UG435.02: Using Silicon Labs Connect v3.x with IEEE 802.15.4 (Rev. 0.1)

• 1. 引言
• 2. 基本术语
  • 2.1 物理层
  • 2.2 数据链路层
  • 2.3 个域网
  • 2.4 PAN Coordinator
  • 2.5 Intra-PAN Message
  • 2.6 Inter-PAN Message
  • 2.7 长地址
  • 2.8 短地址
  • 2.9 PAN ID
  • 2.10 广播地址
  • 2.11 CSMA/CA
  • 2.12 消息完整性检查
• 3. 帧格式
  • 3.1 Physical Protocol Data Unit (PPDU)
  • 3.2 MAC Protocol Data Unit (MPDU)
    • 3.2.1 Frame Control Field
  • 3.3 MAC Security
• 4. 一般的 802.15.4 MAC 过程
  • 4.1 ACK 过程
  • 4.2 数据轮询过程
  • 4.3 关联过程

Connect v3.x User’s Guide 的本章介绍了如何将 Silicon Labs Connect stack v3.x 与 IEEE 802.15.4 结合使用。 Connect v3.x User’s Guide 假定您已经安装了 Simplicity Studio 开发环境和 Flex SDK，并且熟悉配置、编译、刷写 Connect-based 应用程序的基础知识。有关 Connect v3.x User’s Guide 中各章的概述，请参阅 UG435.01: About the Connect v3.x User’s Guide 。

1. 引言

Silicon Labs Connect 基于 IEEE 802.15.4-2011 标准（缩写为 IEEE 802.15.4）。因此，要了解 Silicon Labs Connect stack，还需要具备 802.15.4 的基础知识。802.15.4 定义了各种物理层和媒体访问控制层，这些设计用于低数据速率、低功耗、低复杂度、短距离的个域网通信。IEEE 802.15.4 也是网状网络协议（如 Zigbee 或 Thread）的基础。

本文档简要地介绍了 Connect 中使用的 IEEE 802.15.4 功能，因此您无需阅读 IEEE 802.15.4 规范即可了解其 MAC 层。

有关 IEEE 802.15.4 的更多信息，请参阅 https://standards.ieee.org/standard/802_15_4-2011.html 。

2. 基本术语

在研究技术细节之前，定义一些通用术语是很重要的。

2.1 物理层

物理（PHY，Physical）层是通信栈中的最底层。它负责通过介质传输非结构化数据。在无线网络栈中，PHY 定义了成功接收数据所需的调制、比特率和帧的一部分（如前导码（preamble）和同步字（sync word））。

2.2 数据链路层

数据链路层（DLL，Data Link Layer）构建在通信栈中的 PHY 之上。它负责在两个设备之间进行可靠的数据传输（如寻址、确认和完整性检查）。在 IEEE 802 协议中，DLL 由两层组成。较低的一层称为媒体访问控制（MAC，Media Access Control）层。由于 IEEE 802.15.4 没有较上的一层，因此 MAC 层可与 DLL 互换。

译者注：IEEE 802 将 OSI 的数据链路层分成了两个子层，分别是逻辑链路控制（LLC，Logical Link Control）和媒体访问控制（MAC，Media Access Control）。

2.3 个域网

个域网（PAN，Personal Area Network）是一个可以互相通信的逻辑设备组。基于 IEEE 802.15.4 构建的协议通常在 PAN 内部通信。

2.4 PAN Coordinator

PAN Coordinator（协调器）可以在某些协议中执行特殊服务（如分配短地址）。

2.5 Intra-PAN Message

Intra-PAN Message 是源设备和目标设备位于同一 PAN 中的消息。

2.6 Inter-PAN Message

Inter-PAN Message 是源设备和目标设备位于不同 PAN 中的消息。

2.7 长地址

长地址（Long Address）是全局唯一的 64-bit 地址（EUI64）。每个 Silicon Labs Wireless Gecko 在出厂时都分配了一个 EUI64 地址。这在大多数 IEEE 802 协议中都是标准化的（如 IPv6 使用与 MAC 地址相同的 EUI64）。

2.8 短地址

短地址（Short Address）是仅在 PAN 中唯一的 16-bit 地址。因为 IEEE 802.15.4 具有一个相当短的帧，所以使用长地址将消耗大量帧。因此，如果设备知道 PAN ID 时，则可以使用短地址。0xFFFE 是一个保留的特殊地址，这意味着设备位于 PAN 中，但没有源地址（source address），因此应使用其长地址进行通信。

2.9 PAN ID

PAN ID 是一个标识 PAN 的 16-bit 长地址。没有分配 PAN ID 的标准化方法，因此应用程序应确保使用未在同一网络中使用的 PAN ID。

2.10 广播地址

广播地址（Broadcast Address）是一个任何设备都应接收的特殊地址。0xFFFF 短地址是广播短地址。0xFFFF PAN ID 是广播 PAN ID。

2.11 CSMA/CA

CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）是一个“listen-before-talk”协议：为了避免冲突，无线电在传输之前应先侦听信道。如果信道为“空闲（free）”（即未接收到任何内容），则设备可以发送。如果信道为“忙（busy）”（即接收到某些内容），则设备将等待，然后重试。重试一定次数后，传输将失败并且错误将报告给应用程序。

2.12 消息完整性检查

消息完整性检查（MIC，Message Integrity Check）用于数据认证：只有真正的发送者才能计算帧的 MIC。

3. 帧格式

IEEE 802.15.4 将帧（在 Silicon Labs Connect 中使用）中的每个字段都指定为最低有效位（LSB，Least Significant Bit）优先。

3.1 Physical Protocol Data Unit (PPDU)

• SHR: Synchronization Header
  • Preamble: Required for bit synchronization (clock recovery) on the receiver.
  • SFD: Start of Frame Delimiter (often called sync word)—required for byte synchronization on the receiver.
• PHR: Physical Header
  • Frame Length: the length of the PSDU—because it is 7 bits, this limits the PSDU size to be a maximum of 127 bytes.
    
    IEEE 802.15.4-2015 defines a different, 16-bit PHR with an 11-bit length field. Silicon Labs Connect does not currently support this format.
• PHY Payload
  • PSDU (Physical Service Data Unit): The payload of the PPDU.

3.2 MAC Protocol Data Unit (MPDU)

• MHR: MAC Header
  • Frame Control Field (FCF): see Section 3.2.1 Frame Control Field.
  • Sequence Number: sequentially increasing number, used to pair ACK frames with normal frames.
  • Addressing fields: see Section.
  • Aux. Security header: see Section 3.3 MAC Security.
• MAC payload: the payload of the Medium Access Control Protocol Data Unit (MPDU).
• MFR (MAC footer): has a single field—Frame Check Sequence (FCS), which is a 2-byte Cyclic Redundancy Check (CRC) of the MHR and the payload.

3.2.1 Frame Control Field

• Frame Type: Sets the frame type to one of these:
  • 0 – Beacon. used to advertise a PAN
  • 1 – Data. data used by an upper layer
  • 2 – Acknowledgement (ACK)
  • 3 – MAC Command which is the frame intended for the MAC layer (for example, part of the join process
• Security Enabled: the Auxiliary Security Header is enabled when this bit is set to 1.
• Frame Pending: used for data polling.
• Acknowledgement Request (AR): frame should be ACKed by the receiver.
• Addressing modes: As the table above shows, IEEE 802.15.4 frames are both source and destination addressed. However, both fields can be configured for various addressing modes:
  • 0 – no address. For example, both addresses are missing from ACK frames. For data and command frames only one (either source or destination) field can be omitted: If the source address is omitted, it means the PAN coordinator sent the frame. If the destination address is missing, it means it should be received by the PAN coordinator.
  • 2 – short address: The address field includes a short address and a PAN ID (total of 32 bits).
  • 3 – long address: The address field includes a long address and a PAN ID (total of 80 bits).
• PAN ID Compression: If both source and destination addresses are present and the PAN ID is the same for both (intra-PAN message), this bit should be set and the source PAN ID should be omitted. This shortens the addressing fields for short-addressed intraPAN messages to 48 bits (one 16-bit source address, one 16-bit destination address, and one 16-bit PAN ID).
• Frame Version: Selects the frame version for compatibility with other versions of IEEE 802.15.4.

3.3 MAC Security

IEEE 802.15.4 支持以下安全服务：

• 数据机密性
• 数据真实性
• 重放攻击保护

Auxiliary Security Header 可以有各种安排，具体取决于可用的安全性和密钥设置。但是，对于 Silicon Labs Connect，启用安全性后：

• 始终使用由应用程序设置的 128-bit 密钥（即没有 IEEE 802.15.4 key identifier field）。
• 使用所有上述三个服务。

这意味着 Auxiliary Security Header 的长度为五个字节，如下图所示：

Security Control 仅使用最低的三位，这用于选择安全模式（始终为 5）。

Frame Counter 是每个设备上用于启用重放保护的计数器：计数器是认证数据的一部分（即 MIC 是通过其计算的），并且接收方不应接受相同/较低的帧。即使设备重启，Frame Counter 也必须有效。

为了保证数据的可靠性，将在 MAC 有效负载（payload）的末尾（在 FCS 之前）添加一个 4-byte MIC。在 Silicon Labs Connect 支持的安全模式下，security header 和 footer 使用九个字节的 MAC 有效负载。

4. 一般的 802.15.4 MAC 过程

4.1 ACK 过程

如果设备发送设置了 ACK request bit 的数据或命令帧，则接收它的设备应以 ACK 帧作为响应。ACK 帧包括与其响应的帧的相同 sequence number。ACK 帧仅包含来自 MAC field 中的 FCF、sequence number 和 FCS，并且没有有效负载。这意味着 ACK 帧的 PSDU 为五个字节。

4.2 数据轮询过程

一台设备可以轮询来自另一台设备的消息。通常，End Device（不经常打开无线电功能）将轮询 Coordinator。此过程从 End Device 向 Coordinator 发送数据请求命令开始。Coordinator 以 ACK 作为响应，其中在 FCF 中设置了 frame pending bit。然后，End Device 必须打开无线电以等待 Coordinator 发送下一帧（或超时）。

4.3 关联过程

要加入网络，设备应经过关联（association）过程。在下表中描述了该过程，其中“E”（End Device）希望加入到“C”（PAN Coordinator）。所有命令帧都是 MAC 命令帧。