Cỏc thụng số tầng MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4 được thiết kế với yờu cầu tốc độ dữ liệu thấp, độ trễ vừa phải, đỏp ứng khả năng phõn bố mạng một cỏch mềm dẻo và cụng suất thấp.
Nhiệm vụ của tầng MAC là quản lý việc phỏt thụng tin bỏo hiệu beacon, định dạng khung tin để truyền đi trong mạng, điều khiển truy nhập kờnh, quản lý khe thời gian GTS, điều khiển kết nối và giải phúng kết nối, phỏt khung Ack.
3.3.3.1 Cấu trỳc siờu khung:
Hỡnh 8: Định dạng siờu khung
Định dạng siờu khung được quy định rừ bởi PAN coordinator . Mỗi siờu khung
được giới hạn bởi từng mạng và được chia thành 16 khe như nhau. Cột mốc bỏo hiệu dũ đường beacon được gửi đi trong khe đầu tiờn của mỗi siờu khung. Nếu một PAN coordinator khụng muốn sử dụng siờu khung thỡ nú phải dừng phỏt tớn hiệu beacon. Mốc này cú nhiệm vụ đồng bộ cỏc thiết bị đớnh kốm, nhận dạng PAN và chứa nội dung mụ tả cấu trỳc của siờu khung.
Siờu khung được chia thành 2 phần: - Inactive: Trạng thỏi nghỉ
- Active: trạng thỏi hoạt động, cú 16 khe thời gian, chia thành 2 phần: giai
đoạn tranh chấp truy cập (CAP) và giai đoạn tranh chấp tự do (CFP). Giai đoạn tranh chấp trong mạng chớnh là khoảng thời gian tranh chấp giữa cỏc trạm để cú cơ
hội dựng một kờnh truyền hoặc tài nguyờn trờn mạng.. Bất kỳ một thiết bị nào muốn liờn lạc trong thời gian CAP đều phải cạnh tranh với thiết bị khỏc bằng cỏch sử
coordinator cú thể định vị được bảy trong số cỏc GTS, mỗi GTS chiếm nhiều hơn 1 khe thời gian.
Cấu trỳc siờu khung được điều khiển bởi 2 thụng số beacon order (BO) (quy
định chiều dài của siờu khung) và surperFrame order (SO)(quy định chiều dài của vị trớ hoạt động trong siờu khung).
- Khung CAP được phỏt ngay sau mốc beacon và kết thỳc trước khi phỏt CFP. Nếu CFP=0 thỡ CAP sẽ kết thức tại cuối siờu khung. Tất cả cỏc khung tin, ngoại trừ
khung Ack và cỏc khung dữ liệu phỏt ngay sau khung Ack sẽ sử dụng thuật toỏn CSMA-CA để truy nhập kờnh. Khung chứa lệnh điều khiển MAC được phỏt trong phần CAP.
- Khung CFP được phỏt ngay sau phần CAP và kết thỳc trước khi phỏt beacon của khung kế tiếp. Nếu bất kỳ một GTS nào được cấp phỏt bởi bộ điều phối mạng PAN, chỳng sẽđược đặt bờn trong phần CFP và lấp đầy một loạt cỏc khe liều nhau. Bởi vậy nờn kớch thước của phần CFP sẽ do tổng độ gài cỏc khe GTS này quyết
định. CFP khụng sử dụng thuật toỏn CSMA-CA để truy nhập kờnh. Một thiết bị
phỏt CFP sẽ kết thỳc trong một IFS trước khi kết thỳc GTS
- Khoảng cỏch giữa hai khung (IFS_Interframe Space): Khoảng thời gian IFS là thời gian cần thiết để tầng PHY xử lý một gúi tin nhận được. Khung tin được truyền theo chự kỳ IFS, trong đú độ dài của chu kỳ IFS phụ thuộc vào kớch thước của khung vừa được truyền đi).
3.3.3.2. Thuật toỏn đa truy cập trỏnh xung đột sử dụng cảm biến súng mang (CSMA/CA)
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance). Phương phỏp trỏnh xung đột đa truy cập nhờ vào cảm biến súng. Thực chất đõy là phương phỏp truy cập mạng dựng cho chuẩn mạng khụng dõy IEEE 802.15.4. Cỏc node sẽ
liờn tục lắng nghe tớn hiệu thụng bỏo trước khi truyền.
Thuật toỏn truy nhập kờnh CSMA-CA được sử dụng trước khi phỏt dữ liệu hoặc trước khi phỏt khung tin MAC trong phần CAP. Thuật toỏn này sẽ khụng sử
trong phần CFP. Nếu bản tin bỏo hiệu đựơc sử dụng trong mạng PAN thỡ thuật toỏn CSMA-CA gỏn khe thời gian được dựng, ngược lại thuật toỏn CSMA-CA khụng gỏn khe thời gian sẽđựợc sử dụng.
3.3.3.3 Cỏc mụ hỡnh truyền dữ liệu:
Dựa trờn cấu trỳc mạng PAN thỡ ta cú thể phõn ra làm ba kiểu, ba mụ hỡnh truyền dữ liệu: từ thiết bị điều phối mạng PAN coordinator tới thiết bị thường, từ
thiết bị thường tới thiết bị điều phối mạng PAN coordinator, và giữa cỏc thiết bị
cựng loại. Nhưng nhỡn chung thỡ mỗi cơ chế truyền đều phụ thuộc vào việc là kiểu mạng đú cú hỗ trợ việc phỏt thụng tin thụng bỏo beacon hay khụng.
* Truyền dữ liệu từ thiết bị thành viờn đến thiết bị điều phối trong mạng khụng hỗ trợ beacon
- Khi một thiết bị muốn truyền dữ liệu tới thiết bị điều phối trong một mạng khụng hỗ trợ việc phỏt beacon, khi đú thỡ nú chỉđơn giản là truyền khung dữ liệu tới thiết bị điều phối bằng cỏch sử dụng thuật toỏn khụng gỏn khe thời gian (unslotted CSMA-CA). Thiết bị điều phối Coordinator cú thể trả lời bằng khung ACK như hỡnh sau:
* Truyền dữ liệu từ thiết bị thành viờn đến thiết bị điều phối trong mạng cú hỗ trợ beacon
- Khi một thiết bị muốn truyền dữ liệu tới thiết bị điều phối trong mạng cú hỗ
trợ beacon. Lỳc đầu nú sẽ chờ bỏo hiệu beacon của mạng. Khi thiết bị nhận được bỏo hiệu beacon, nú sẽ sử dụng tớn hiệu này để đồng bộ cỏc siờu khung. Đồng thời, nú cũng phỏt dữ liệu sử dụng phương phỏp CSMA-CA gỏn khe thời gian và kết thỳc quỏ trỡnh truyền tin bằng khung tin xỏc nhận ACK.
Hỡnh 10: Liờn lạc đến thiết bịđiều phối trong mạng cú hỗ trợ beacon
* Truyền dữ liệu từ thiết bị điều phối đến cỏc thiết bị khỏc trong mạng khụng hỗ trợ beacon
Khi thiết bị điều phối muốn truyền dữ liệu tới cỏc thiết bị khỏc trong mạng khụng hỗ trợ phỏt beacon (xem hỡnh 11), nú sẽ phải lưu trữ dữ liệu để cho thiết bị
liờn quan cú thể yờu cầu và tiếp xỳc với dữ liệu đú. Một thiết bị cú thể liờn lạc bằng cỏch truyền một lệnh MAC yờu cầu dữ liệu, tới thiết bị điều phối, sử dụng thuật toỏn khụng gỏn khe thời CSMA-CA. Điều phối viờn trả lời gúi tin này. Nếu dữ liệu
đang chờ, điều phối viờn truyền khung dữ liệu bằng cỏch sử dụng unslotted CSMA-CA. Nếu dữ liệu khụng chờ, điều phối viờn truyền 1 khung dữ liệu cú độ
dài phần tải trọng dữ liệu bằng khụng để chỉ ra rằng khụng cú dữ liệu nào đang (Tuỳ chọn)
chờ. Thiết bị sẽ trả lời ACK gúi tin này. Quỏ trỡnh mụ tả như hỡnh sau:
Hỡnh 11: Liờn lạc từ thiết bịđiều phối trong mạng khụng hỗ trợ beacon
* Truyền dữ liệu từ thiết bịđiều phối đến cỏc thiết bị khỏc trong mạng cú hỗ trợ beacon
- Cỏc ứng dụng truyền dữ liệu được điều khiển hoàn toàn bởi cỏc thiết bị trong mạng PAN, khụng phải là thiết bị điều phối mạng. Chớnh khả năng này cung cấp tớnh năng bảo toàn năng lượng trong mạng ZigBee. Khi thiết bị điều phối muốn truyền dữ liệu đến một thiết bị khỏc trong loại mạng cú hỗ trợ phỏt beacon, khi đú nú sẽ chỉ thị trong thụng tin bỏo hiệu beacon là đang cú dữ liệu chờ truyền. Cỏc thiết bị trong mạng luụn luụn lắng nghe cỏc thụng tin bỏo hiệu beacon một cỏch
định kỳ, và khi phỏt hiện ra thụng tin đang chời, nú truyền lệnh MAC yờu cầu dữ
liệu bằng cỏch sử dụng slotted CSMA-CA. Thiết bị điều phối tuỳ chọn việc xỏc nhận truyền thành cụng của gúi tin này. Cỏc khung dữ liệu đang chờ xử lý sau đú
được gửi bằng cỏch sử dụng slotted CSMA-CA. Cỏc thiết bị trả lời việc tiếp nhận thành cụng dữ liều bằng cỏch truyền một khung xỏc nhận. Khi việc xỏc nhận được thừa nhận, bản tin trong danh sỏch chờ truyền sẽ được xoỏ. Quỏ trỡnh truyền được mụ tảở hỡnh 12 (trang bờn).
Hỡnh 12: Liờn lạc từ thiết bịđiều phối trong mạng cú hỗ trợ beacon
Trong một mạng ngang hàng, mỗi thiết bị đều cú khả năng kết nối với bất kỳ
thiết bị nào trong bỏn kớnh phủ súng của nú. Cú hai cỏch để thực hiện việc kết nối. Cỏch thứ nhất là node trong mạng liờn tục lắng nghe và phỏt dữ liệu của nú đi bằng cỏch sử dụng thuật túan khụng gỏn khe thời gian CSMA-CA. Cỏch thứ hai là cỏc node tựđồng bộ với cỏc node khỏc để cú thể tiết kiệm đựơc năng lượng.
3.3.3.4 Phỏt thụng tin bỏo hiệu beacon:
Một thiết bị FFD cú thể hoạt động trong chế độ khụng phỏt thụng tin bỏo hiệu hoặc cú thể phỏt thụng tin bỏo hiệu giống như là thiết bị điều phối mạng. Một thiết bị FFD khụng phải là thiết bị điều phối mạng PAN cú thể bắt đầu phỏt thụng tin bỏo hiệu beacon chỉ khi nú gia nhập mạng. Cỏc tham số
macBeaconOrder và macSuperFrameOrder cho biết khoảng thời gian giữa hai thụng tin bỏo hiệu và khoảng thời gian của phần hoạt động và phần nghỉ. Thời gian phỏt bỏo hiệu liền trước được ghi lại trong tham số macBeaconTxTime và được tớnh toỏn
3.3.3.5 Quản lý và phõn phối khe thời gian đảm bảo GTS:
Khe thời gian đảm bảo GTS cho phộp một thiết bị cú thể hoạt động trong một kờnh truyền bờn trong một phần của siờu khung dành riờng cho thiết bịđú. Một thiết bị chỉ cú thể chiếm và sử dụng một khe thời gian khi mà thiết bị đú liờn quan
đến thụng tin bỏo hiệu beacon hiện thời lỳc đú. Thiết bịđiều phối mạng PAN cú thể
chiếm hữu khe thời gian GTS và sử dụng khe thời gian này để liờn lạc với cỏc thiết bị khỏc trong mạng. Một khe thời gian đơn cú thể kộo dài hơn thời gian của siờu khung. Thiết bị điều phối mạng PAN cú thể chiếm hữu tới bảy khe thời gian GTS cựng một lỳc miễn là nú cú đủ thẩm quyền trong siờu khung.
Một khe thời gian cú thể được chiếm hữu trước khi sử dụng nếu cú sự yờu cầu của thiết bị điều phối mạng PAN. Tất cả cỏc khe thời gian GTS đều được đặt liền nhau ở cuối của siờu khung sau phần CAP, và hoạt động theo cơ chế FCFS (first-come-first- serve) đến trước dựng trứơc. Mỗi khe thời gian GTS cú thể đựợc giải phúng nếu khụng cú yờu cầu nào, và một khe thời gian GTS cú thể được giải phúng vào bất kỳ lỳc nào khi thiết bị chiếm hữu nú khụng dựng nữa. Chỉ duy nhất thiết bịđiều phối PAN mới cú quyền quản ly khe thời gian. Để quản ly mỗi khe thời gian đảm bảo, thiết bị điều phối cú thể lưu trữ khe bắt đầu, độ dài, phương hướng (thu hay phỏt) và địa chỉ thiết bị kết nối.
3.3.3.6 Định dạng khung tin MAC:
Mỗi khung bao gồm cỏc thành phần sau:
- Đầu khung MHR(MAC header): gồm cỏc trường thụng tin về điều khiển khung tin, số chuỗi, và trường địa chỉ
- Tải trọng khung (MAC payload) : chứa cỏc thụng tin chi tiết về kiểu khung. Khung tin của bản tin xỏc nhận ACK khụng cú phần này.
- Cuối khung MFR(MAC footer) chứa chuỗi kiểm tra khung FCS (frame check sequence)
Octets:2 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 Biến 2 ID PAN đớch Địa chỉ đớch ID PAN nguồn Địa chỉ nguồn Điều khiển khung Số chuỗi Trường địa chỉ Tải trọng khung Chuỗi kiểm tra (FCS) Phần đầu khung MAC Tải trọng MAC Phần cuối khung MAC Hỡnh 13: Định dạng khung tầng MAC 3.3.4 Tầng mạng và bảo mật của ZigBee/IEEE 802.15.4 * Chức năng của tầng mạng - Thiết lập một mạng mới.
- Tham gia làm thành viờn của một mạng đang hoạt hoặc là tỏch ra khỏi mạng khi
đang là thành viờn của một mạng nào đú.
- Cấu hỡnh thiết bị mới như hệ thống yờu cầu, gỏn địa chỉ cho thiết bị mới tham gia vào mạng.
- Đồng bộ húa cỏc thiết bị trong mạng để cú thể truyền tin mà khụng bị tranh chấp, nú thực hiện đồng bộ húa này bằng gúi tin thụng bỏo beacon.
- Bảo mật: gỏn cỏc thụng tin bảo mật vào gúi tin và gửi xuống tầng dưới
- Định tuyến, giỳp gúi tin cú thể đến được đỳng đớch mong muốn. Cú thể núi rằng thuật toỏn của ZigBee là thuật toỏn định tuyến phõn cấp sử dụng bảng định tuyến phõn cấp tối ưu được ỏp dụng từng trường hợp thớch hợp. * Định dạng khung tin tầng mạng MAC HDR Số khung (4 byte) Số chuỗi
(1 byte) Tải trọng MAC MIC
* Dịch vụ bảo mật
Đối với cỏc bản tin truyền trực tiếp giữa 2 node mạng, ZigBee chỉ cần sử
dụng khung tin bảo mật MAC để hoỏ hoỏ bảo vệ thụng tin.
Đối với cỏc bản tin phải truyền qua nhiều node, nhiệm vụ bảo mật được tầng mạng đảm nhiệm. Dựng thuật toỏn AES để bảo mật
* Định tuyến:
ZigBee/ IEEE802.15.4 sử dụng thuật toỏn định tuyến theo vộc tơ, kiểu định tuyến theo yờu cầu (Ad hoc On Demand Distance Vector).
AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) đơn thuần chỉ là thuật toỏn tỡm đường theo yờu cầu trong mạng ad hoc (một mạng tự tổ chức). Cú thể hiểu như
sau, những nốt trong mạng khi mà khụng nằm trong tuyến đường truyền tin thỡ khụng duy trỡ thụng tin nào về tuyến đường truyền và cũng khụng tham gia vào quỏ trỡnh định tuyến theo chu kỳ. Núi kỹ hơn nữa, một nốt mạng khụng cú chức năng tự định tuyến và lưu trữ tuyến đường tới một nốt mạng khỏc cho đến khi cả hai nốt mạng trờn liờn lạc với nhau, trừ trường hợp những nốt mạng cũđề nghị dich vụ như
là một trạm chuyển tiếp để giữ liờn lạc giữa hai nốt mạng khỏc.
Khi một node nguồn cần kết nối tới node khỏc, mà node nguồn khụng chứa thụng tin về thụng tin tuyến đường tới node đớch, như vậy một quỏ trỡnh tỡm đường
được thiết lập.
Để thiết lập quỏ trỡnh tỡm đường này thỡ mỗi node mạng đều lưu hai bộđếm
độc lập: sequence number và broadcast id. Để bắt đầu quỏ trỡnh tỡm đường, node nguồn sẽ khởi tạo một gúi tin tỡm đường (RREQ) và phỏt quảng bỏ gúi tin này tới tất cả cỏc node mạng lõn cận, gúi tin RREQ này chứa cỏc thụng tin:
- Source addr: địa chỉ nguồn
- Source sequence number: số chuỗi nguồn - Broadcast id: số id quảng bỏ
- Dest addr: địa chỉđớch
- Dest sequence number: số chuỗi đớch - Hop cnt: sốđếm bước truyền
Cặp Broadcast id, Source addr là duy nhất đối với mỗi gúi tin RREQ. Mỗi khi node mạng nguồn phỏt ra một gúi tin RREQ mới thỡ số id quảng bỏ sẽ tăng lờn. Khi nốt mạng trung gian nhận được một gúi tin RREQ mới, nú sẽ đem so sỏnh địa chỉ
nguồn và số id quảng bỏ với gúi tin RREQ trước đú, nếu giống nhau nốt mạng trung gian này sẽ tự động xúa RREQ dư thừa này và dừng việc phỏt gúi tin này lại. Nhưng nếu so sỏnh thấy khỏc nhau thỡ nốt mạng này sẽ tự động tăng số đếm bước truyền (hop cnt) lện và tiếp tục phỏt quảng bỏ gúi tin RREQ này tới cỏc nốt lõn cận
để tiếp tục quỏ trỡnh tỡm đường. Trong mỗi một nốt mạng đều lưu trữ cỏc thụng tin vềđịa chỉ IP đớch, địa chỉ IP nguồn, số id quảng bỏ, số chuỗi nốt nguồn, và thời gian thời gian hạn định cho phộp gúi tin mang thụng tin xỏc nhận được gửi trả lại nơi phỏt Khi gúi tin RREQ được truyền trờn mạng từ nguồn tới đớch, nú sẽ tựđộng thiết lập con đường ngược lại từ cỏc nốt mạng này quay trở lại nốt nguồn. Để thiết lập tuyến đường ngược chiều, mỗi nốt phải lưu giữ bảng địa chỉ của cỏc nốt bờn cạnh mà nú sao chộp được trong gúi tin RREQ đầu tiờn. Tuyến đường ngược chiều được
lưu giữ trong thời gian tối thiểu để gúi tin RREQ này vượt qua mạng và trở về nơi xuất phỏt ban đầu.
Khi RREQ tới một nốt nào đấy mà cú thể nốt mạng này là đớch đến của nú,