?ZigBee作為一種低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )標準，廣泛應用于家庭自動(dòng)化、工業(yè)控制、醫療保健、智能建筑等多個(gè)領(lǐng)域。其高效的路由機制是實(shí)現這些應用場(chǎng)景的關(guān)鍵。本文將深入解析ZigBee協(xié)議棧中的路由機制，包括Table Routing、Broadcast Routing、Multicast Routing以及Many-to-One/Source Routing等經(jīng)典路由策略。

ZigBee協(xié)議棧概述

ZigBee協(xié)議棧由四層組成：物理層（PHY Layer）、媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層（MAC Layer）、網(wǎng)絡(luò )層（Network Layer）和應用層（Application Layer）。每層通過(guò)服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)（SAP）向上層提供服務(wù)。物理層和MAC層遵循IEEE 802.15.4標準，而網(wǎng)絡(luò )層和應用層則由ZigBee聯(lián)盟定義。

物理層（PHY Layer）

物理層負責無(wú)線(xiàn)信號的發(fā)送和接收，包括RF信號的調制和解調，以及信道選擇等功能。ZigBee在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz頻段下工作，其中2.4 GHz頻段是全球通用的ISM頻段，支持16個(gè)通信信道。物理層使用偏移鍵控的相位調制技術(shù)（O-QPSK）在2.4 GHz頻段下提供高誤碼性能，而在868 MHz和915 MHz頻段則分別采用二進(jìn)制相位移位鍵控（BPSK）調制。

媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層（MAC Layer）

MAC層負責節點(diǎn)之間的通信接入和碰撞避免，也負責數據包的組裝和解組裝，包括確認機制和加密處理。MAC層通過(guò)CSMA-CA機制控制對無(wú)線(xiàn)信道的訪(fǎng)問(wèn)，確保數據傳輸的可靠性。

網(wǎng)絡(luò )層（Network Layer）

網(wǎng)絡(luò )層負責路由和設備發(fā)現等功能，也負責創(chuàng )建、管理和維護網(wǎng)絡(luò )。它通過(guò)數據實(shí)體（NLDE）和管理實(shí)體（NLME）提供服務(wù)，確保數據包在網(wǎng)絡(luò )中的正確傳輸。網(wǎng)絡(luò )層還支持多種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，包括星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀結構，提高了網(wǎng)絡(luò )的容錯性和靈活性。

應用層（Application Layer）

應用層包括應用支持子層（APS）和ZigBee設備對象（ZDO）。APS提供NWK和APL之間的接口，負責數據包的匹配和轉發(fā)。ZDO則負責設備和服務(wù)發(fā)現，安全管理，網(wǎng)絡(luò )管理等高級功能。

ZigBee路由機制

Part 1: Table Routing

Table Routing是ZigBee網(wǎng)絡(luò )中最基本的路由機制。當源節點(diǎn)需要向目標節點(diǎn)發(fā)送數據時(shí)，它首先發(fā)送路由發(fā)現請求，以建立從源節點(diǎn)到目標節點(diǎn)的路由表。一旦路由建立，源節點(diǎn)只需將數據發(fā)送給路由表中的第一個(gè)節點(diǎn)，該節點(diǎn)再根據自己的路由表將數據轉發(fā)給下一個(gè)節點(diǎn)，直到數據到達目標節點(diǎn)。

如果路由失敗，比如某個(gè)中間節點(diǎn)無(wú)法將數據轉發(fā)給下一個(gè)節點(diǎn)，路由錯誤將被發(fā)送回給源節點(diǎn)，源節點(diǎn)將重新發(fā)起路由發(fā)現請求。這種機制確保了數據的可靠傳輸，同時(shí)也提高了網(wǎng)絡(luò )的健壯性。

Part 2: Broadcast Routing

Broadcast Routing是一種在網(wǎng)絡(luò )中向所有設備發(fā)送消息的機制。網(wǎng)絡(luò )層廣播具有選項，可以選擇將消息發(fā)送給所有路由設備、非休眠的終端設備或帶休眠的終端設備。由于廣播消息會(huì )被網(wǎng)絡(luò )中所有路由設備重復廣播多次（通常為3次），以確保消息能夠傳達到所有設備，因此廣播機制在網(wǎng)絡(luò )性能上需要謹慎使用。

雖然廣播是發(fā)送消息的可靠方法，但過(guò)多的廣播可能會(huì )限制網(wǎng)絡(luò )中其他正在進(jìn)行的通信，導致網(wǎng)絡(luò )擁塞。此外，廣播也不是向休眠設備發(fā)送消息的可靠方式，因為父設備可能會(huì )在休眠子設備喚醒前丟失消息。

Part 3: Multicast Routing

Multicast Routing提供了一對多的通信路由選項。在這種機制下，設備可以將消息發(fā)送給一組特定的設備，而不是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )。當一個(gè)設備想要向一組設備（如一組燈）發(fā)送消息時(shí)，它可以使用Multicast Routing。只有屬于該組的設備才會(huì )收到消息，而其他設備則負責將消息轉發(fā)給組成員。

Multicast Routing可以看作是受限的廣播，它減少了不必要的消息傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò )效率。然而，過(guò)多地使用Multicast Routing仍然會(huì )降低網(wǎng)絡(luò )性能，因此需要根據實(shí)際需求謹慎使用。

Part 4: Many-to-One/Source Routing

Many-to-One Routing是一種簡(jiǎn)單的路由機制，使得網(wǎng)絡(luò )中的所有路由設備都擁有回到中心節點(diǎn)（集中器）的路由。中心節點(diǎn)周期性發(fā)送Many-to-One route discovery廣播，網(wǎng)絡(luò )中的路由設備收到廣播后，更新自己的路由表，以便知道回到中心節點(diǎn)的路由。

Source Routing則是中心節點(diǎn)通過(guò)接收路由記錄（Route Record）來(lái)建立到網(wǎng)絡(luò )中其他設備的路由。當路由設備向中心節點(diǎn)發(fā)送單播數據時(shí)，它會(huì )先發(fā)送一條Route Record給中心節點(diǎn)，中心節點(diǎn)收到后將路由反向并存儲在源路由表中。這樣，中心節點(diǎn)就可以通過(guò)查詢(xún)源路由表來(lái)獲取發(fā)往任何路由設備的路由信息。

Many-to-One Routing 的詳細分析

Many-to-One Routing 機制在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò )中非常關(guān)鍵，尤其是在需要收集來(lái)自多個(gè)設備的數據到中心節點(diǎn)（如協(xié)調器或網(wǎng)關(guān)）的場(chǎng)景中。通過(guò)定期發(fā)送 Many-to-One route discovery 廣播，中心節點(diǎn)能夠確保所有路由設備都了解其到中心節點(diǎn)的路徑。這種機制不僅簡(jiǎn)化了數據收集過(guò)程，還提高了網(wǎng)絡(luò )的可擴展性和可靠性。

廣播發(fā)現過(guò)程：

中心節點(diǎn)周期性（如每60秒）發(fā)送 Many-to-One route discovery 廣播。

網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)路由設備在收到此廣播后，會(huì )更新自己的路由表，記錄到達中心節點(diǎn)的最佳路徑。

路由設備也會(huì )轉發(fā)此廣播，確保網(wǎng)絡(luò )中所有可達的路由設備都能接收到，并更新路由信息。

路由表更新：

每個(gè)路由設備都會(huì )維護一個(gè)路由表，該表包含到達網(wǎng)絡(luò )中其他關(guān)鍵節點(diǎn)（如中心節點(diǎn)）的路徑信息。

當路由設備接收到 Many-to-One route discovery 廣播時(shí)，它會(huì )檢查是否已經(jīng)有到達中心節點(diǎn)的路由。如果沒(méi)有，或者新路徑比現有路徑更優(yōu)，則更新路由表。

數據收集：

一旦路由設備有了到達中心節點(diǎn)的路由，它們就可以直接將數據發(fā)送給中心節點(diǎn)，而無(wú)需進(jìn)行額外的路由發(fā)現。

中心節點(diǎn)負責收集這些數據，并進(jìn)行進(jìn)一步的處理或轉發(fā)。

異常處理：

如果中心節點(diǎn)復位或斷電重啟，其 Source routing 表的信息會(huì )丟失。此時(shí)，中心節點(diǎn)需要重新廣播 Many-to-One route discovery 廣播，并等待路由設備回復單播以重建 Source routing 表。

如果路由設備全部斷電或重啟，它們需要等待一段時(shí)間（如16秒）以重新建立與鄰居路由設備的鏈路，然后再次響應 Many-to-One route discovery 廣播。

Source Routing 的詳細分析

Source Routing 機制允許中心節點(diǎn)通過(guò)查詢(xún)預存儲的路由信息來(lái)發(fā)送數據到任何路由設備。這種機制特別適用于那些需要精確控制數據傳輸路徑的場(chǎng)景，例如，在復雜的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中避免擁塞或干擾。

路由記錄收集：

當路由設備需要向中心節點(diǎn)發(fā)送數據時(shí)，它首先會(huì )發(fā)送一個(gè)包含其到中心節點(diǎn)路徑的 Route Record 給中心節點(diǎn)。

中心節點(diǎn)收到 Route Record 后，會(huì )將其反向存儲在自己的 Source routing 表中。這個(gè)表記錄了網(wǎng)絡(luò )中所有路由設備到中心節點(diǎn)的路徑。

數據發(fā)送：

當中心節點(diǎn)需要向某個(gè)路由設備發(fā)送數據時(shí)，它會(huì )查詢(xún) Source routing 表，找到對應的路由信息。

然后，中心節點(diǎn)按照路由表中的路徑信息，將數據包逐跳轉發(fā)到目標路由設備。

異常處理與恢復：

如果 Source routing 表中的信息過(guò)時(shí)或丟失（如中心節點(diǎn)復位），中心節點(diǎn)需要重新通過(guò) Many-to-One route discovery 和單播回復來(lái)重建 Source routing 表。

在網(wǎng)絡(luò )拓撲發(fā)生變化時(shí)（如路由設備加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )），中心節點(diǎn)也需要更新 Source routing 表以確保數據能夠正確傳輸。