选择无线协议：802.15.4、ZigBee 以及专有网络之间的对比(2) 网络服务, 安全性, 故障率, 可靠性, 数据包

yuyang911220

稳健性与可靠性
低功耗网络协议实施的稳健性与可靠性可归结为三点：消息交付、物理层考虑事项以及消息发送协议。消息交付取决于路由技术来确保数据包的成功传输以及网络交易的安全性。物理层考虑事项涉及工作通道内的噪声或其它传输信号的干扰问题。消息发送协议则定义了通道的分区，确保所有设备都能使用物理介质，而不会在传输过程中导致数据包冲突。上述三点均有助于提高网络服务质量 (QOS)，是一系列用以测量数据包通信效率、传输速率及故障率的网络标准。
通道扫描即侦听通道中传输量或噪声大小的能力，属于物理层考虑事项。网络协议通过通道扫描来查找特定工作频带内最不可能干扰节点间通信的通道。频率捷变性是指网络改变网络上所有节点的工作通道的能力，这样即便某条通道遭到干扰，网络仍能继续工作。我们还能通过确认机制来改善消息交付能力，即让接收节点在成功接收数据包后向最初的发送节点反馈一个 ACK 确认信息。点对点确认机制配合消息重试次数定义有助于大幅降低数据包丢失的可能性。而端对端确认机制将提供另一层安全性，确保数据包不会丢失，这在采用复杂路由算法的大型多跳转网络中尤其重要。
消息发送协议定义了网络带宽是如何获得并进行分区的。不同的无线协议可定义不同的带宽分区，其可能包括频分、空分、时分或码分等。频分可理解为一屋子的人用高低不同的声音谈话；空分可理解成一屋子的人在不同方向上谈话；时分可理解成一屋子的人都竞争说话权，但只要有一个人抢先发言，其他人就不再说话了；码分则可理解为一屋子的人用高低不同的声音讲不同的语言。在本文涉及的协议中只讨论时分，也就是时分多址协议，这种协议有同步和异步通信两种可能的实施方案。
协调节点广播周期性网络信标并将不同信标间的时间间隔划分为相同的时隙，从而实现同步通信。单个网络信标以及出现在下一信标之前的各时隙均称作超帧。超帧的时隙可进一步分为活动和非活动通信期，这样协调节点在非活动期的低功耗模式下就能进入休眠状态。我们可通过通道侦听多址(CSMA)技术或通信前侦听算法来确保或让各方争用时隙。
CSMA 算法定义了多个节点同时尝试通信时判优RF 通道使用的协议。最常见的实施方案是采用 CSMA/CA 算法，这里的 CA是指防碰撞系统，因为发送节点一旦侦听到通道繁忙将取消发送消息。CSMA 算法还有其它的实施，如 CSMA/CD(碰撞检测)和CSMA/CR(碰撞解决)等，但这些在 RF 协议实施中并不常见，也不在本文讨论的范围之内。
安全性是影响无线通信稳健性的另一个重要因素，同时也是网络的主要功能。例如，家庭安全网络可能包含一个车库门开启器，用它来开关车库门锁。这种系统需具有高度的安全性，防止偷听或出现安全漏洞，确保隐私。我们可通过采用不同级别的安全密钥和加密机制、进行消息验证与完整性保护、使用安全信任中心(trust center)等方式来确保安全性，也就是说，通过网络上的单个节点(通常是网络协调节点)而不是采用分布式安全机制来解决所有安全问题。如果采用分布式安全机制，在创建不同链接时会分别交换对称密钥，某个攻击节点会绕开管理节点的直接验证，很容易进入网络。
第二部分
在本文第一部分，我们讨论了包括开放系统互连(OSI)网络模型在内的网络基础知识，并介绍了低功耗网络的特点以及包括应用考虑事项和稳健性与可靠性等在内的相关选择标准。在第二部分中，我们将探讨更多选择标准，介绍802.15.4协议并将其与上述选择标准进行了比较。
简便易用性
简便易用性反映为对协议可用性的主观分析。包括代码可读性、支持文档、直接工程设计支持和简化的 API 等在内的多种因素都有助于简化对哪怕是最复杂软件系统的学习进程；不过，本文所说的简便易用性是从协议的复杂程度角度来说的。根据不同应用要求，设计人员可能认为须采用高度复杂的协议，但我们应认识到，软件实施方案越复杂，特性集也就越丰富。802.15.4、ZigBee 和 SimpliciTI 等低功耗无线协议正好实现了复杂性与简便易用性的最佳平衡，其提供的完整协议架构，便于设计人员理解并发挥特性集的全部优势。如实施方案过于复杂，即便经验丰富的嵌入式开发人员都可能感到头疼。因此，协议特性与简便易用性相平衡是我们要考虑的一个重要选择标准。
硬件与 RF 考虑事项
我们应考虑的一些硬件和应用问题，其中包括系统的物理规模、传输距离、成本预算、功耗预算，以及应用特性（如要求语音识别或用户接口）等。只有回答了这些问题，我们才能确定采用何种无线协议，才能明确支持何种微控制器特性。在超低功耗协议设计中应考虑的关键硬件选择标准如图 5所示。

图 5 — 主要低功耗无线硬件选择标准
上述选择标准适用于本文所讨论的有关协议，也是在实施最终解决方案评估硬件时可借鉴的重要依据。我们还应处理一些系统级问题，如硬件的物理尺寸，因为这会限制MCU和/或无线电的选择。在某些情况下，在单个器件上集成了MCU和无线电的片上系统(SOC)是一款具有最佳尺寸与特性的解决方案。而在其它情况下，尺寸的限制意味着支持集成模拟功能的 ADC 等会决定 MCU 的选择。此外，硬件的选择还会受到协议本身对存储器和 MCU 资源要求的影响。如果协议实施的资源要求对MCU的应用性能有一定局限，那么设计人员就可选择专门用来支持实施方案的无线应用处理器，如ZigBee 协议栈处理器，这样就能让“应用”MCU来实施定制应用功能。
在详细讨论协议之前，图 6 以 MSP4304618 MCU 和 CC2420 无线电广播为例显示了协议的范例编制，使读者对实际实施中的内存占用情况有个一般性的了解。

            

	闪存／ROM (KB)	RAM (KB)
SimpliciTI	6	2
TIMAC 802.15.4	1	2.3
ZigBee协调器 (Min/typ)	54/56	4.5/6.6
ZigBee终端设备 (Min/typ)	38/41	3.64.4
ZigBee Pro 协调器	62.6	6.7
ZigBee Pro 终端设备	48	4.8

* 采用 IAR Embedded Workbench v4.1；优化度设为 高；由德州仪器进行协议实施
图 6 —— 不同无线协议的微控制器内存要