研究Zigbee的protocol stack時，除了一個好的模擬版，可幫助你容易的理解書上所學，同時，有一台sniffer (封包監聽)更可以讓你實時的體會到程式碼的運行。由於兩台device中間的傳輸是無線環境，所以無法像往常的單晶片程式一樣，拉LED 印message來debug。事情怪異時，唯有公正的第三方(sniffer)探測到的訊息可以解答。我買的是這台，
他有一個SMA的天線接口，也送了一個鞭刑天線，另一邊是USB接頭，很簡單。上面有一個燈，亮了 代表有電。也有一個reset鈕，你覺得怪怪時，就按一下看看吧 代表有電。也有一個reset鈕，你覺得怪怪時，就按一下看看吧!
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無線電傳輸的資料，最怕就是被別人竊取，甚至是偽造再重新發送。防止竊取的做法就是資料加密(Encryption)，而防止別人假造資料的方式就是認證(Authentication)。<加密(Encryption)>Zigbee支援先進加密標準 AES (Advanced Encryption Standard)，AES是DES的下一代演算法，用來保護下一個世代(30年)的資料安全。AES屬於對稱式編加密的一種，所謂對稱式加密就是說要加密與解密適用同一個密碼。你拿到密碼你就可以用來做加密以及解密，你若要換密碼，加密端與解密端需要一併更換。他的流程是這樣的，假設你有一段訊息，稱為明文(plaintext)，你想要用一個金鑰(key)，把明文加密成，密文(ciphertext)。然後用密文在無線電上傳輸，這樣即使截取到的人，截到的也是密文，看不懂內容，這樣就達到加密保護的作用了。收到密文的一端，再用一樣的金鑰，把密文解成明文，這樣就完成整個通訊程序了。由此可以看的出來，金鑰，是最重要的事情，一旦流出去就毀了，所有的秘密也都守在這一個點上，你也可以說，當金鑰越長安全性也就越高，目前Zigbee只支援到AES 128，也就是每次加密的單位為128 bit，我猜是由於移動設備的運算能力關係，才沒有用目前安全性較高的AES256。整個的操作上使用兩種key，1. link key: 在兩台device間分享。2. network key: 分享在整個網路上。設計上有一台特殊的ZigBee device稱為 信任中心(trust center)，用來發布link key以及network key。這樣的機器在整個網路上只能有一台，由coordinator決定其位址，存放在APS IB的屬性apsTrustCenterAddress內部。已經了解到加密與解密都要用到同一把金鑰，有三種device獲取金鑰的方法，這裡指的是link key，1. 預載 (preinstallation): 由廠商預載設定好的key。2. 傳送金鑰 (key transport): device去問trust center而得到key。
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這一層是最上層了，包含三種東西1. 應用程式支援 APS (Application Support)2. 設備物件 ZDO (Zigbee Device Object)3. 應用程式框架 AF (Application Framefork)這一層一樣有預設值(constant)以及屬性(attribute)，如同其他層一樣，預設值前面有apsc，屬性前面有aps關鍵字。這些東西存在APS IB內，而APS IB (APS Information Base) 屬於上面講的APS的管轄範圍。在應用程式框架這一段，內有很多應用程式物件(Application Object)，藉由AF，與ZDO以及APS溝通。定義上，每台device最多可以有240個應用程式物件，也配給每個應用程式物件一個端點(end point)，作為溝通用，編號由1 ~ 240。 還有一個沒講到的，就是設備物件ZDO，他也要溝通，他使用特殊的端點，端點 0。還有一個特別的是端點255，若要把訊息廣播到所有的應用程式物件，就使用端點255。 <應用程式框架 AF (Application Framefork)>
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這一層是我最有興趣的，因為TI沒有提供原始碼，我們無法從source code level去得知精確的做法，只能由規格書與實驗中去驗證。但是這一層又很有趣，因為各種的組網都在這層控制，所以值得好好的了解。 這一層主要提供兩個服務，資料與管理。跟之前兩層一樣，有自己的預設值(constant) 與屬性(attribute) 記得，這層已經脫離802.15.4的規範，來到Zigbee標準的規範，所以預設值前面會掛 nwkc關鍵字，而屬性前面會掛nwk關鍵字。資料由 資料進入點控制 NLDE (NWK Layer Data Entrity)管理由 管里進入點控制 NLME (NWK Layer Menegement Entrity) NWK層也管理一個訊息在整個網路內的傳播跳躍次數，這個叫半徑 (radius)，若一個訊息的原始半徑為10，則每跳躍一次，這個值會減1。 通訊的方式大致上可以分為三種，1. 廣播 (Broadcast): 所有device都會收到訊息。
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MAC層是IEEE 802.15.4定義的最後一層了，往上的層並沒有定義，所以各種網路都有可能，因為這裡是講ZigBee，所以我們可以假設上一層是網路層(NWK)。 再來要講第二個ZigBee 可以省點的秘密，第一個秘密是 無信標網路<超級框架> Superframe (大陸人稱為 超禎，我超不習慣，所以以後還是稱為Superframe)先來看一張圖，從規格書截出來的
在有信標網路中，可以由 保證時槽(GTS)存在，這個非常有用特別適用於需要低延遲的傳輸。而Superframe，就夾在兩次的信標(Beacon)之間。也因著這樣，Superfram只存在有信標的網路中。從上而下看出，可整個完整的週期(beacon interval) 可以分成兩種，活動(active)的週期與非活動(inactive)的週期，而整個活動周期，又分為兩種1. 競爭的週期 CAP (contention access period)2. 免競爭週期 CFP (contention-free period)
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服務就是要提供給別人呼叫的，ZigBee中遵循一套原生的服務概念(concept of primitive)，以此來描述互動的關西。在層與層之間，是透過呼叫含式或是傳送訊的方式做溝通，稱為 原生(primitive)。這個總共有四種，分成兩組看，第一組是 要求(request)與確認(confirm)，2u4-4y 要求(request)與確認(confirm)，第二組是通知(indicate)與回應(response)。 在第一組，通常是由上一層作要求，也就是由MAC層 要求(request)PHY層的資料傳輸，若傳輸順利，PHY要要回送一個確認(confirm)的訊息給MAC層。 第二組，通常是由下層回報給上層，例如PHY層要是收到資料，就要通知(indicate)給Mac層知道，MAC層收到之後，要回應(response)給PHY層。只是這個回應，不是必需的，要看該個通知，有沒有要求對方要回應，這個可以從sniffer的封包上面看到真實的情形。
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實體層，就是最靠近硬體那一層，所以首先先來知道一下，無線傳輸最重要的，頻率到底是多少，我們買模組的時候，大概都有印象這是2.4GHz的模組，但是精確的頻率到底是多少?在IEEE 802.15.4的規範中，通道(channel)是分頁的，定義了通道頁(Channel Page) 從0 ~31，但是目前為止只有通道0，1，2 有被定義，其他的3~31 都是預留給未來使用的。每個通道頁內部都分割成27個頻道(channel)，頻道編號(channel number)從0~26。以我們常見的通道頁0，又切成四個頻帶(band)，他的頻道編號是這樣的頻道0: 868MHz (BPSK調變)頻道1~10: 915 MHz (BPSK調變)頻道11~26: 2.4GHz (O-QPSK調變) 以頻道11~26來說，它們使用2.4GHz，這只是一個頻帶在2.4G附近，每個頻道都有一個專屬的中心頻率(Center Frequency) 這樣才不會跟別人打架。中心頻率的算法為中心頻率 = 2405 + 5 x (頻道編號 - 11)這樣就可以知道你的選定的頻道，其中心頻率是多少MHz。
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我的資訊來源通常是IEEE 802.15.4 規格書，再來就是ZigBee 聯盟http://www.zigbee.org/Standards/Downloads.aspx根據這個資訊，可以做的事情很多啊，到今天為止總計有
大樓自動化 (ZIGBEE BUILDING AUTOMATION)
遙控器 (ZIGBEE REMOTE CONTROL) 這個在RF4CE的規格內
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Zigbee有兩個主要的安全性議題<資料機密 (data confidentiality)>就是怕傳輸中的資料會被別人偷走或是洩漏，這邊的做法很簡單，就是把傳輸的資料加密就好，ZigBee支援AES (Advanced Encrypion Standard)加密法。 <資料鑑定 (data authentication)>這個就是怕別人竄改，偽造資料，這邊的解法是用訊息完整碼MIC (Message integrity code)來解決。 不管是那個議題，若是啟動都會造成device需要額外的運算力量與電力的消耗，這對於ZigBee這種低功耗設備來說，是比較傷的，這是做設計時需要考量的取捨。
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往後會一個一個仔細地介紹每一層的內容，在此先來個總覽吧!ZigBee的封包跟我們之前學的TCP/IP封包差不多，都是一層一層的包上去，收到之後在一層一層的脫掉外衣解出訊息，一樣的大腸包小腸的方式。我們總共要認識的有四層，從下到上分別是實體層 PHY媒體層 MAC網路層 NWK應用層 APS 可以認知為，實體層的封包，是除了實體層，再加上媒體層的資訊。而媒體層的封包，是媒體層之外再加上網路層的資訊。而網路層是除了本身的資訊再加上應用層的資訊，而應用層，就是你的應用程式需要用到的。也就是說，你在sniffer上面截取到一個封包，他是實體層的，你要把他剝掉實體層取出媒體層，再從媒體層的內容(payload)得到網路層，再從網路層的內容得到應用層，最後這個才是你要觀察的對象。當你要除錯(debug)的對象只有你寫的程式，這是假定所有的設備(device)都有按照Zigbee的規範，沒有人偷改下面的協定。這樣的話你看應用層的資料就行。但是要是要解釋為何組網不成功，想要看到網路層的動作，理論與實際有沒有吻合，你就必須看看請處每一層的內容。這個包裹的樣式，需要認識仔細，才不會後面講到sniffer時看不懂，其實也不難，就只要層層分開解析就可以看清楚資訊了。
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在IEEE 802.15.4 定義了兩種定址法:- 16 bits 短定址- 64 bits 延伸定址這個在開始組網時，可以設定要用哪一種，等到晚一點看到source code時，自然可以看到這個設定。使用短定址時，好處是縮短訊息的長度，因為這種未址的起訖充斥在每個訊息中，所以使用短定址可以明顯地縮短長度。這種短定址的方式缺點是只能用於同一個網路。要是你打算要用於兩個不相關網路的通訊就要使用64 bits的延伸定址了。使用64 bits延伸定址有多大呢？理論上有2的64次方，這個好大，非常大，比IPv6的定址範圍還多，所以認知上可以認為是 沒有限制device數量了。在ZigBee的標準，網路層上面(NWK layer)又加了一個16 bits的網路位址，這個是在網路層中傳輸必須的。這個64 bits的位址，我記得內建在每個chip內，可以用工具讀出來，等後面用到TI 2530 或是xBee模組時再介紹怎樣讀取。不過呢，當你達到一台device時，先搞清楚他的ID可是重要的事，要先知道誰是誰，這樣後面在用sniffer觀察封包通訊時才不會亂掉。
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再IEEE 802.15.4的規範內，資料傳輸有三種
1. Device –> Coordinator
2. Coordinator –> Device
3. Device -> Device (也稱為peer-to-peer transfer)
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