Z-Wave技術(shù)的五大協(xié)議介紹（物理、MAC、傳輸、路由及應(yīng)用層）

z-wave協(xié)議是一種低速率，半雙工的可靠，健壯的無線傳輸協(xié)議，適用于低成本的網(wǎng)狀控制網(wǎng)絡(luò)。協(xié)議的主要目的是以可靠的方式從一個控制單元到一個或多個節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸短控制消息。z-wave協(xié)議不是用來傳輸大量數(shù)據(jù)或者傳輸任何類型的流或臨界時間的數(shù)據(jù)。

協(xié)議由下至上分為5層：物理層、MAC層、傳輸層、路由層和應(yīng)用層。MAC層負(fù)責(zé)設(shè)備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束。同時控制信道接入，進(jìn)行幀校驗(yàn)，并預(yù)留時隙管理。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?dāng)有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，媒體介質(zhì)層還采用了載波偵聽多址、沖突避免(CSMA/CA)機(jī)制以防止其他節(jié)點(diǎn)傳送信號。

傳輸層主要用于提供節(jié)點(diǎn)之間的可靠的數(shù)掘傳輸，主要功能包括重新傳輸、幀校驗(yàn)、幀確認(rèn)以及實(shí)現(xiàn)流量控制等。路由層控制節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)幀的路由、確保數(shù)據(jù)幀在不同節(jié)點(diǎn)間能夠多次重復(fù)傳輸、掃描網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途S持路由表等。應(yīng)用層負(fù)責(zé)Z-Wave網(wǎng)絡(luò)中的譯碼和指令的執(zhí)行，主要功能包括曼徹斯特譯碼、指令識別、分配HomeID和Node ID、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中控制器的復(fù)制以及對于傳送和接收幀的有效荷載進(jìn)行控制等。

Z-Wave技術(shù)的五大協(xié)議介紹

1)物理層

Z-Wave是一種低速率無線技術(shù)，專注于低速率應(yīng)用，有9.6Kbit/s和40Kbit/s兩種傳輸速率，前者用來傳輸控制命令綽綽有余，而后者可以提供更為高級的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制。它的工作頻段靈活，處于900MHz (ISM (Industrial ScienTIfic Medical)頻帶)、868.42MHz(歐洲)、908.42MHz(美國)，工作在這些頻帶上的設(shè)備相對較少，而ZigBee或藍(lán)牙所使用的2.4GHz頻帶正變得日益擁擠，相互之間的干擾不可避免，因此Z-Wave技術(shù)更能保證通信的可靠性。

Z-Wave的功耗極低。它使用了頻移鍵控(Frequency-Shift Keying，F(xiàn)SK)無線通方式，適合智能家居網(wǎng)絡(luò)使用，電池供電節(jié)點(diǎn)通常保持在睡眠狀態(tài)，每隔一段時間喚醒一次，監(jiān)聽是否有需要接收的數(shù)據(jù)，兩節(jié)普通7號電池可以使用長達(dá)10年時間，免去了頻繁充電和更換電池的麻煩，保證了應(yīng)用的長久穩(wěn)定。

Z-Wave的系統(tǒng)復(fù)雜性比ZigBee小， 比藍(lán)牙設(shè)備要小得多，協(xié)議簡單，所要求的存儲空間很小。標(biāo)準(zhǔn)的Z-Wave模塊中設(shè)計(jì)了32KB的閃存用于存放協(xié)議，而同等功能的ZigBee模塊則至少需要128KB才能使用，藍(lán)牙則需要更多。所以Z-Wave模塊的成本要低于ZigBee或者藍(lán)牙設(shè)備。

Z-Wave網(wǎng)絡(luò)容量為單網(wǎng)絡(luò)最多232個節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)低于ZigBee的65535個。Z-Wave節(jié)點(diǎn)的典型覆蓋范圍為室內(nèi)30m以及室外100m，最多支持4級路由。在應(yīng)用的普適性方面差于ZigBee，不能使用單一技術(shù)建立大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。但對于智能家居應(yīng)用來說，已經(jīng)足以覆蓋到全部范圍。通過使用虛擬節(jié)點(diǎn)技術(shù)，Z-Wave網(wǎng)絡(luò)也可以與其他類型的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

2) MAC層

Z-Wave的MAC層控制無線媒介。數(shù)據(jù)流采用曼徹斯特編碼，數(shù)據(jù)幀包含了前碼、幀頭、幀數(shù)據(jù)、幀尾。幀數(shù)據(jù)是幀傳遞給傳輸層的部分。所有數(shù)據(jù)都通過小端模式傳輸。MAC層獨(dú)立無線媒介、頻率和調(diào)制方法，但是要求接收到數(shù)據(jù)時能從曼徹斯特編碼比特流或解碼比特流獲得幀數(shù)據(jù)或整個二進(jìn)制信號。數(shù)據(jù)通過8bit據(jù)塊傳輸，第—位是最高有效位(Most Significant Bit，MSB)，數(shù)據(jù)經(jīng)過曼徹斯特編碼，以便得到一個無直流的信號。

MAC層具有沖突避免機(jī)制，防止節(jié)點(diǎn)在其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時開始數(shù)據(jù)的傳輸。沖突避免機(jī)制通過以下方法實(shí)現(xiàn)：讓不在傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入接收模式，如果MAC層正處于接收數(shù)據(jù)階段則延遲傳輸，沖突避免機(jī)制在所有類型的節(jié)點(diǎn)上都被激活。當(dāng)媒介正忙時，幀的傳輸延遲一個隨機(jī)的毫秒數(shù)。

MAC層沖突避免機(jī)制的核心是CSMA/CA，包括載波監(jiān)聽、幀間間隔和隨機(jī)退避機(jī)制。每=個節(jié)點(diǎn)使用載波偵聽多路訪問(Carrier Sense MulTIple Access，CSMA)機(jī)制的分布接入算法，讓各個節(jié)點(diǎn)爭用信道來獲取發(fā)送權(quán)。CSMA/CA方式采用兩次握手機(jī)制，即ACK (Acknowledgement)機(jī)制：當(dāng)接收方正確地接收幀后，就會立即發(fā)送確認(rèn)幀ACK，發(fā)送方收到該確認(rèn)幀，。就知道該幀已經(jīng)成功發(fā)送。如果媒介閑時間大于等于幀間隔，就傳輸數(shù)據(jù)，否則將延時傳輸。

CSMA/CA的基礎(chǔ)是載波監(jiān)聽。物理載波監(jiān)聽在物理層完成，通過對天線接收的有效信號進(jìn)行檢測，若探測到這樣的有效信號，物理載波監(jiān)聽認(rèn)為信道忙，MAC載波監(jiān)聽在MAC層完成，通過檢測MAC幀中的持續(xù)間域完成。信道空閑時才能發(fā)送數(shù)據(jù)，如果信道繁忙，就執(zhí)行退避算法，然后重新檢測信道，避免共享介質(zhì)碰撞。介質(zhì)繁忙狀態(tài)剛剛結(jié)束的時間是碰撞發(fā)生的高峰時刻，許多節(jié)點(diǎn)郡在等待介質(zhì)，介質(zhì)空閑的第一時間所有節(jié)點(diǎn)都試圖發(fā)送，會導(dǎo)致大量碰撞，所以CSMA/CA采用隨機(jī)退避時間控制各個節(jié)點(diǎn)幀的發(fā)送。

3)傳輸層

傳輸層主要用于提供節(jié)點(diǎn)之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸，主要功能包括重新傳輸、幀校驗(yàn)、幀確認(rèn)和實(shí)現(xiàn)流量控制等。傳輸層幀共有三種類型。

單播幀：單播幀向一個指定的節(jié)點(diǎn)發(fā)送，如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)成功收到此幀，將會回復(fù)一個應(yīng)答幀ACK，如果單播幀或者應(yīng)答幀丟失或損壞，單播幀將被重發(fā)。為了避免與其他系統(tǒng)的碰撞，重傳幀將會有一個隨機(jī)延遲。隨機(jī)延遲必須與傳輸最大幀長和接收應(yīng)答幀所花費(fèi)的時間一致。單播幀在不需要可靠傳輸?shù)南到y(tǒng)中可以選擇關(guān)閉應(yīng)答機(jī)制。應(yīng)答幀是Z-Wave單播幀的一種類型，其數(shù)據(jù)域的長度是o。

多播幀：多播幀將傳輸給網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)232中的若干個。多播幀目標(biāo)地址指定了所有的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，而不用向每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個獨(dú)立的幀。多播沒有應(yīng)答，所以這種類型的幀不能用在需要可靠傳輸?shù)南到y(tǒng)中，如果多播幀一定要求可靠性，則需要在多播幀之后跟著發(fā)送單播幀。

廣播幀：廣播幀將傳輸給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)，任何節(jié)點(diǎn)都不對該幀進(jìn)行應(yīng)答。和多播幀一樣，它也不能用于需要可靠傳輸?shù)南到y(tǒng)中，和多播幀一樣，如果廣播幀一定要求可靠性，則需要在廣播幀之后跟著發(fā)送單播幀。

4)路由層

路由層控制一個節(jié)點(diǎn)向另—個節(jié)點(diǎn)的幀的路由?？刂破骱凸?jié)點(diǎn)都參與幀的路由。它們總是處在監(jiān)聽狀態(tài)并且有一個固定的位置。該層負(fù)責(zé)通過一個正確的轉(zhuǎn)發(fā)表來發(fā)送幀，同時也保證幀在節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)發(fā)。路由層也要掃描網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并且維護(hù)控制器中的路由表。

Z- Wave技術(shù)的路由層采用了動態(tài)源路由(Dynamic Source RouTIng，DSR)協(xié)議。DSR協(xié)議是一種按需路由協(xié)議，它允許節(jié)點(diǎn)動態(tài)發(fā)現(xiàn)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，每個數(shù)據(jù)幀的頭部附加有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之前所需經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)列表，即數(shù)據(jù)分組中包含到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的完整路由。與傳統(tǒng)的路由方法不同，傳統(tǒng)路由方法如按需距離矢量(AdHoc On-demand Distance Vector RouTIng，AODV)協(xié)議在分組中只包含下一跳節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)地址，所以DSR不需要周期性廣播網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，避免網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模更新，能有效減少網(wǎng)絡(luò)帶寬開銷，節(jié)約能量消耗。

在發(fā)現(xiàn)路由時，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個含有源路由列表的路由請求幀，此時路由列表只有源節(jié)點(diǎn)，收到該幀的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)向前發(fā)送該幀，并在路由列表中加入自己的節(jié)點(diǎn)地址，直到到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。每個節(jié)點(diǎn)都有一個用于保存最近收到路由請求的存儲區(qū)，

因此可以不重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)已經(jīng)收到的請求幀。部分節(jié)點(diǎn)(如果它們有額外的外部存儲空間)會將已經(jīng)獲得的源路由表存儲下來以減少路由開銷。當(dāng)收到請求幀時，先查看存儲的路由表中是否存在合適路由，如果有就不再轉(zhuǎn)發(fā)，直接返回該路由至源節(jié)點(diǎn)，如果請求被轉(zhuǎn)發(fā)到了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，那么目標(biāo)節(jié)點(diǎn)就將返回一個返回路由。

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信時，源節(jié)點(diǎn)首先廣播一個具有唯-一ID的RREQ消息，被源節(jié)點(diǎn)無線覆蓋范圍內(nèi)一個或多個具有到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)路由信息的中間節(jié)點(diǎn)接收，返回該路由信息至源節(jié)點(diǎn)。每個節(jié)點(diǎn)的路由緩沖區(qū)都會記錄該節(jié)點(diǎn)偵聽到的路由信息。當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)收到RREQ消息時，如果在該節(jié)點(diǎn)最近的請求中包含該請求，則丟棄該請求;如果RREQ路由記錄中包含當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的地址，則不進(jìn)行處理，防止形成環(huán)路;如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)就是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則發(fā)送返回路由給源節(jié)點(diǎn);其他情況下，該節(jié)點(diǎn)在RREQ中添加自己的地址，并將該幀廣播出去。

當(dāng)路由列表上的一個節(jié)點(diǎn)移動或掉電時，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾l(fā)生變化，路由不可用。當(dāng)上游節(jié)點(diǎn)通過MAC層協(xié)議發(fā)現(xiàn)連接不可用時，就會向上游所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送RERR。源節(jié)點(diǎn)收到該RERR后，會從路由存儲區(qū)中刪除無效路由，如果需要的話源節(jié)點(diǎn)會重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程來建立新路由。

DSR協(xié)議不需要周期性地交換路由信息，可以減少網(wǎng)絡(luò)開銷，節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入休眠模式，節(jié)省電池電量。數(shù)據(jù)幀中含有完整的路由信息，節(jié)點(diǎn)可以獲取完整路由中所包含的部分有用信息，如A到B到C的路由中包含了B到C的路由信息，B節(jié)點(diǎn)不需要發(fā)起對C的路由發(fā)現(xiàn)，從而節(jié)省了路由發(fā)現(xiàn)所需的開銷。同時，DSR協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模受到了限制，因?yàn)閿?shù)據(jù)包中有很多都帶有路由信息，過長的路由表會大幅增加網(wǎng)絡(luò)分組開銷，鑒于一個Z-Wave網(wǎng)絡(luò)中最多232個節(jié)點(diǎn)的限定和最多支持4跳路由，DSR協(xié)議的額外開銷并不至于十分嚴(yán)重，增強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)類型也有更大的外部存儲空間可以存儲最近使用的路由信息，也以硬件開銷彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)性能。

5)應(yīng)用層

應(yīng)用層負(fù)責(zé)Z-Wave網(wǎng)絡(luò)中的譯碼和指令的執(zhí)行，主要功能包括曼徹斯特譯碼、指令識別、分配Home ID和Node ID、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中控制器的復(fù)制以及對于傳送和接收幀的有效荷載進(jìn)行控制等。Z-Wave技術(shù)關(guān)注設(shè)備的互操作性和廠商開發(fā)的方便性，在應(yīng)用層中引入了相關(guān)機(jī)制以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)智能家居控制系統(tǒng)中眾多子系統(tǒng)的相互作用，加強(qiáng)各個領(lǐng)域廠商產(chǎn)品的相互操作性，Z-Wave提供了標(biāo)準(zhǔn)化的方法來實(shí)現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備之間的相互作用。這允許從某一個廠商制造的遙控器提供照明子系統(tǒng)的調(diào)光功能，對另一個廠商制造的燈光節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。這樣所有的廠商只需要集中精力開發(fā)其所擅長的產(chǎn)品，它們可以很好地工作在一個Z-Wave網(wǎng)絡(luò)中，而不需要自己包辦整套智能家居系統(tǒng)，給廠商的開發(fā)提供了便捷。