Mạng Zigbee, như đã nói ở chương 2.3, có tầng vật lí và tầng MAC kế thừa hoàn toàn thiết kế của IEEE 802.15.4, tuy nhiên, bắt đầu từ tầng Mạng, kiến trúc của Zigbee lại được định nghĩa lại bởi hiệp hội Zigbee Alliance. Kiến trúc xuyên suốt trong các tầng của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) được xây dựng theo từng tầng với mỗi tầng đều có các điểm truy nhập dịch vụ (SAP) cho các tầng phía trên giao tiếp và truy nhập vào. Mỗi SAP hỗ trợ một số lượng các hàm truy nhập để có thể lấy thông tin từ tầng chứa SAP đó.
Hiệp hội Zigbee Alliance xây dựng thêm hai tầng nữa trên tầng vật lí (PHY) và tầng MAC, đó là tầng Mạng (Network layer) và tầng Ứng dụng (Application layer). Cả hai tầng này đều có chung một đối tượng quản lí đặc biệt trong mạng Zigbee có tên là Đối tượng thiết bị Zigbee – Zigbee Device Object (ZDO). Tầng ứng dụng cũng có các đối tượng ứng dụng – Application Object được cho phép những người viết ứng dụng có thể định nghĩa dựa trên ứng dụng cụ thể, đảm bảo tính mềm dẻo trong thiết kế của một mạng không dây cá nhân.
Tầng mạng của Zigbee Alliance chịu trách nhiệm xây dựng và duy trì tô-pô mạng, bao gồm các nhiệm vụ đánh địa chỉ, định tuyến và bảo mật. Tầng mạng trong ZigBee sẽ được tự tổ chức và điều chỉnh để tiết kiệm năng lượng và chi phí truyền nhỏ nhất có thể.
Các chức năng của tầng mạng : - Chức năng định tuyến - Chức năng quản lí mạng
Trong kiến trúc của Zigbee Alliance, các thiết bị trong mạng Zigbee lại được định nghĩa hơi khác hơn so với chuẩn IEEE 802.15.4, các thiết bị trong tầng mạng Zigbee được định nghĩa lại bao gồm:
- Thiết bị điều phối ZC (Zigbee Coordinator): là các thiết bị có năng
lực nhất trong mạng, đóng vai trò là gốc trong mô hình cây mạng hoặc có thể là cầu nối cho các mạng trong mô hình đa mạng. Chỉ có chính xác một thiết bị ZC trong mạng khi mạng bắt đầu hoạt động hoặc một số dạng mạng Zigbee mới có thể hoạt động mà không cần ZC (ví dụ Zigbee Lightlink). Vai trò của thiết bị ZC này hình thành, duy trì đồng thời điều khiển, giám sát và lưu trữ các thông tin về mạng. Thiết bị ZC chính là dạng FFD trong mô hình IEEE 802.15.4.
- Thiết bị định tuyến ZR (Zigbee Router): thiết bị này ở cấp thấp hơn
ZC một cấp. Thiết bị có thể hoạt động như một bộ định tuyến trung gian, giám sát truyền dữ liệu từ thiết bị này sang thiết bị khác. Thiết bị này là cần thiết để hỗ trợ trong mô hình mạng đa chặng (multi-hop) hoặc mạng lưới (mesh) bằng cách lưu trữ các thông tin định tuyến như bảng định tuyến các nút lân cận. Nó cũng là dạng thiết bị FFD trong mô hình IEEE 802.15.4.
- Thiết bị đầu cuối ZED (Zigbee End Device): chỉ gồm đủ các chức
năng để giao tiếp với nút cha (là ZR hoặc ZC) và không thể chuyển tiếp dữ liệu từ các nút trong mạng. ZED chính là các nút cảm biến, nó có thể kết nối với ZR hoặc ZC chứ không được kết nối với nhau. Các mối quan hệ này cũng làm cho ZED sẽ được nghỉ (sleep node) trong một khoảng thời gian, làm giảm tiêu hao năng lượng để tăng thời gian pin, kéo dài tuổi thọ của các thiết bị trong Zigbee. Một ZED sẽ đòi hỏi dung lượng bộ nhớ là tối thiểu. Thiết bị này có thể là FFD hay RFD. Khi đó tô-pô mạng cũng sẽ thay đổi chức năng như hình 3.25:
- Mạng hình sao (Star): thiết bị ZC sẽ làm trung tâm, các ZR và ZED sẽ kết nối đến ZC mà không kết nối với nhau. Ở mô hình mạng này ZC sẽ phải tiêu tốn năng lượng xử lí cho toàn mạng mà không được hỗ trợ bởi các ZR. Tuy nhiên mô hình này chỉ áp dụng cho các mạng Zigbee có quy mô nhỏ.
- Mạng lưới (Mesh): hay còn gọi là multi-hop, là sự kết hợp của mạng hình sao và mạng ngang hàng. Mạng hoạt động theo chế độ ad-hoc, cho phép các gói tin truyền qua các nút trung gian ZR và ZC sẽ được giảm tải xử lí. Mạng được áp dụng cho các mô hình quy mô lớn.
- Mạng Cây Cụm (Cluster-Tree): Đây là một trường hợp đặc biệt của mạng lưới. Trong mạng này, ZC sẽ đóng vai trò là gốc và các ZED đóng vai trò là các nút lá được kết nối đến nút gốc qua các ZR. Trong mạng này tải được chia thành các cụm rõ ràng, mỗi cụm đứng đầu bởi cụm trưởng ZR và kết nối đến gốc ZC.
Tổng quan cấu trúc tầng mạng của Zigbee được định nghĩa bởi tổ chức Zigbee Alliance như hình 3.26:
Hình 3. 26: Tổng quan tầng mạng trong mạng Zigbee [4, tr80]
Tầng mạng cũng cung cấp hai dạng dịch vụ phục vụ cho việc truy nhập của tầng Ứng dụng ở trên: dịch vụ dữ liệu - NLDE (Network Layer Data Entity) chịu trách nhiệm về các vấn đề truyền tải dữ liệu và dịch vụ quản lí - NLME (Network Layer Management Entity) cung cấp các hàm truy nhập vào tầng mạng và dữ liệu cần thiết để xử lí trong mạng được lưu ở MIB (Network Layer Information Base). Hai dịch vụ này cung cấp cho tầng Ứng dụng sự truy nhập qua các điểm truy cập
bằng các hàm NLME-GET và NLME-SET.
Tầng mạng cũng giới hạn khoảng cách các gói tin có thể đi xa bằng trường số chặng gói tin đi qua (number of hop). Mỗi gói đều có tham số giới hạn số chặng tối đa có thể đi, ví dụ nếu số chặng là 3 có nghĩa gói tin sẽ không chuyển tiếp quá 3 lần trong mạng. Giá trị này cũng sẽ giảm tự động mỗi lần thông điệp được chuyển tiếp cho đến khi đạt giá trị 0 thì gói tin sẽ không được chuyển tiếp nữa. Việc truyền thông các gói tin trong mạng cũng chia làm 3 phương thức: Gửi quảng bá (broadcast) là hình thức truyền mà mọi nút trong mạng đều nhận được gói tin, gửi đa điểm (multicast) là hình thức gói tin sẽ được truyền đến một nhóm mạng định trước và gửi đơn điểm (unicast) là hình thức gửi đơn giản giữa hai nút trong mạng với nhau.
Hình 3. 27: Cách thức truyền thông trong Zigbee [4, tr81]
(a) Gửi quảng bá (b) Gửi đa điểm (c) Gửi đơn điểm