【無線知識庫】全面解析Zigbee標準沿革及網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建技巧

什么是Zigbee？隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）行業(yè)的發(fā)展，越來越多的無線技術(shù)應(yīng)運而生。眾所周知，在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中，我們有兩種典型的網(wǎng)絡(luò)。一個是WAN（廣域網(wǎng)），另一個是PAN（個人區(qū)域網(wǎng)）。

• 對于LoRa，NB-IoT，2G / 3G / 4G等無線技術(shù)，通常傳輸距離超過1 km，因此它們主要用于廣域網(wǎng)（WAN）。
• 對于Wi-Fi，藍牙，BLE，Zigbee和Zwave等無線技術(shù)，通常的傳輸距離小于1公里，因此它們主要用于個人局域網(wǎng)（PAN）。

?Zigbee是IoT網(wǎng)絡(luò)（尤其是家庭自動化行業(yè)）中最流行的無線技術(shù)之一。其特點包括：

• 短距離 – 無線覆蓋范圍在10到100米之間。
• 低數(shù)據(jù)速率 – 最大數(shù)據(jù)速率為250 Kbps。
• 低功耗 – 處于睡眠狀態(tài)的Endpoint設(shè)備在睡眠模式下可以使用低于5uA的電流；
• 這是一種網(wǎng)狀技術(shù) – 網(wǎng)絡(luò)可以輕松擴展到很大。理論上最大節(jié)點數(shù)為65535。

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Zigbee是Zigbee聯(lián)盟發(fā)布和修訂的開放標準。歷史悠久。從很早開始，Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）就致力于Zigbee技術(shù)。Silicon Labs的Zigbee技術(shù)來自Ember，Ember是一家自成立以來就開始研究Zigbee的公司。2012年，Silicon Labs收購了Ember，并繼續(xù)提供Zigbee產(chǎn)品和解決方案。?Zigbee協(xié)議概述

1. 物理層和MAC層由IEEE-802.15.4定義。物理層負責(zé)無線電管理，包括諸如調(diào)制/解調(diào)，信號強度檢測等功能。MAC層負責(zé)單跳通信。
2. 網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)消息的發(fā)送和接收，設(shè)備維護，路由等。
3. 應(yīng)用程序支持層（APS）負責(zé)端到端消息的傳輸。
4. 應(yīng)用層留給用戶設(shè)計。每個應(yīng)用程序?qū)嵗Q為一個Endpoint。為管理功能保留了一個特殊的Endpoint，即Endpoint 0。我們也將此管理功能模型稱為Zigbee設(shè)備對象（ZDO）。
5. 在APS層和網(wǎng)絡(luò)層中，有一些安全功能可用于保護網(wǎng)絡(luò)免遭黑客攻擊。

?Zigbee安全性由于Zigbee是一種無線技術(shù)，因此安全性非常重要，因為黑客可以通過無線檢測到這些數(shù)據(jù)包。想象您有一個智能門鎖。如果黑客捕獲了打開您的門的數(shù)據(jù)包，那么他可以重發(fā)該文件以打開您的門。那很危險。為了防止這種情況發(fā)生，Zigbee定義了許多安全功能。讓我們簡要介紹。
下圖顯示了如何在網(wǎng)絡(luò)層中保護不安全的網(wǎng)絡(luò)幀。

首先，網(wǎng)絡(luò)有效負載將被加密。之后，將在加密的有效負載之前添加安全標頭。然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)標頭，安全標頭和加密的有效負載來計算哈希值。最后，將32位哈希值附加到幀的末尾。如果更改了網(wǎng)絡(luò)標頭，安全標頭和加密的有效負載中的任何字節(jié)，則哈希值將不同。我們將此值稱為MIC，是消息完整性檢查的縮寫。?網(wǎng)絡(luò)加密使用對稱加密算法（AES128），這意味著使用相同的密鑰進行加密和解密。該密鑰稱為Network Key。由于它是一種對稱加密算法，因此同一Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都將使用相同的Network Key。?在網(wǎng)絡(luò)安全標頭中，添加了“幀計數(shù)器”的字段和加密信息節(jié)點的源Eui64，以防止重發(fā)攻擊。還添加了密鑰序列號以支持Network Key更新。?創(chuàng)建Zigbee網(wǎng)絡(luò)首先，由協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)，您必須準備4個參數(shù)：

• PAN ID
• 擴展 PAN ID
• 工作頻道
• 發(fā)射功率

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使用已知Link Key加入

您需要指定這四個參數(shù)。如果您不這樣做，協(xié)調(diào)器將隨機選擇一個PAN ID和一個擴展的PAN ID。如果您未指定頻道，則協(xié)調(diào)器將掃描并選擇一個相對安靜的頻道進行工作。網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建后，新設(shè)備可以開始加入。

1. 新設(shè)備將開始查找可連接的網(wǎng)絡(luò)。在此階段，新設(shè)備將在每個通道上發(fā)送信標請求。
2. 路由器和協(xié)調(diào)器將使用信標幀中攜帶的網(wǎng)絡(luò)信息來響應(yīng)信標。這些信息包括PAN ID，擴展PAN ID以及路由器或協(xié)調(diào)器的其他一些屬性，例如設(shè)備是否允許連接，設(shè)備是否具有允許新設(shè)備連接的能力。
3. 新設(shè)備可以從不同設(shè)備接收多個信標。它將選擇信號質(zhì)量最好的一個，并開始發(fā)送關(guān)聯(lián)請求。在該關(guān)聯(lián)請求中，將PAN ID設(shè)置為所選的PAN，并將目標節(jié)點ID設(shè)置為所選設(shè)備的節(jié)點ID。在此框架中，將繼續(xù)使用新設(shè)備的功能。
4. 當路由器或協(xié)調(diào)器收到此關(guān)聯(lián)請求時，它將為新設(shè)備選擇一個節(jié)點ID，并以關(guān)聯(lián)響應(yīng)進行響應(yīng)。然后，新設(shè)備獲得了其節(jié)點ID，但由于未獲得安全密鑰而無法與其他節(jié)點通信。
5. 協(xié)調(diào)器會將當前的NWK密鑰傳輸?shù)叫略O(shè)備。該傳輸消息在應(yīng)用程序?qū)又惺褂靡阎?/strong>Link key加密。
6. 當新設(shè)備收到此消息時，它將使用已知的Link key對消息解密并獲取Network Key。之后，該設(shè)備實際上已加入網(wǎng)絡(luò)，并能夠與網(wǎng)絡(luò)中的所有其他節(jié)點通信。
7. 設(shè)備將發(fā)送一條通知消息，以通知網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點，以通知他們我已加入。

使用Install Code派生的Link key加入

1. 在出廠之前，應(yīng)該已經(jīng)使用Install Code碼對新設(shè)備進行了編程。
2. 在加入之前，用戶需要獲取新設(shè)備的Install Code和Eui64，然后在協(xié)調(diào)器上對其進行配置。
3. 然后，協(xié)調(diào)器從Install Code中獲取Link key，并將協(xié)調(diào)器設(shè)置為使用此Link key來加密此新設(shè)備的傳輸NWK密鑰消息。

?其余過程類似于使用眾所周知的Link key進行連接的過程。當協(xié)調(diào)器開始將Network Key傳輸?shù)叫略O(shè)備時，它將對消息進行加密并將其傳輸?shù)叫略O(shè)備。當新設(shè)備收到此消息時，它將從閃存中讀取Install Code并從中獲取Link key，然后使用此密鑰對消息進行解密并獲取Network Key。?閱讀完整內(nèi)容請點擊下方閱讀原文或訪問Silicon Labs的GitHub網(wǎng)址：https://github.com/SiliconLabs/IoT-Developer-Boot-Camp/wiki/Introduction-of-Zigbee-Basic-CN
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