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Documentation Index

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Silicon Labs Connect 基于 IEEE 802.15.4-2011 标准构建，了解该标准的基础知识对于深入理解 Connect Stack 至关重要。IEEE 802.15.4 定义了多种物理层和媒体访问控制层，专为低数据速率、低功耗、低复杂度、短距离的个域网通信而设计，同时也是 Zigbee、Thread 等 Mesh 网络协议的基础。本文档简要介绍 Connect 中使用的 IEEE 802.15.4 功能，使开发者无需阅读完整规范即可理解 MAC 层工作原理。

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基本术语

物理层（PHY）

通信栈的最底层，定义通过介质传输数据所需的调制、比特率、前导码（Preamble）和同步字（Sync Word）等参数。

数据链路层（DLL）

构建在 PHY 之上，负责两设备间的可靠数据传输（寻址、确认、完整性检查）。IEEE 802.15.4 中 MAC 层即等同于 DLL。

个域网（PAN）

一组可互相通信的逻辑设备集合。基于 IEEE 802.15.4 构建的协议通常在 PAN 内部通信，由 16-bit PAN ID 标识。

CSMA/CA

“先听后说”协议：发送前先侦听信道，若信道空闲则发送，否则等待后重试。重试超限后将报错给应用程序。

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地址类型

全局唯一的 64-bit 地址。每个 Silicon Labs Wireless Gecko 在出厂时均分配了一个 EUI64 地址。在大多数 IEEE 802 协议中均有标准化（如 IPv6 使用与 MAC 地址相同的 EUI64）。

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消息类型

类型说明
Intra-PAN Message源设备与目标设备位于同一 PAN 内的消息
Inter-PAN Message源设备与目标设备位于不同 PAN 的消息
广播消息发送至广播地址 0xFFFF，所有设备均应接收
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，从而保证消息来源的可信度。

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帧格式

IEEE 802.15.4 将帧中的每个字段指定为最低有效位（LSB）优先。

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Physical Protocol Data Unit (PPDU)

PPDU 是物理层传输的完整数据单元，包含以下字段：
字段说明
SHR（同步报头）包含 Preamble（前导码，用于位同步）和 SFD（帧定界符，用于字节同步）
PHR（物理报头）包含 Frame Length（7-bit），限制 PSDU 最大为 127 字节
PSDU（物理服务数据单元）PPDU 的有效负载，即 MAC 层的完整帧
IEEE 802.15.4-2015 定义了含 11-bit 长度字段的不同 16-bit PHR。Silicon Labs Connect 目前不支持该格式。

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MAC Protocol Data Unit (MPDU)

MPDU 是 MAC 层的完整帧，包含以下部分：
  • Frame Control Field (FCF)：帧控制字段，定义帧类型、安全、寻址模式等（详见下节）
  • Sequence Number：序列号，递增，用于将 ACK 帧与普通帧配对
  • Addressing Fields：寻址字段，包含源/目标地址及 PAN ID
  • Aux. Security Header：辅助安全报头（启用安全时存在）
上层协议的有效数据内容。有效负载大小因安全选项和寻址类型而异。
包含 Frame Check Sequence（FCS），即对 MHR 和有效负载计算的 2 字节 CRC 校验。

​
Frame Control Field（帧控制字段）

FCF 中的关键字段说明：
字段取值与含义
Frame Type0 = Beacon；1 = Data；2 = ACK；3 = MAC Command
Security Enabled置 1 时启用 Auxiliary Security Header
Frame Pending用于数据轮询，指示发送方还有待发数据
Acknowledgement Request (AR)请求接收方发送 ACK
PAN ID CompressionIntra-PAN 消息且两端 PAN ID 相同时置 1，省略源 PAN ID
寻址模式：
  • 0：无地址（ACK 帧中两端均无地址）
  • 2：短地址（地址字段含短地址 + PAN ID，共 32 bit）
  • 3：长地址（地址字段含长地址 + PAN ID，共 80 bit）

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MAC 安全

IEEE 802.15.4 支持三种安全服务：数据机密性、数据真实性（MIC）、重放攻击保护（帧计数器）。 在 Silicon Labs Connect 中，启用安全性后：
  • 始终使用由应用程序设置的 128-bit 密钥（无 IEEE 802.15.4 key identifier 字段）
  • 同时使用以上三种安全服务
因此，Auxiliary Security Header 固定为 5 字节，结构如下：
字段说明
Security Control最低三位选择安全模式（Connect 中固定为模式 5）
Frame Counter每设备唯一的递增计数器，用于重放保护，即使设备重启也必须有效
安全模式下，MAC 有效负载末尾（FCS 之前）将附加 4 字节 MIC。安全报头和尾部共占用 9 字节 MAC 有效负载空间，请在规划消息大小时予以考虑。

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一般 MAC 过程

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ACK 过程

1

发送方设置 AR 位

发送方在数据或命令帧中将 Acknowledgement Request (AR) bit 置 1。
2

接收方回复 ACK

接收到帧的设备以 ACK 帧响应。ACK 帧包含与被响应帧相同的 Sequence Number，仅含 FCF、Sequence Number 和 FCS，无有效负载，PSDU 长度为 5 字节。

​
数据轮询过程

数据轮询通常由 End Device（不常开启无线电）用于向 Coordinator 请求待发数据：
1

发送数据请求命令

End Device 向 Coordinator 发送 Data Request 命令帧。
2

Coordinator 回复 ACK

Coordinator 以 ACK 响应，若有待发数据则在 FCF 中设置 Frame Pending bit。
3

End Device 等待数据

End Device 打开无线电等待 Coordinator 发送下一帧（或超时）。

​
关联（Association）过程

设备加入网络需经历关联过程。以下为终端设备（E）加入 PAN Coordinator（C）的完整流程：
1

步骤 1：E 发送 Beacon 请求

End Device 向广播地址发送 Beacon Request 命令。
2

步骤 2：C 发送 Beacon

Coordinator 回复 Beacon 帧，包含 Superframe Specification（告知 E 该节点是 PAN Coordinator 且允许入网）。
3

步骤 3：E 发送关联请求

End Device 使用长地址向 Coordinator 短地址发送 Association Request 命令，携带 Capability Information（如是否需要短地址分配、空闲时无线电是否开启等）。
4

步骤 4：C 发送 ACK

Coordinator 确认收到关联请求。
5

步骤 5：E 发送 Data Request

End Device 发送 Data Request 命令以轮询关联响应。
6

步骤 6：C 发送 ACK（Frame Pending 置位）

Coordinator 回复 ACK，并在 FCF 中设置 Frame Pending bit，告知 E 有数据待发。
7

步骤 7：C 发送关联响应

Coordinator 向 E 发送 Association Response 命令，包含状态（成功/失败原因）和分配的短地址。若未分配短地址则置为特殊值 0xFFFE。
8

步骤 8：E 发送 ACK

End Device 确认收到关联响应，完成入网。关联后 E 可使用其短地址在 PAN 内通信。
关联完成后，End Device 可以使用分配的短地址在 PAN 内进行通信。若未请求短地址，也可使用长地址在 PAN 内通信。

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