個節點使用載波偵聽多路訪問(Carrier Sense MulTIple Access，CSMA)機制的分布接入算法，讓各個節點爭用信道來獲取發送權。CSMA/CA方式采用兩次握手機制，即ACK (Acknowledgement)機制：當接收方正確地接收幀后，就會立即發送確認幀ACK，發送方收到該確認幀，。就知道該幀已經成功發送。如果媒介閑時間大于等于幀間隔，就傳輸數據，否則將延時傳輸。

　　CSMA/CA的基礎是載波監聽。物理載波監聽在物理層完成，通過對天線接收的有效信號進行檢測，若探測到這樣的有效信號，物理載波監聽認為信道忙，MAC載波監聽在MAC層完成，通過檢測MAC幀中的持續間域完成。信道空閑時才能發送數據，如果信道繁忙，就執行退避算法，然后重新檢測信道，避免共享介質碰撞。介質繁忙狀態剛剛結束的時間是碰撞發生的高峰時刻，許多節點郡在等待介質，介質空閑的第一時間所有節點都試圖發送，會導致大量碰撞，所以CSMA/CA采用隨機退避時間控制各個節點幀的發送。

　　3)傳輸層

　　傳輸層主要用于提供節點之間可靠的數據傳輸，主要功能包括重新傳輸、幀校驗、幀確認和實現流量控制等。傳輸層幀共有三種類型。

　　單播幀：單播幀向一個指定的節點發送，如果目標節點成功收到此幀，將會回復一個應答幀ACK，如果單播幀或者應答幀丟失或損壞，單播幀將被重發。為了避免與其他系統的碰撞，重傳幀將會有一個隨機延遲。隨機延遲必須與傳輸最大幀長和接收應答幀所花費的時間一致。單播幀在不需要可靠傳輸的系統中可以選擇關閉應答機制。應答幀是Z-Wave單播幀的一種類型，其數據域的長度是o。

　　多播幀：多播幀將傳輸給網絡中節點1到節點232中的若干個。多播幀目標地址指定了所有的目標節點，而不用向每個節點發送一個獨立的幀。多播沒有應答，所以這種類型的幀不能用在需要可靠傳輸的系統中，如果多播幀一定要求可靠性，則需要在多播幀之后跟著發送單播幀。

　　廣播幀：廣播幀將傳輸給網絡中所有節點，任何節點都不對該幀進行應答。和多播幀一樣，它也不能用于需要可靠傳輸的系統中，和多播幀一樣，如果廣播幀一定要求可靠性，則需要在廣播幀之后跟著發送單播幀。

　　4)路由層

　　路由層控制一個節點向另—個節點的幀的路由。控制器和節點都參與幀的路由。它們總是處在監聽狀態并且有一個固定的位置。該層負責通過一個正確的轉發表來發送幀，同時也保證幀在節點與節點之間轉發。路由層也要掃描網絡拓撲結構并且維護控制器中的路由表。

　　Z- Wave技術的路由層采用了動態源路由(Dynamic Source RouTIng，DSR)協議。DSR協議是一種按需路由協議，它允許節點動態發現到達目標節點的路由，每個數據幀的頭部附加有到達目標節點之前所需經過的節點列表，即數據分組中包含到達目標節點的完整路由。與傳統的路由方法不同，傳統路由方法如按需距離矢量(AdHoc On-demand Distance Vector RouTIng，AODV)協議在分組中只包含下一跳節點和目的節點地址，所以DSR不需要周期性廣播網絡拓撲信息，避免網絡大規模更新，能有效減少網絡帶寬開銷，節約能量消耗。

　　在發現路由時，源節點發送一個含有源路由列表的路由請求幀，此時路由列表只有源節點，收到該幀的節點繼續向前發送該幀，并在路由列表中加入自己的節點地址，直到到達目標節點。每個節點都有一個用于保存最近收到路由請求的存儲區，

　　因此可以不重復轉發已經收到的請求幀。部分節點(如果它們有額外的外部存儲空間)會將已經獲得的源路由表存儲下來以減少路由開銷。當收到請求幀時，先查看存儲的路由表中是否存在合適路由，如果有就不再轉發，直接返回該路由至源節點，如果請求被轉發到了目標節點，那么目標節點就將返回一個返回路由。

　　當源節點要與目標節點通信時，源節點首先廣播一個具有唯-一ID的RREQ消息，被源節點無線覆蓋范圍內一個或多個具有到目標節點路由信息的中間節點接收，返回該路由信息至源節點。每個節點的路由緩沖區都會記錄該節點偵聽到的路由信息。當一個節點收到RREQ消息時，如果在該節點最近的請求中包含該請求，則丟棄該請求;如果RREQ路由記錄中包含當前節點的地址，則不進行處理，防止形成環路;如果當前節點就是目標節點，則發送返回路由給源節點;其他情況下，該節點在RREQ中添加自己的地址，并將該幀廣播出去。

　　當路由列表上的一個節點移動或掉電時，網絡拓撲會發生變化，路由不可用。當上游節點通過MAC層協議發現連接不可用時，就會向上游所有節點發送RERR。源節點收到該RERR后，會從路由存儲區中刪除無效路由，如果需要的話源節點會重新發起路由發現過程來建立新路由。

　　DSR協議不需要周期性地交換路由信息，可以減少網絡開銷，節點可以進入休眠模式，節省電池電量。數據幀中含有完整的路由信息，節點可以獲取完整路由中所包含的部分有用信息，如A到B到C的路由中包含了B到C的路由信息，B節點不需要發起對C的路由發現，從而節省了路由發現所需的開銷。同時，DSR協議網絡的規模受到了限制，因為數據包中有很多都帶有路由信息，過長的路由表會大幅增加網絡分組開銷，鑒于一個Z-Wave網絡中最多232個節點的限定和最多支持4跳路由，DSR協議的額外開銷并不至于十分嚴重，增強型節點類型也有更大的外部存儲空間可以存儲最近使用的路由信息，也以硬件開銷彌補網絡性能。

　   5)應用層

　　應用層負責Z-Wave網絡中的譯碼和指令的執行，主要功能包括曼徹斯特譯碼、指令識別、分配Home ID和Node ID、實現網絡中控制器的復制以及對于傳送和接收幀的有效荷載進行控制等。Z-Wave技術關注設備的互操作性和廠商開發的方便性，在應用層中引入了相關機制以實現這一點。

　　為了實現智能家居控制系統中眾多子系統的相互作用，加強各個領域廠商產品的相互操作性，Z-Wave提供了標準化的方法來實現設備和設備之間的相互作用。這允許從某一個廠商制造的遙控器提供照明子系統的調光功能，對另一個廠商制造的燈光節點進行控制。這樣所有的廠商只需要集中精力開發其所擅長的產品，它們可以很好地工作在一個Z-Wave網絡中，而不需要自己包辦整套智能家居系統，給廠商的開發提供了便捷。