ZigBee技术是物联网领域最常用的无线技术之一，如果我们要做基于ZigBee技术的物联网应用，最好对ZigBee协议栈有一个基本的了解。这篇文章对ZigBee协议栈做一个简单明了的介绍。

概述

本文准备介绍的ZigBee协议栈是ZigBee2007，也是目前业界最常用的标准版本，对于ZigBee协议栈的演进历程，可以参加《5分钟了解Zigbee的前世今生》。

ZigBee协议栈可以分为四层：物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、网络层（NWK）及应用层（APL）。如图所示，粉色的部分是由IEEE标准中定义的，浅蓝色部分是由ZigBee联盟规定的，黄色部分是由设备厂商自行定义。

ZigBee协议栈图示

在ZigBee协议栈的图示中，我们还可以发现有很多圆角矩形，都带有SAP的字样。SAP的意思就是服务接入点（Service Access Point）的意思，是协议栈层与层之间的接口，协议栈都是分层结构的，接口就是层与层之间的沟通渠道。

协议栈相邻的上下层之间一般都有两个接口，也就是两个SAP。名字中带字母D的SAP是数据接口，负责层间数据传输；名字中带字母M的SAP是管理接口，供上层或协议栈的管理平面对该层进行控制，比如进行一些参数配置，或读取状态等。

PHY & MAC & NWK

ZigBee2007协议栈的物理层及MAC层都是IEEE802.5.14-2003标准中定义的。PHY层（物理层）规定了所使用的频段，以及所使用的编码、调制、扩频、调频等无线传输技术；有了物理层，就有了一个实现点到点之间的信号发射与接收的基础，没有物理层协议，设备间是根本没有办法通信的，有可能都不在一个频段上。

MAC层的主要作用规定了无线信道的访问控制机制，也就是规定各个设备按照什么规矩轮流使用信道；如果没有MAC层协议，节点一多，大家没有个规矩，就会发生信号冲突，谁都没法正常传输数据了。。

ZigBee协议栈在802.15.4协议基础上定义了网络层。网络层的主要作用是负责设备的连接和断开、在帧数据传递时采用的安全机制、路由发现和维护。简单说，就是保障设备之间的组网和网络节点间的数据传输。ZigBee技术支持多跳路由，可以实现星型拓扑、树型拓扑和网状拓扑等不同的网络拓扑结构。

PHY & MAC & NWK这三层协议，主要是为了上面的应用层服务的，在产品开发过程中，不需要深入涉及这三层协议的实现细节，应用层才是开发关注的部分。

应用层

ZigBee的应用层的内部又分了三个部分：包括应用框架、应用支持子层（APS）及ZigBee设备对象（ZDO）。应用框架中包含至少一个应用程序对象，也就是ZigBee设备的应用程序，是ZigBee产品开发人员所要实现的部分。

应用支持子层APS参考模型

除了接口，协议栈中还经常会碰到实体（Entity）的概念。所谓实体，就是在协议栈里面进行数据发送或接收的一个基本组成，可能是软件，也有可能是硬件，具体与协议的实现有关系。每一层协议都是由一个或多个实体组成的。

应用支持子层（APS）包括了数据实体（APSDE）与管理实体（APSME），作用就是向上层提供数据传输和管理配置的服务。应用支持子层隔离了应用框架与网络层，为应用程序的运行提供支撑。

APS与应用程序之间的数据接口是APSDE-SAP，最多可以支持240个应用程序对象，通过端点（EndPoint）来连接应用程序对象。每个端点都有一个编号，0号端点比较特殊，是连接ZDO的。应用程序的端点编号是从1号开始，一直到240号。一个ZigBee设备，比如无线开关、无线灯具之类的，一般会用到1~3个端点。

ZigBee设备对象（ZDO）可以认为是一个特殊的应用程序对象，满足了其他应用程序对象的一般性需求。

在一个ZigBee设备中，ZDO扮演着管家的作用，它管的事情横跨了好几层 。ZDO的任务包括：协议栈初始化，如APS和NWK层以及安全服务的初始化；还有应用程序要通过ZDO来执行设备发现、服务发现、安全管理、网络管理、绑定管理等管理工作。

应用开发

上面说的ZigBee协议栈，是ZigBee联盟制定的协议规范。所有的ZigBee产业链内的厂商都要按照这个规范来开发产品，才能保证各自产品的兼容性，尤其是上游的芯片厂商。按照规范来做东西，才能让大家放心购买。

ZigBee芯片厂商一般也是开发工具链的提供者，同时也是ZigBee协议的开发者。ZigBee联盟只是告诉大家协议是怎么一回事，但并没有实现出来。ZigBee芯片厂商为了下游设备厂商更方便地开发产品，不仅要提供芯片，还要提供基于这个芯片的一整套ZigBee协议栈，还包括了协议栈的开发接口，也就是SDK。

比如TI公司的Z-Stack，就是ZigBee设备厂商早期使用最多的ZigBee协议栈。不过现在提供芯片和协议栈的公司也多了起来，除了TI，还有Freescale，Ember，Jennic等芯片厂商，每家芯片厂商都有自己独立实现的协议栈，设备厂商也有了更多的选择。