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        ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能分析

        2017-07-05 11:41:17李玉林
        電子技術(shù)與軟件工程 2017年12期
        關(guān)鍵詞:路由協(xié)議性能

        摘 要在信息時代,無線通信網(wǎng)絡(luò)與人們的生活息息相關(guān)。ZigBee技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中表現(xiàn)出低能耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本等特點(diǎn)。這一技術(shù)的規(guī)范和應(yīng)用仍在不斷的完善與發(fā)展之中。本文主要對ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的性能問題進(jìn)行了探究。

        【關(guān)鍵詞】ZigBee網(wǎng)絡(luò) 路由協(xié)議 性能

        隨著信息技術(shù)和移動通信技術(shù)的快速發(fā)展,讓無線通信技術(shù)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。組網(wǎng)靈活、使用方便是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出來的主要特點(diǎn)。ZigBee協(xié)議的出現(xiàn),可以讓傳統(tǒng)無線協(xié)議對無線傳感器的適應(yīng)問題得到有效解決。

        1 ZigBee協(xié)議的概述

        ZigBee技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)具有數(shù)據(jù)傳輸率低、成本少、功耗低等特性,其最終目標(biāo)就是為家庭或個人范圍內(nèi)各種設(shè)備之間的低速互連提供一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為了保證所制定出的應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層的規(guī)范能夠匹配IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),ZigBee規(guī)范成為ZigBee聯(lián)盟中不可缺少的因素。在與之有關(guān)的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中,IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)編制了以下兩種要素:

        (1)系統(tǒng)的媒體接入控制子層;

        (2)系統(tǒng)的物理層協(xié)議規(guī)范。

        ZigBee聯(lián)盟在這一前提下,所構(gòu)建的應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議相關(guān)的規(guī)范構(gòu)成了ZigBee協(xié)議。簡言之,ZigBee協(xié)議是為適應(yīng)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)而構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范。其中,協(xié)議規(guī)范可以由以下幾方面因素組成:

        (1)應(yīng)用支持子層;

        (2)應(yīng)用架構(gòu);

        (3)ZigBee設(shè)備對象和廠商所定義的應(yīng)用對象。

        分層結(jié)構(gòu)是這一協(xié)議所采用的主要結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)實(shí)體和管理實(shí)體這兩種服務(wù)實(shí)體在這種結(jié)構(gòu)的每一層都有所涉及。數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)是數(shù)據(jù)實(shí)體所承擔(dān)的主要形式。管理實(shí)體提供的服務(wù)中并沒有涉及到數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。服務(wù)接入點(diǎn)是為上層提供接口的重要工具。服務(wù)原語命令是服務(wù)接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自身功能的保障性因素。圖1中的內(nèi)容就是協(xié)議層之間的服務(wù)接口。

        2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

        ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由以下幾種結(jié)構(gòu)組成:

        (1)星型結(jié)構(gòu);

        (2)樹形結(jié)構(gòu),

        (3)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

        如圖2所示。

        從圖中所示的內(nèi)容來看,中心協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)是星型網(wǎng)絡(luò)中的主要器件。這種中心協(xié)調(diào)器采用的是FFD節(jié)點(diǎn),可以在整個網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和建立過程中發(fā)揮出自身的功能。RFD和FFD是終端節(jié)點(diǎn)主要組成部分,一般的情況下,在中心協(xié)調(diào)器覆蓋范圍以內(nèi)的區(qū)域是這兩大節(jié)點(diǎn)的主要分布區(qū)域,這種便利性可以讓這些節(jié)點(diǎn)與中心協(xié)調(diào)器進(jìn)行有效通信的能力得到有效提升。兩個不同設(shè)備之間進(jìn)行通信的過程,也是兩設(shè)備將各自所要傳送的數(shù)據(jù)包向中心協(xié)調(diào)器進(jìn)行傳送的過程??梢哉f,中心協(xié)調(diào)器發(fā)揮的是一種中轉(zhuǎn)作用。對中心協(xié)調(diào)器的中轉(zhuǎn)功能進(jìn)行發(fā)揮的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)又被稱為主從網(wǎng)絡(luò)。同步與控制的簡單性特點(diǎn)是星型網(wǎng)的主要特點(diǎn),這種網(wǎng)絡(luò)體系目前僅能在一些擁有較少節(jié)點(diǎn)數(shù)量的場合中得到應(yīng)用。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一種由多個FFD組合而成的骨干網(wǎng)絡(luò),各節(jié)點(diǎn)之間的通信完全對等,在整個通信范圍內(nèi),各節(jié)點(diǎn)都可以與其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。如果其中一條路徑發(fā)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?yàn)閮蓚€節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn),是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中所遵循的一個重要原則,此種有助于網(wǎng)絡(luò)層找到最佳的信息傳遞路徑,事實(shí)上屬于一種多信道通信。樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由以下三個部分組成:

        (1)中心協(xié)調(diào)器;

        (2)路由節(jié)點(diǎn);

        (3)終端節(jié)點(diǎn)。

        在實(shí)際應(yīng)用過程中,連接路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的功能是該結(jié)構(gòu)的主要功能。在路由節(jié)點(diǎn)成為中心協(xié)調(diào)器子節(jié)點(diǎn)的情況下,這一結(jié)構(gòu)會借助一系列的終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)相連。終端節(jié)點(diǎn)不能涵蓋自身的子節(jié)點(diǎn),但路由節(jié)點(diǎn)與中心協(xié)調(diào)器可以涵蓋自身的子節(jié)點(diǎn)。在樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,各個節(jié)點(diǎn)只具備一種功能,就是實(shí)現(xiàn)子節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)之間的通訊。在這樣的情況下,如果要將一個節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點(diǎn),這種樹狀結(jié)構(gòu)會讓信息順著樹的路徑進(jìn)行輸送。網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大是這一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)。由于信息路由通道在該系統(tǒng)中存在單一性,隨著網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的性能

        3.1 路由協(xié)議的基本思想

        低成本、低功效和高可靠性是ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。樹路由和按需距離矢量路由相結(jié)合的路由算法的構(gòu)建,為上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了幫助。在對ZigBee網(wǎng)絡(luò)中使用的AODVjr與自組網(wǎng)中所應(yīng)用的AODV協(xié)議進(jìn)行對比分析以后,我們可以發(fā)現(xiàn),AODVjr可以被看作是AODV的一種簡化版本。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)之間存在一種類似于父子關(guān)系的從屬關(guān)系。在依托路由算法進(jìn)行路徑選擇的過程中,節(jié)點(diǎn)會在接收到分組信息以后對信息進(jìn)行判斷,如果發(fā)現(xiàn)其中的內(nèi)容與自己無關(guān),會把該信息傳送給其父節(jié)點(diǎn)或其他子節(jié)點(diǎn)。為了對路由效率進(jìn)行進(jìn)一步的提升,AODVjr也會為一些具備路由功能的節(jié)點(diǎn)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(guān)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(nèi)的其他具備同樣功能的節(jié)點(diǎn)的措施,是一些具備路由功能的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸?shù)闹饕胧?,而針對那些不具備路由功能的?jié)點(diǎn),則只能借助樹路由來對控制分組與數(shù)據(jù)分組進(jìn)行傳輸。

        3.2 ZigBee的路由過程

        在zigBee網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中,節(jié)點(diǎn)既具備路由表能力,又具有路由發(fā)現(xiàn)表能力,表1所示的內(nèi)容為路由發(fā)現(xiàn)表的格式

        從階段網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)幀獲取情況來看,在網(wǎng)絡(luò)層從更高層接受數(shù)據(jù)幀的情況下,廣播發(fā)送是節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的主要方式。在接收節(jié)點(diǎn)為路由器或協(xié)調(diào)器的情況下,如果數(shù)據(jù)幀的目的節(jié)點(diǎn)是該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn),這一數(shù)據(jù)幀會被直接傳送到目的地址之中。如果網(wǎng)絡(luò)層接收的是來自低層的數(shù)據(jù)幀,數(shù)據(jù)幀的目的節(jié)點(diǎn)成為了系統(tǒng)對數(shù)據(jù)幀的發(fā)送方式進(jìn)行確定的主要方式。在對一些具備路由功能的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確定的過程中,系統(tǒng)會對目的地址在路由表中的地址加以核查,在節(jié)點(diǎn)目的地址的路由條目不確定的情況下,首先針對數(shù)據(jù)幀頭系統(tǒng)需要對幀控制域中的路由發(fā)現(xiàn)標(biāo)志進(jìn)行核查,如果路由發(fā)現(xiàn)標(biāo)志值為0,或者此節(jié)點(diǎn)缺少路由功能,則可采取樹路由的方式傳輸數(shù)據(jù)幀;倘若該發(fā)現(xiàn)路由標(biāo)志值為1,則該節(jié)點(diǎn)可根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)的發(fā)起方式及條件來發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)。針對目的地址的路由條目明確的節(jié)點(diǎn),必須借助已有路由表?xiàng)l目進(jìn)行路由傳輸。

        如果網(wǎng)絡(luò)層接收到來源于低層的數(shù)據(jù)幀,則是否需要轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀主要取決于該數(shù)據(jù)幀的目的節(jié)點(diǎn)是否是本地節(jié)點(diǎn)。在終端設(shè)備成為目的節(jié)點(diǎn)以后,設(shè)備在應(yīng)用過程中出現(xiàn)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(yīng)用,就成為了對休眠效應(yīng)的不利影響進(jìn)行規(guī)避的有效方式。數(shù)據(jù)幀頭中的Discover Route字段決定著如何選取ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的具體路由方法。

        3.3 路由選擇

        在節(jié)點(diǎn)的職能定義和工作狀態(tài)存在一定差異性的情況下,路由策略選擇就成為了zigBee網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能的一種表現(xiàn)。路由選擇策略主要由以下幾種策略組成。

        (1)抑制路由發(fā)現(xiàn),這一性能是建立在已經(jīng)存在的路由表基礎(chǔ)之上的;

        (2)使能路由的發(fā)現(xiàn),即路由表中存在該路由地址,則按路由表執(zhí)行,否則路由器進(jìn)行初始化路由發(fā)現(xiàn)處理。如果路由表中的節(jié)點(diǎn)不具備初始路由的發(fā)現(xiàn)能力,系統(tǒng)會對樹形路由進(jìn)行運(yùn)用;

        (3)強(qiáng)制路由發(fā)現(xiàn)功能,在這一功能的作用下,不論相應(yīng)的路由表是否存在,節(jié)點(diǎn)都會在對AODVjr路由算法進(jìn)行強(qiáng)制應(yīng)用的情況下進(jìn)行初始化路由發(fā)現(xiàn)。可以說,數(shù)據(jù)驅(qū)動思想是與數(shù)據(jù)的傳輸種類和傳輸需要之間存在著一定的聯(lián)系;

        (4)樹路由發(fā)現(xiàn)功能,即只應(yīng)用樹狀路由方式發(fā)起路由發(fā)現(xiàn),且不遵從現(xiàn)有的路由表。所謂的數(shù)據(jù)驅(qū)動思想就是指針對不同類型及需求的數(shù)據(jù)傳遞,可以采取多種路由方式。如果需要傳遞大量的數(shù)據(jù),那么可以對使能路由發(fā)現(xiàn)功能加以選取,發(fā)現(xiàn)并構(gòu)建最佳路徑。如果需要傳遞控制數(shù)據(jù)或突發(fā)型數(shù)據(jù),則可以對樹路由發(fā)現(xiàn)功能與抑制路由發(fā)現(xiàn)功能加以選取,這兩種路由發(fā)現(xiàn)功能能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng),而且不需要構(gòu)建路由表。如果需要更新路由表內(nèi)的信息,那么可以對強(qiáng)制路由發(fā)現(xiàn)功能加以選取,以此來對路由表進(jìn)行更新,對路由表加以重新構(gòu)建。

        4 結(jié)論

        ZigBee結(jié)束對進(jìn)場通信市場所表現(xiàn)出的低成本、低速率和低功耗的問題進(jìn)行了有效解決。這一技術(shù)的應(yīng)用,對低端無線傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的優(yōu)化有著一定的促進(jìn)作用。ZigBee通過結(jié)合ZigBee規(guī)范與IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),可以有效的實(shí)現(xiàn)數(shù)以萬計(jì)的微波傳感器之間進(jìn)行協(xié)同通信。在當(dāng)下ZigBee快速發(fā)展、不斷優(yōu)化的新時代下,ZigBee技術(shù)勢必會為無線接入技術(shù)領(lǐng)域注入全新的活力,必將使人們的生活模式及工作模式發(fā)生翻天覆地的改變,促進(jìn)社會以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)更快、更好地發(fā)展。

        參考文獻(xiàn)

        [1]張習(xí)勝.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的路由算法分析與實(shí)現(xiàn)[J].電子元器件應(yīng)用,2010(07):53-56.

        [2]關(guān)學(xué)忠,張新城,孟伸伸.基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法的性能分析[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2017(03):36-39.

        作者簡介

        李玉林(1981-),男,湖南省永興縣人。碩士學(xué)位?,F(xiàn)為湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理。

        作者單位

        湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南省長沙市 410151

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