Zigbee学习系列文章

Zigbee学习（一）架构及入网
Zigbee学习（二）认识Profile和Cluster
Zigbee学习（三）Z-Stack代码框架解析

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前言

提示：此博文专注Zigbee的入网流程和抓包数据分析，抓包工具（Ubiqua）的使用方法在此就不赘述啦。

无线自组网离不开搜网、认证、入网和离网。让我们一起抓包看看。还有其他Zigbee学习系列有关的文章请上拉到开头的列表噢。

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一、概述

一张分层图可以便可以将Zigbee的架构展示清楚，在看报文之前，需要大概知道Zigbee的分层，抓包工具也会帮助我们标识是那一层的相关报文（位于每张抓包图的右侧上方，报文解析的头上）。

在此我们讨论的是Zigbee3.0的设备，首先看一下Ubiqua抓取的入网过程大体的样子，根据不同的入网设备类型（Router，Endpoint），报文会有一些差异，但是流程大体不变。其中博主会抹掉一些敏感信息，不妨碍学习。

二、入网报文解析

1.Management Permit Joining Request

这是协调器的广播命令，允许设备入网。报文中包含APS和ZDP层的信息，其中的参数Permit Duration为允许入网超时时间，单位是秒。
APS Counter和ZDP Transaction Sequence Number用于管理APS和ZDP部分的序列号， 每一个新传输会加一，防止重放攻击。

2.Beacon Request

要请求入网的设备会发出Beacon Request广播指令，在信道上扫网（ZigBee信道为11~26）寻找是否存在合适的网络。MAC Header中的Sequence Number用于管理MAC层序列号， 每一个新传输会加一，防止重放攻击。

3.Beacon

同一个频道下，允许入网的协调器或路由会用Beacon响应Beacon Request报文。包含设备是否为协调器，是否开放关联，可否接入Router设备，可否接入End Device设备。

• Association Permit为Yes表示允许关联（注意这里并不是入网完成，而是协调器根据自身资源允许有子设备加网）。
• RouterCapacity为0x01说明允许路由入网。
• End Device Capacity为0x01说明允许子设备入网。

提示：在设备间数据交互的报文中时而会看到Beacon报文，Beacon都是由协调器发出。若是在信标网络中，协调器向网络中所有设备发Beacon，保证设备和协调器同步（工作/休眠）。若不在信标网络中，只有协调器收到Beacon Request才会回复Beacon。不过这些不在入网流程中，咱们日后再说 。

4.Association Request

设备要加入个人区域网络（PAN），会给协调器发送一个关联请求。此消息是不加密的，协调器收到后，会根据当前自身的资源情况决定是否允许其加入网络。

5.Data Request

Endpoint发送一个Data request请求Coordinator给其分配16位网络地址。在获得网络短地址之前，设备和协调器是通过64位的长地址进行交互的。

6.Association Response

协调器若允许子设备加入，则分配短地址，并返回Association Response

7.Transport Key

协调器需要将网络密钥（Network Key，简称NWK Key）128位发送给设备，用来保证网络层的加密传输。此时协调器会使用Link Key（预先配置的或install code生成）来加密NWK Key，NWK Key用于网络层通信的加密。如果需入网设备没有收到NWK Key，则需要重新入网（Rejoin）。

当入网成功后，ZigBee 3.0以上要求，子设备向协调器请求新的Trust Center Link Key来替换之前默认的Trust Center Link Key

默认Trust Center link key是公开的，为：
5A:69:67:42:65:65:41:6C:6C:69:61:6E:63:65:30:39

这也是入网过程的一部分，因为若没有发Transport Key，虽然有了Association Response，设备最后仍会发Leave离网。

8.Device Announce

入网成功后，子设备在全网广播自身信息，包括地址、设备类型、加密情况等。设备广播两次，网关广播两次。

9.Route Request和Route Reply（针对Router设备）

对于Router设备来说，网关会发路由请求Route Request，这是一个广播消息，但是带了一个目标短地址，目的是建立从源节点到目标节点的路由路径。

目的节点收到消息后，回应Route Reply，参与转发这条消息的路由中间节点就会建立起路由表，路由路径由此而生。

10.Node Descriptor Request和Node Descriptor Response

子设备向协调器请求设备属性、特征等描述。协调器收到后先回一个Acknowledgement，再回复一个Node Descriptor Response具体信息。然后子设备收到Node Descriptor Response，又会给协调器回一个Acknowledgement。

11.Link Status

Link Status报文的发出源可能是入网设备也可能是协调器设备。只能传输一跳，不会被转发和重传，是一则广播消息。所以这是一则评估邻居设备的消息。默认15s发一次。
那么Link Status是如何评估邻居的表现呢？
输入损耗和输出损耗，这两个值都是通过LQI计算的，1代表最好，7代表最差，0代表未收到。

• 输入损耗（Incoming Cost）是从邻居最新发送的link status获得。
• 输出损耗（Outgoing Cost）是发给对应邻居信息的链路质量。

邻居表是用来做什么的？

1. 在网络发现或重连时存储可能的父节点的信息，从而建立最有效质量最好的路由路径。
2. 入网后，每次收到link status就更新网络中相邻设备的关系和链路状态。

12.Leave

已入网设备或者协调器都可以请求已入网设备离开网络。

设备主动离网：设备广播发送Leave
协调器请求设备离网：协调器先发Management Leave Request，设备会回复Management Leave Response（包含成功/失败信息），然后设备再广播发送Leave报文。Rejoin为0即不再发生Rejoin动作，清除相关表和变量。

总结

了解入网的流程也有助于工作中分析入网相关的问题。如果大家有关心的参数我没有提到，欢迎留言。