zigbee protocol overview

摘要：zigbee 协议是异常庞大的知识体系，入门到精通是一个需要注重方法的过程。重心需要放在协议的学习，很多初学者，包括我都早期都是把zigbee当成了单片机学习使用，本末倒置。剥茧抽丝，这里直接开始协议概述。

对于复杂协议的深入学习，我们都建议一个通用的学习方法，从规范->实现->抓包，规范是无关编程语言、语法的自然语言表达，实现是各家sdk、api、源码的集合，对于抓包则是对应实现理解规范的中间过程。一旦对zigbee有了感性认识，都建议从直接入手规范文档，做到知其所有然。

如上架构图详细展示了zigbee 协议规范的系统框图，不管是采用ti、silicon-labs、nordic的soc方案，以及它们对应不同sdk实现，核心标准都来自如上规范。这些规范主要是由ieee 组织和zigbee 联盟共同定义，并且公开了完整的规范文档。

提示：这些协议规范都可以从网上直接获取，但是最新的规范文档是需要注册zigbee联盟会员和直接向ieee组织购买。

需要一提的是不同厂商的zigbee 实现协议栈有不同策略，ti是半开源，aps以上应用层是开放源码的，包含完整的af、zdo、zcl、bdb，所以对于新手入门来说并不能急于求成，必须打好基本功，对于nordic实现协议栈采用zboos3.1，几乎是一个全闭源的sdk，厂商应用只需要基于应用层（bdb、zcl）一些公共接口和实现其回调函数同协议栈交互。相对新手入门相对容易，但是可能出现不可控。

如下列出各个分层协议规范，并且详细阐述其功能。

• ieee 802.15.4

  由ieee组织定义，最新版本。802.15.4-2011.pdf

• ZigBee Specification, revision 21 and revision 22

  Zigbee PRO 2015 Spec

  提示：zigbee 联盟公开了zigbee pro 2015 revision 21版本版本，zigbee3.0是基于基于zigbee 2017 pro revision22版本，需要加入zigbee 联盟会员。

• ZigBee Cluster Library Specification, revision 7

  Zigbee Cluster Library

  提示：zigbee 联盟公开revision 6版本，zigbee3.0是基于基于revision7版本，需要加入zigbee 联盟会员。

• Zigbee 3.0 Base Device Behavior Specification

  Base Device Behavior Specification

mac 802.15.4

mac层数据服务：

• 数据传输；
• 信道选择；
• CSMA-CA （载波监听，多路访问冲突避免）机制；
• 帧过滤筛选（filtration）；
• 自动应答；

mac层管理服务：

• 建立并维护个域网（PAN）；
• 关联请求/取消关联（Association）；
• Beacon 帧构造和请求；

network layer

网络层数据服务

• 单播/广播/组播通信；

网络管理服务和维护

• 建立一个新的网络；
• 运行设备加入网络；
• 邻居表支持实现；
• 网络发现；
• 加入网络；
• 离开网络；
• 解决并解决地址冲突；
• 管理PANID冲突；
• 路由中继；
• 网络配置；
• Frequency agility
• 终端设备（End Device）超时协议，老化机制；

application layer

需要明白的是，mac和nwk已经完成zigbee协议规范的所有功能集合，apl之内的zdo、aps、af、zdp都是为应用和交互nwk层服务的，其不再需要继续实现zigbee相关功能。

zdo

zdo属于apl,在aps之上的应用接口层，主要负责：

• 实现除af应用端点之外的，包含nwk、aps、ssp初始化；
• 解析用户应用的不同配置实现包含，Primary Discovery Cache Device Operation、Device and Service Discovery 、安全管理、网络管理、绑定管理、Node Manager 、Group Manager 服务。

zcl

zcl 是zigbee 应用框架层上用以约定抽象描述物联网设备的协议规范，zigbee 将不同的物联网设备按照功能分类分解成单个cluster 元素，而zcl就是所有cluster的集合，也就是对于不同厂商需要的物联网产品，都可以基于zcl 的中cluster描述，通过这样的标准设备描述语言，实现真正意义的万物互联。

如下是物联网设备中典型设备开关/插座，其产品功能集合可以通过一系列cluster描述，其中on/off(0x0006) 用以描述开关功能，basic（0x0000）用以描述程序版本等基础信息。

提示：详细zcl协议概述参考 http://notes.leconiot.com/zcl.html

bdb

bdb 是zigbee 应用层上面的纯接口层，提供了设备操作网络相关的交互行为，也就是bdb已经概况总结了可能的人机操作网络的行为（例如，建立网络/加入网络/离开网络），并且规划成接口，方便应用层直接调用，从而进一步规范厂商的应用行为，达到标准化。

提示：详细信息参考http://notes.leconiot.com/bdb.html

zigbee frame construct

有了如上描述分层结构认识和功能概况，也可以对应zigbee 空中包加深认识，如下数据结构，从mac从开始每层包含一个协议头和数据负载，依次向上，上层的帧构造是基于下一层的数据负载。

对应mac层，这里展开了协议头，由一些列的标志位来表示mac层的协议实现。

有了上面的帧构造认识，我们就可以清晰解析如下空包，但是具体的协议头和数据负载解析还需要按照ieee组织和zigbbee 联盟协议规范对应章节的帧构造查询。

这里总结了所有分层实现的帧构造对应章节，方便直接查询。

层	帧构造
zcl	zigbee-cluster-library-specification.pdf ->Chapter 2 Foundation->2.4 Command Frame Formats->2.4.1 General ZCL Frame Format
aps	zigbee specification.pdf ->Chapter 2 Application Layer Specification->2.2.5 Frame Formats
nwk	zigbee sepecification.pdf ->Chapter 3 Network Specification->3.3 Frame Formats
mac	802.15.4-2011.pdf->5. MAC protocol->5.2 MAC frame formats->5.2.1 General MAC frame format