5.4 介质访问控制层规范
MAC 层提供 MAC 层数据服务和 MAC 层管理服务(MLME)这两种服务。MAC 数据服务保证 MAC 协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，而 MAC 管理服务从事 MAC 层的管理活动，并文护 MAC 层信息库。MAC 层数据服务可以通过 PHY 层数据服务发送和接收 MAC 层协议数据单元(MPDU)来实现。其参考模型如图 3-5 所示。
 
图5- 5 MAC 层参考模型
Fig.5- 5  MAC layer reference model
IEEE802.15.4MAC 子层实现包括设备间无线链路的建立、文护与断开，确认模式的帧传送与接收，信道接入与控制，帧校验与快速自动请求重发（ARQ），预留时隙管理以及广播信息管理等。MAC 子层处理所有 PHY 层无线信道的接入。主要功能包括以下几点：
（1.） 网络协调器产生并发送信标帧；
（2.） 根据协调器的信标帧，设备与协调器同步，支持无线信道通信安全，支持 PAN 链路的建立与断开；
（3.） 信道接入方式采用载波侦听多路访问/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access with CollisionAvoidance，CSMA-CA)、处理和文护时隙（GTS）机制，为对等的 MAC 实体之间提供可靠的数据链路连接；
（4.） 超帧结构和信标帧的概念的引入，方便了网络的管理，每个超帧都以协调器发出信标帧为开始，信标帧中有超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息，网络中的其它设备接收到此信标帧后，即可根据信标帧的内容安排自己的任务；
（5.） 为设备安全提供一定的支持。
表5- 3给出了 MAC 层帧格式。MAC 子层数据包由 MAC 子层帧头（MHR：MACHeader），MAC 子层载荷和 MAC 子层帧尾（MFR：MAC Footer）组成。MAC 子层帧头由 2 字节的帧控制域、1 字节的帧序号和最多 20 字节的地址域组成。帧控制域表明了地址域的格式、MAC 帧的类型以及是否需要接收方确认等控制信息；帧序号域为发送设备对帧的顺序编号，用于匹配确认帧，实现 MAC 层数据的可靠传输；地址域采用的寻址方式为 64 位的物理地址或者 16 位的网络地址[7]。
表5- 3 MAC 层数据帧格式
Table5- 3 MAC layer data frame format
 
MAC 子层载荷长度可变，根据其帧类型不同而不同。MAC 子层定义了 4 种帧类型，即广播(信标)帧、MAC 命令帧、数据帧和确认帧。只有广播帧和数据帧含有高层的控制命令或数据，确认帧和 MAC 命令帧则用于 MAC 子层功能实体间控制信息的收发。
MAC 子层帧尾采用 16 位 CRC 算法计算出帧校验序列（Frame Check Sequence，FCS），接收方依此判断该数据包是否完好，从而决定是否采用 ARQ 进行差错回复。而确认帧和广播帧无需接收方的确认。数据帧和命令帧的帧控制域，指示收到的帧是否需要确认：如果需要确认并且 CRC 校验通过，则帧接受方立即发送确认帧；如果帧发送方在一定时间段内没有收到确认帧，将自动重新传送该帧。通过上述过程，MAC子层才能实现数据的可靠传输。
MAC 子层定义了两种基本的信道接入方法，分别用于基于中心控制的星型网络和基于对等操作的网状网络两种 ZigBee 网络拓扑结构中。在星型网络中，协调器承担了网络的建立与文护、信道接入控制、时隙的划分以及专用带宽分配等功能，根据协调器的广播信息，终端设备决定如何介入和使用无线信道，这是一种时隙化的载波侦听和冲突避免 CSMA/CA 信道接入算法。在对等网状方式的网络中，没有中心设备的控制，也没有广播信息和广播信道，而是使用标准的 CSMA/CA 信道接入算法加入网络[7,23,24]。
5.5 ZigBee 网络层
网络层需要提供一些函数用来保证 IEEE802.15.4 MAC 子层的正确操作。NWK 还需为应用层提供服务接口。网络层主要用于 ZigBee 的 WPAN 的组网连接，数据管理以及网络安全等。它是位于 MAC 层与应用层(APL)之间的一个协议层。NWK 的任务是通过使用 MAC 层提供的功能来向 APL 提供合适的服务接口。网络层参考模型如图5- 6所示： ZIGBEE无线智能信息处理的LED路灯控制系统设计与开发(14):http://www.751com.cn/zidonghua/lunwen_2538.html