解密ZigBee IP规范：智能能源传感网络更可靠

　　过去15年来，科技公司不断探索为无线感测器网路和其他须要利用网际网路的可连接设备开发使用网际网路协定（IP）的软体解决方案。近几年，所出现最可行的IP软体解决方案之一，是2013年3月由ZigBee联盟发布的ZigBee IP规范。ZigBee IP是第一个针对基于网际网路通讯协定第六版（IPv6）的全无线网状网路解决方案的开放标准，它为控制低功耗、低成本设备提供无缝网际网路连结，并可在单一控制网路中连结几十种不同的设备。

　　ZigBee IP设计主要在支援ZigBee Smart Energy IP协定堆叠。本文探讨无线感测器网路IP解决方案的演变，以及新ZigBee Smart Energy IP协定堆叠的使用。

　　感测器网路首重低功耗设计

　　自20世纪90年代后期，感测器网路已经成为研究和实验的主要课题，其采用可收集和发送资料的微小智慧设备去提升结构性监视、增强能源效率或增加作物产量的网路应用前景已毋须多说。建构感测器网路的基本技术包括：

　　•　低功耗和高效无线电技术

　　让典型设备具有几年的电池寿命，并为无法透过电池或主电源供电的其他设备提供能源收集的功能。

　　•　可靠的网状网路和协定

　　用以实现无人值班的长期运行。

　　•　合适的应用协定

　　允许设备之间透过约定的资料格式进行资讯交换，支援自主运行。

　　2003年发布的IEEE 802.15.4标准以及2004年出现的满足标准要求的商用无线电收发器，为低功耗无线通讯提供基础。从那时起，IEEE标准已经在2006、2011年得到扩展和改进。随着15.4e和15.4g修订版本的发布，商用无线电收发器供应商已经成功降低他们射频（RF）元件近一半功耗，并预期在下一代元件出现时功率可再次减半。

　　可靠的网路通讯协定开发和效能验证须要较长的时间。私有网状网路通讯协定堆叠，例如EmberZNet或者来自Berkeley的TInyOS，已经发布相容15.4标准的无线晶片。虽然这些协定堆叠被使用并得到进一步开发，但是市场的成长和扩张依赖基于标准解决方案去实现互通性，以及是否可以从多个采购管道获得采用该技术的公司产品。ZigBee联盟是最近几年为无线网状网路提供标准解决方案的少数组织之一。

　　应用协定是网状网路中最后被开发的专案。这些协定依赖共同的语言，使来自不同制造商的设备可以进行无缝通讯。在设备之间开发一种公用语言，须竞争对手之间相互合作并达成一致的资料传递协定和行为。对于产品相互依赖的公司，例如生产灯具产品的公司和生产调光器和开关的公司，自由市场机制可促进应用协定的达成。然而，在其他领域，例如家居自动化或商业楼宇，自由市场机制可能无法达到促进竞争对手协同工作、统一应用协定的目的。

　　ZigBee PRO提升可靠/互通性

　　ZigBee标准开发是感测器网路和楼宇自动化市场扩展的一部分。在21世纪初，ZigBee联盟一直专注于开发网状网路的标准、安全性和应用协定。ZigBee联盟成员和部署的稳定成长带来协定和可靠性的提升，最终推动2007年ZigBee PRO规范和2008年Smart Energy Profile发布。Smart Energy市场要求设备具有可靠性和互通性，这是因为制造和部署电表的公司希望能够与家庭中的其他设备进行通讯，但他们并不想拥有或维护家中的这些设备。只有在标准路由和应用协定以及可靠安全性方面达成一致，才能真正成为一个可以接受的解决方案。

　　ZigBee PRO是针对设备之间的通讯来开发和最佳化。该协定从IEEE 802.15.4 MAC/PHY（ZigBee网路和服务层）开始进行标准化，一直到整个应用层。相关设备能够加入网路，与其他设备配对，并可在没有系统管理员或网路系统管理员人工干预下运行。协定和资料传递特别针对小型资料（因为15.4仅支援最大127个位元组的封包）和电池供电的设备进行最佳化，这使得业界更能实现无所不在的感测和控制网路。拥有成百上千设备的网路已经被成功部署并持续运行。这些网路中规模较大的，包括位于瑞典哥德堡的计量回程网路，其包含275，000个设备，以及位于拉斯维加斯Aria酒店的室内自动化和控制系统，其包含75，000多个ZigBee PRO设备。随着这些网路的成功部署，ZigBee技术已经实现支援大规模感测和控制网路可靠运行且无需人工干预或支援的目标。

　　随着网路应用的扩展，更广泛的网际网路连结成为一些公司开发网状网路解决方案的重要目标。然而，ZigBee PRO网路并非针对Web服务或网际网路通讯而最佳化。现有的定址和协定不能与使用中的IP标准相匹配，所以为供电受限和小记忆体设备而最佳化设计的通讯和解码协定，将不得不为在Web页面或智慧手机上显示资料而进行转换。智慧闸道的开发是为提供其连结和转换，但是任何时候当一个新的设备或者标准被开发出来，这些智慧闸道就必须升级。

　　满足感测器网路应用需求　IETF发布6LoWPAN标准

　　在ZigBee联盟发展的同时，网际网路工程任务组（IETF）成立若干工作组，以评估这些感测和控制网路。随着网际网路通讯协定第四版（IPv4）位址的快速耗尽，IPv6定址结合其他现有IP协定对于低功耗感测和控制网路来说似乎是一个自然的合理选择。然而，现有IP协定通常基于更长的封包大小和更高数据速率网路，这促使人们开始关注如何在15.4网路上运行标准IP协定。许多公司注意到这个问题并要求IETF开始调整IETF协定，以使它们适合低功耗感测和控制网路。

　　对于IPv6，首要任务是解决封包大小问题。IPv6设备必须支援最低为1，280位元组的封包，但是15.4网路只能提供最多127个位元组的封包。此外，使用较大的封包对那些电池供电的设备有直接的影响。因此IETF成立了一个工作组，并于2007年发布6LoWPAN标准（RFC 4944）。该标准为实现在15.4网路上传输IP封包提供一些重要服务。最重要的是，它压缩IP封包头部以避免在15.4子网上发送不需要的重复资讯。它也为不适合在单个15.4封包中传输的IP封包提供了非常高效的分段和重组机制。该标准并未解决网路可靠性和应用协定的需求，但是它实现在15.4设备上成功传输IP封包的重要一步。

　　IETF也启动一个工作组为低功耗和损耗网路（Lossy Network）评估合适的路由式通讯协定，使之能够用于感测器和控制网路。评估结果是现有IETF协定不适合这些网路，须要开发新的协定（见Draft-ietf-roll-protocols-survey-07）。基于这个结论，IETF ROLL工作组在2012年初以RFC6550形式发布RPL。RPL为这些低功耗网路提供基本的路由服务。其他标准IP协定（例如使用者资料元协定（UDP）和传输控制协定（TCP））资料能够在802.15.4网路上运行而毋须任何修改。使用传输层安全性（TLS）或资料包传输层安全性（DTLS）的安全机制也已经被发布。IETF现在已经拥有用于感测和控制网路的基本协定，但是应用协定也是必要的，以便允许设备之间进行通讯。

　　在开发Smart Energy 2协定过程中，ZigBee联盟与Wi-Fi和HomePlug联盟进行合作，该协定设计主要在支援多种实体层，包括802.15.4、Wi-Fi和电力线通讯（PLC），它使用6LoWPAN和RPL做为标准应用协定，可用于能源计量、消费、定价、分散式生成与控制。Smart Energy 2标准于2013年发布，已经为低功耗感测和控制网路运行制订一整套包括应用层在内的基于IP的协定。