傳感器網絡標準方案
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近兩年無線傳感器網絡的飛速發展，大量無線終端誕生。這些以傳感器和遠程控制為代表的無線應用不需要較高的傳輸帶寬，而需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列。藍牙技術在這方面有很大的發展空間，但它不是一種符合傳感器和低端面向控制等簡單應用的專用標準，對那些在功耗或網絡性能要求較高的個人無線應用就顯得無能為力了。
IEEE 802.15.4/ZigBee協議的出現正好解決了這一問題。
核心內容
2003年10月，就在IEEE推出802.15.4協議標準的同時，ZigBee聯盟也開始醞釀與之相配套的網絡層及應用層的協議，目的并不是為了推出一項具體的技術，而是為了給傳感器網絡和控制系統推出一個標準的解決方案。
IEEE 802.15.4/ZigBee協議是由IEEE 802.15.4標準的PHY和MAC層再加上ZigBee的網絡和應用支持層所組成的，其突出的特點是網絡系統支持極低成本、易實現、可靠的數據傳輸、短距離操作、極低功耗、各層次的安全性等。該標準一出現就引起了業界的廣泛重視，短短一年多的時間內便有上百家集成電路、運營商等宣布支持IEEE 802.15.4/ZigBee，并且很快在全球自發成立了若干聯盟。
IEEE 802.15.4/ZigBee協議中明確定義了三種拓撲結構：星型結構(Star)、簇狀結構(Cluster tree)和網狀結構(Mesh)，如圖1所示。協議定義了兩種相互配合使用的物理設備——全功能設備和削減功能設備：
● 全功能設備(Full function device, FFD)，可以支持任何一種拓撲結構，可以作為網絡協商者和普通協商者，并且可以和任何一種設備進行通信。
● 削減功能設備(Reduced function device, RFD)，只支持星型結構，不能成為任何協商者，可以和網絡協商者進行通信，實現簡單。
IEEE 802.15.4/ZigBee網絡需要至少一個全功能設備作為網絡協商者，終端節點一般使用削減功能設備來降低系統成本和功耗，提高電池使用壽命。另外所有設備必須使用一個64位的IEEE地址；可以使用16位短地址來減少數據包大??；尋址模式可以為網絡增加設備標識符的星型結構，以及源和目標標識符的點到點結構兩種。
物理層的設計是面向低成本和更高層次的集成需求的，對大部分較低端的實現來說，直接序列(Direct Sequence)的應用使得采用模擬電路變得非常簡單，具有更高的容錯性能；MAC層的設計不但使得多種拓撲結構網絡的應用變得簡單，可以實現非常有效的功耗管理，而不需要在很多管理模式之間切換。MAC層可以使用一種削減功能設備，由于其結構簡單，不需要大量的Flash、ROM和RAM等存儲設備，從而保證了較長的電池壽命。MAC還進行了特別的設計，可以支持極大數目的網絡節點，而不需要對它們進行包裝處理；網絡層的設計支持網絡規模在空間上的增長，而不需要使用高功耗的中繼器，而且網絡層在較少網絡負載的條件下可以支持更大數目的網絡節點。
主要特點
● 低功耗、實現簡單。設備可以在電池的驅動下，運行數月甚至數年。低功耗意味著較高的可靠性和可維護性，更適合體積小的大量日常應用。另外，非電池供電的設備同樣需要考慮能量的問題，因為功耗關系著成本等一系列問題。
● 低成本。對用戶來說，低成本意味著較低的設備費用、安裝費用和維護費用。ZigBee設備可以在標準電池供電的條件下(低成本)工作，而不需要任何重換電池或充電操作(低成本、易安裝)，ZigBee在內部自動可配置和網絡設備的冗余等方面的簡化更是提供了較低的維護費用。
● 單個網絡中可容納更高密度的節點。ZigBee通過使用IEEE 802.15.4標準的PHY和MAC層，支持幾乎任意數目的設備，這對于大規模傳感器陣列和控制尤其重要。
● 協議簡單，國際通用。ZigBee協議棧平均只有Bluetooth或其他IEEE 802.11的1/4，這種簡化對低成本、可交互性和可維護性非常重要。IEEE 802.15.4的PHY層的使用可以支持歐洲的868MHz的頻段、全球美洲和澳大利亞的915MHz的頻段和現在已經被廣泛使用的2.4GHz的頻段，使該協議具有更旺盛的生命力。
幀結構
IEEE 802.15.4/ZigBee幀結構的設計原則是保證網絡在有噪音的信道上以足夠健壯的傳輸的同時將網絡的復雜性降到最低。每一后繼的協議層都是在其前一層添加或者剝除了幀頭和幀尾而形成，IEEE 802.15.4的MAC層定義了4種基本幀結構:
● 信標幀，供協商者使用。
● 數據幀，承載所有的數據。
● 響應幀，確認幀的順利傳送。
● MAC命令幀，用來處理MAC對等實體之間的控制傳送。
另外，IEEE 802.15.4標準，即LR-WPAN(低數據率的無線個人網)標準還支持可選的超幀結構。該超幀結構的格式是由協商者來定義，綁定了網絡信標幀，并由協商者來使用。超幀被劃分為16個大小相等的時隙，信標幀在每一個超幀的第一個時隙中進行傳輸，如果協商者不希望使用超幀結構，可以關掉信標幀的傳輸。信標幀可以用來同步網絡中的設備，識別PAN并且描述超幀結構。在沖突訪問階段，任何一個設備如果想進行通信，必須與其他設備使用CSMA-CA的機制，而且所有的事務必須在下一個網絡信標幀到來前完成。
對于低延遲或者有特殊數據帶寬要求的應用，PAN的協商者可以利用部分活動的超幀結構來做到，它們被稱為確保服務的同步時隙(Guaranteed Time Slot，GTS) ，這些時隙是由信道無競爭周期（Contention Free Period，CFP）組成。CFP一般出現在活動的超幀尾端，前面一般跟隨著一些信道競爭訪問周期（Contention Access Period，CAP）。一個PAN協商者可能包括少于7個的GTS，而每個GTS一般占用不止一個時隙。但是協商者中還必須保留一定的時隙作為其他網絡設備訪問或者一個新的設備訪問該網絡進行通信之用。正是由于標準中定義的這種超幀結構，才保證了該協議具有極低的功耗特性。
安全性
安全性一直是個人無線網絡中的極其重要的話題。IEEE 802.15.4/ZigBee協議使用MAC層的安全機制，來保證MAC命令幀、信標幀和響應幀的安全性。單跳的數據消息是通過對MAC層的安全來做到的，而多跳的消息報文一般是通過更上層(如網絡層)的安全機制來保證的。
ZigBee的MAC層使用了一種被稱為高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）的算法進行加密的，并且它基于AES算法生成一系列的安全機制，用來保證MAC層幀的機密性(Confidentiality)、一致性(Integrity)和真實性(Authenticity)。雖然這些安全性是在MAC層上進行處理的，但是上一層(網絡層)控制著安全性的整個過程，主要包括密鑰的產生和安全級別的使用。當MAC層傳輸(接收)一個帶有安全性的幀時，它首先檢查該幀的目標地址(源地址)，并檢索到和該目標地址(源地址)相對應的密鑰，然后利用該密鑰和相對的安全級別所對應的安全機制來進行逆向處理。每一種安全機制都將對應著一個密鑰，而在MAC層幀頭中有一位直接指明該幀是否使用安全機制。
如果應用中有一致性方面的要求，那么在傳輸一個幀時就可以利用MAC層的頭和凈荷來計算4字節、8字節或者16字節的消息完整性代碼（Message Integrity Code，MIC），如圖2所示，MIC直接被加到MAC層凈荷的后面，如果有真實性的要求，MAC層的左邊會被加入幀和序列記數器，用來對該凈荷進行加密，并保證其新穎性。當接收到包括了MIC的幀時，會對它進行一定的驗證；同樣如果接收到的幀的凈荷被加密，則需要進行一定的解密操作。
MAC層的安全性有三種模式：利用了AES進行加密的CTR模式(Counter mode)、利用了AES保證一致性的CBC-MAC模式(Cipher Block Chaining密碼分組鏈接)，以及以上兩者均使用的CTR和CBC-MAC模式，被稱為CCM模式。
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