1.3 网络层

ZigBee 网络层基于 IEEE 802.15.4 协议之上，是 ZigBee 协议的核心部分，所以人们也通俗地称为"核心协议"，它主要负责以下 3 方面的工作：

• 多设备组网
• 数据传输
• 网络安全管理

多设备组网详解

网络拓扑结构

第 1 方面，负责多个设备之间的组网，即星状网络、树状网络和网状网络的构建与维护。

ZigBee 设备角色

处于网络中的设备我们可以通俗地称为"网络节点"。ZigBee 网络节点有以下 3 种类型：

• 协调器（Coordinator）：充当 ZigBee 网络的网关（中心节点）角色，通常负责 ZigBee 协议与 NB-IoT、WiFi 等其他协议的转换、在特定的信道组建网络等，同时具备路由器的功能。

• 路由器（Router）：又称为中继器，负责数据路由。所有的终端设备都需要通过协调器或者路由器加入到网络中。

• 终端设备（End Device）：又称为叶子节点，必须通过协调器或者路由器才能加入到 ZigBee 网络中。例如在智能家居场景中，终端设备通常就是温湿度传感器、无线开关按钮或者各种生活电器等等。

组网特性

ZigBee 组网有 3 个主要特性。

第 1，支持构建和维护超过 10,000 个网络节点的网状网络，远远超过蓝牙的 8 个和 WiFi 的 32 个。它的好处在于：

• 一方面可以让更多设备加入到自动化控制和远程控制中，设备数量上的局限不复存在；

• 另一方面，在网状网络中，两个网络节点之间有 1 条或以上的通信链路，可以提供多通道通信服务。在复杂的工业场景下，往往不能保证每条无线网络通信链路始终畅通，多通道通信能够使得当某条链路堵塞后使用其他链路来通信，确保了通信的稳定性。

第 2，支持动态路由，即根据各个网络节点的实时状态来动态计算网络中任意两个节点之间的最优通信路径。举个例子，例如在网状网络的场景下，任意两个节点之间可能有多条通信路径，通过计算各个路径的实时质量从而动态选择最优的通信路径。

第 3，支持自组网，即在网络节点被拆散开，因为超出通信范围而无法通信之后，当他们再次回到通信范围内相聚的时候，彼此之间能够自动重新构建网络来实现数据通信。

数据传输详解

数据传输是指设备之间的控制指令和设备的状态信息等数据的传输。举个例子，以空调为例，这里所说的控制指令是指空调的开关、制冷温度设定、工作模式设定等指令；状态信息是指空调在某个时刻的状态，例如设定的温度是多少、室内温度是多少、工作模式是什么等。

安全管理

网络安全管理是指数据的加密解密等。

网络地址

处于网络中的 ZigBee 设备都会被分配一个用于标识的网络地址，通过这个网络地址可以找到对应的设备。ZigBee 网络地址是一个 16 位的地址（0x0000 - 0xFFFF）。在 Z-Stack 3.0 中，有几个特殊网络地址需要了解一下：

（1）协调器的网络地址为固定的 0x0000。

（2）0xFFFF - 这是一个对整个 ZigBee 进行广播的广播地址。

（3）0xFFFD - 只对打开接收的设备进行广播的地址。

（4）0xFFFC - 只对协调器和路由设备广播的地址。

（5）0xFFFE - 用作无效地址。

（6）0xFFF8~0xFFFB - 保留地址。

（7）0x0001~0xFFF7 被分配到 ZigBee 网络中的设备，作为网络地址使用。

内容来源：紫甲 IoT《ZigBee 3.0 开发指南》第四部分·1.3 网络层，原站链接

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本章自测

一、单项选择题（每题 4 分，共 40 分）

1. ZigBee 网络层基于 IEEE 802.15.4 之上，被通俗地称为？（A. 核心协议 B. 接入协议 C. 传输协议 D. 应用协议） 答案：A

2. 下列哪一项不属于 ZigBee 网络层负责的工作？（A. 多设备组网 B. 数据传输 C. 网络安全管理 D. 电磁波信号调制） 答案：D

3. 下列哪一种不属于 ZigBee 支持的网络拓扑结构？（A. 星状 B. 树状 C. 网状 D. 环状） 答案：D

4. 充当 ZigBee 网络网关/中心节点，并负责与 NB-IoT、WiFi 等协议转换的设备角色是？（A. 终端设备 B. 协调器 C. 叶子节点 D. 中继器） 答案：B

5. 终端设备又被称为？（A. 网关 B. 叶子节点 C. 信任中心 D. 协调器） 答案：B

6. ZigBee 网状网络支持构建和维护超过多少个节点？（A. 8 个 B. 32 个 C. 255 个 D. 10000 个） 答案：D

7. 根据各节点实时状态动态计算任意两节点之间最优通信路径，称为？（A. 自组网 B. 动态路由 C. 信道扫描 D. 关联） 答案：B

8. ZigBee 网络地址是多少位的？（A. 8 位 B. 16 位 C. 32 位 D. 64 位） 答案：B

9. 在 Z-Stack 3.0 中，协调器的网络地址固定为？（A. 0x0000 B. 0xFFFF C. 0xFFFD D. 0xFFFE） 答案：A

10. 下列哪个地址用作"无效地址"？（A. 0xFFFF B. 0xFFFD C. 0xFFFC D. 0xFFFE） 答案：D

二、问答题（每题 20 分，共 60 分）

1. ZigBee 网络节点有哪三种角色？各自的职责是什么？参考答案要点：

• 协调器（Coordinator）：充当网络网关/中心节点，负责在特定信道组建网络、协议转换，本身具备路由器功能；
• 路由器（Router，中继器）：负责数据路由/中继，所有终端设备都要通过协调器或路由器入网；
• 终端设备（End Device，叶子节点）：必须通过协调器或路由器才能加入网络，如温湿度传感器、无线开关等。

2. ZigBee 组网的三个主要特性是什么？参考答案要点：

• 可支持超过 10000 个节点的网状网络，节点数量远超蓝牙和 WiFi，且多链路提供多通道通信，提高稳定性；
• 支持动态路由：根据各节点实时状态动态计算任意两节点间的最优路径；
• 支持自组网：节点离开通信范围后再次回到范围内时，能自动重新构建网络恢复通信。

3. 请列举 ZigBee 网络中至少 4 个特殊网络地址及其含义。参考答案要点：

• 0x0000：协调器固定网络地址；
• 0xFFFF：对整个 ZigBee 网络广播的地址；
• 0xFFFD：只对打开接收的设备进行广播；
• 0xFFFC：只对协调器和路由设备广播；
• 0xFFFE：用作无效地址；0xFFF8~0xFFFB 为保留地址，0x0001~0xFFF7 分配给普通设备使用。