【无线知识库】全面解析Zigbee标准沿革及网络创建技巧

什么是Zigbee？随着物联网（IoT）行业的发展，越来越多的无线技术应运而生。众所周知，在物联网行业中，我们有两种典型的网络。一个是WAN（广域网），另一个是PAN（个人区域网）。

• 对于LoRa，NB-IoT，2G / 3G / 4G等无线技术，通常传输距离超过1 km，因此它们主要用于广域网（WAN）。
• 对于Wi-Fi，蓝牙，BLE，Zigbee和Zwave等无线技术，通常的传输距离小于1公里，因此它们主要用于个人局域网（PAN）。

 Zigbee是IoT网络（尤其是家庭自动化行业）中最流行的无线技术之一。其特点包括：

• 短距离 – 无线覆盖范围在10到100米之间。
• 低数据速率 – 最大数据速率为250 Kbps。
• 低功耗 – 处于睡眠状态的Endpoint设备在睡眠模式下可以使用低于5uA的电流；
• 这是一种网状技术 – 网络可以轻松扩展到很大。理论上最大节点数为65535。

 
Zigbee是Zigbee联盟发布和修订的开放标准。历史悠久。从很早开始，Silicon Labs（亦称“芯科科技”）就致力于Zigbee技术。Silicon Labs的Zigbee技术来自Ember，Ember是一家自成立以来就开始研究Zigbee的公司。2012年，Silicon Labs收购了Ember，并继续提供Zigbee产品和解决方案。 Zigbee协议概述

1. 物理层和MAC层由IEEE-802.15.4定义。物理层负责无线电管理，包括诸如调制/解调，信号强度检测等功能。MAC层负责单跳通信。
2. 网络层负责消息的发送和接收，设备维护，路由等。
3. 应用程序支持层（APS）负责端到端消息的传输。
4. 应用层留给用户设计。每个应用程序实例称为一个Endpoint。为管理功能保留了一个特殊的Endpoint，即Endpoint 0。我们也将此管理功能模型称为Zigbee设备对象（ZDO）。
5. 在APS层和网络层中，有一些安全功能可用于保护网络免遭黑客攻击。

 Zigbee安全性由于Zigbee是一种无线技术，因此安全性非常重要，因为黑客可以通过无线检测到这些数据包。想象您有一个智能门锁。如果黑客捕获了打开您的门的数据包，那么他可以重发该文件以打开您的门。那很危险。为了防止这种情况发生，Zigbee定义了许多安全功能。让我们简要介绍。
下图显示了如何在网络层中保护不安全的网络帧。

首先，网络有效负载将被加密。之后，将在加密的有效负载之前添加安全标头。然后根据网络标头，安全标头和加密的有效负载来计算哈希值。最后，将32位哈希值附加到帧的末尾。如果更改了网络标头，安全标头和加密的有效负载中的任何字节，则哈希值将不同。我们将此值称为MIC，是消息完整性检查的缩写。 网络加密使用对称加密算法（AES128），这意味着使用相同的密钥进行加密和解密。该密钥称为Network Key。由于它是一种对称加密算法，因此同一Zigbee网络中的所有设备都将使用相同的Network Key。 在网络安全标头中，添加了“帧计数器”的字段和加密信息节点的源Eui64，以防止重发攻击。还添加了密钥序列号以支持Network Key更新。 创建Zigbee网络首先，由协调器创建一个网络，您必须准备4个参数：

• PAN ID
• 扩展 PAN ID
• 工作频道
• 发射功率

 

使用已知Link Key加入

您需要指定这四个参数。如果您不这样做，协调器将随机选择一个PAN ID和一个扩展的PAN ID。如果您未指定频道，则协调器将扫描并选择一个相对安静的频道进行工作。网络创建后，新设备可以开始加入。

1. 新设备将开始查找可连接的网络。在此阶段，新设备将在每个通道上发送信标请求。
2. 路由器和协调器将使用信标帧中携带的网络信息来响应信标。这些信息包括PAN ID，扩展PAN ID以及路由器或协调器的其他一些属性，例如设备是否允许连接，设备是否具有允许新设备连接的能力。
3. 新设备可以从不同设备接收多个信标。它将选择信号质量最好的一个，并开始发送关联请求。在该关联请求中，将PAN ID设置为所选的PAN，并将目标节点ID设置为所选设备的节点ID。在此框架中，将继续使用新设备的功能。
4. 当路由器或协调器收到此关联请求时，它将为新设备选择一个节点ID，并以关联响应进行响应。然后，新设备获得了其节点ID，但由于未获得安全密钥而无法与其他节点通信。
5. 协调器会将当前的NWK密钥传输到新设备。该传输消息在应用程序层中使用已知的Link key加密。
6. 当新设备收到此消息时，它将使用已知的Link key对消息解密并获取Network Key。之后，该设备实际上已加入网络，并能够与网络中的所有其他节点通信。
7. 设备将发送一条通知消息，以通知网络的其他节点，以通知他们我已加入。

使用Install Code派生的Link key加入

1. 在出厂之前，应该已经使用Install Code码对新设备进行了编程。
2. 在加入之前，用户需要获取新设备的Install Code和Eui64，然后在协调器上对其进行配置。
3. 然后，协调器从Install Code中获取Link key，并将协调器设置为使用此Link key来加密此新设备的传输NWK密钥消息。

 其余过程类似于使用众所周知的Link key进行连接的过程。当协调器开始将Network Key传输到新设备时，它将对消息进行加密并将其传输到新设备。当新设备收到此消息时，它将从闪存中读取Install Code并从中获取Link key，然后使用此密钥对消息进行解密并获取Network Key。 阅读完整内容请点击下方阅读原文或访问Silicon Labs的GitHub网址：https://github.com/SiliconLabs/IoT-Developer-Boot-Camp/wiki/Introduction-of-Zigbee-Basic-CN
扫描以下二维码，关注Silicon Labs社交媒体平台