Granite River Labs, GRL
Stanislas Charles
Zigbee 是一種強大且節能的無線通訊平台。 他的多功能網路拓撲讓設備輕鬆建立連線。 這也使得 Zigbee 適用於自動家庭、工業控制系統等各種應用。 讓我們探索 Zigbee 網路拓撲的詳細，了解 Zigbee 網路相容性背後的流程，並學會迅速將新裝置加入 Zigbee 網路。
Zigbee 網路拓樸結構組成
靈活性和可擴展性是Zigbee網路最突出的特點。 根據應用需求，Zigbee可以採用不同的形狀和尺寸，而該網狀的連接標準聯盟（CSA）定義如下：
1. 協調機（PAN Coordinator）
每個 Zigbee 網路中只有一個協調器，而協調器是這個網路的中心。 它啟動進程並設定參數、安全設定和路由表。 協調器也促進網路連接設備之間的通訊。
2. 路由器
Zigbee 網路所涵蓋的範圍會在路由器在裝置之間發送資料包時擴大。 而 擴展後的網路能創建網狀網絡，允許連接設備透過多條路由進行通信，提高可靠性。 換句話說，路由器是對於網路穩定性和彈性至關重要的資料傳輸中介。
3. 終端設備
大多數的終端設備由電池供電。 雖然它們消耗的功率較小，但在資源方面也受到限制。 除了發送和接收資料之外，終端設備一般不發揮其他作用。 相反，它們依賴路由器或協調器來執行路由和網路管理任務。
圖1: Zigbee 網路拓撲
加入 Zigbee 網路：封包交換
每當新設備向現有的 Zigbee 網路請求加入時，以下資料包交換流程將會啟動：
第一步: 設備探測
- 頻道掃描：新裝置將掃描多個 Zigbee 頻道（或頻率）以搜尋附近的 Zigbee 網路。 Zigbee 在 2.4 GHz ISM（工業、科學和醫療）頻段的多個通道上運行，而新設備必須識別該通道。
- 信標訊框接收：設備偵聽協調器設備發送的信標訊框。 這些信標訊框包含關鍵訊息，包括 PAN ID（個域網路識別碼）、頻道號碼和擴充 PAN ID。 擴充 PAN ID 是 Zigbee 網路所獨有的。
- 選擇網路：一旦裝置收到來自不同網路的信標幀，它就會選擇符合其網路可用性、安全設定、PAN ID 和擴展 PAN ID 標準的網路。
第二步: 協議要求
- 設備初始化：選擇 Zigbee 網路後，新設備會建立關聯請求封包來初始化關聯過程。
- 關聯請求資料包以下關鍵資訊：
- 設備的獨特 64 位元 IEEE 位址。
- 定義設備網路角色的功能。
- 請求設備所需的 PAN ID（若適用）。
- 所需操作的通道（若與目前選擇的通道不同）。
- 傳輸：新裝置將關聯請求資料包傳送到目標 Zigbee 網路的協調器。
第三步: 協調答复
- 關聯請求：協調器收到關聯請求封包後，對其進行處理以選擇接受或拒絕該裝置加入網路的請求。
- 協定資料包。 若協調器接受請求，它將建立一個包含以下詳細資訊的關聯回應資料包：
- 分配給加入設備的 16 位元短位址。 此位址用於網路內尋址。
- 指示關聯請求結果（成功或不成功）的狀態代碼。
- 網路安全設定和金鑰（若啟用了安全性）。
- 傳輸：協調器將關聯協定資料包傳回新裝置。
第四步: 網路集成
- 裝置初始化：收到關聯協定封包後，新加入裝置將自行初始化，正式成為 Zigbee 網路的一部分。
- 分配短位址：設備使用短地址在網路內做通訊。 這短位址對於路由和定址目的至關重要。
- 角色分配：根據其功能，設備扮演終端設備或。 。 。
- 網路內的路由器：終端設備通常資源有限。 因此，它通常依賴路由器進行路由。 路由器則協助資料路由並擴展網路覆蓋範圍。
第五步: 更新路由表
- 路由表更新：當路由器加入網路時，協調器和現有路由器會更新其路由表。
- 網狀網路建立：Zigbee 網路通常採用網狀拓撲，這意味著設備可以透過多個路由進行通信，從而提高了可靠性。 更新的路由表確保資料可以透過網路有效路由。
第六步: 建立安全保障
- 金鑰交換：安全性是 Zigbee 網路最重要的標準。 加入網路後，設備使用加密金鑰建立安全通訊通道。 這些密鑰對於加密和解密資料至關重要。
- 信任中心角色：信任中心通常是協調者，在金鑰管理中扮演至關重要的角色。 它監督加密金鑰的交換並確保只有授權的設備才能存取網路。
- 安全措施：安全機制涉及交換預先共用金鑰、安全憑證或其他驗證方法，以確保通訊安全並防止竊聽和未經授權的存取。
圖2: 設備加入 Zigbee 3.0 網路示意圖
1: 網路層
2: 應用支援子層
Zigbee 的網路拓撲結構因通用而適合廣泛的應用。 協調器、路由器和終端設備的角色有助於網路的穩定性和可擴展性。 每當新裝置向 Zigbee 網路發送加入請求時，就會觸發封包交換過程，將其整合到現有網路中。 這使 Zigbee 網路保持可靠和安全，使其成為物聯網和家庭自動化應用的理想選擇。
關於作者
Stanislas Charles
擁有超過 7 年的無線和 RF 測試經驗，熟悉藍牙、Zigbee、Thread、Matter 等協定。 致力於協助客戶解決對 Matter 和 Thread 測試及認證要求的疑問。