زيجبي

زيجبي

المعيار الدولي	معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات 802.15.4
تم التطوير بواسطة	تحالف معايير الاتصال
قدَّم	13 يونيو 2005 ( 2005-06-13 )
صناعة	الصناعية والعلمية والطبية وإنترنت الأشياء
المدى المادي	من 10 إلى 100 متر (30 إلى 300 قدم)
موقع إلكتروني	csa-iot.org

Zigbee هي مواصفة تعتمد على IEEE 802.15.4 لمجموعة من بروتوكولات الاتصال عالية المستوى المستخدمة لإنشاء شبكات منطقة شخصية بأجهزة راديو رقمية صغيرة ومنخفضة الطاقة ، مثل أتمتة المنزل وجمع بيانات الأجهزة الطبية وغيرها من احتياجات الطاقة المنخفضة والنطاق الترددي المنخفض، وهي مصممة للمشاريع الصغيرة التي تحتاج إلى اتصال لاسلكي. وبالتالي، فإن Zigbee عبارة عن شبكة لاسلكية مخصصة منخفضة الطاقة ومنخفضة معدل البيانات ومنخفضة القرب (أي المنطقة الشخصية) .

تهدف التكنولوجيا التي حددتها مواصفات Zigbee إلى أن تكون أبسط وأقل تكلفة من شبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية الأخرى (WPANs)، مثل البلوتوث أو الشبكات اللاسلكية الأكثر عمومية مثل Wi-Fi (أو Li-Fi ). تشمل التطبيقات مفاتيح الإضاءة اللاسلكية، وأجهزة مراقبة الطاقة المنزلية ، وأنظمة إدارة المرور، وغيرها من المعدات الاستهلاكية والصناعية التي تتطلب نقل البيانات لاسلكيًا منخفض المعدل على مسافة قصيرة.

يحد استهلاكها المنخفض للطاقة من مسافات النقل إلى 10-100 متر (33-328 قدمًا) من خط البصر ، اعتمادًا على خرج الطاقة والخصائص البيئية. ^[1] يمكن لأجهزة Zigbee نقل البيانات لمسافات طويلة عن طريق تمرير البيانات عبر شبكة شبكية من الأجهزة الوسيطة للوصول إلى أجهزة أبعد. يستخدم Zigbee عادةً في تطبيقات معدل البيانات المنخفض التي تتطلب عمر بطارية طويل وشبكات آمنة. (يتم تأمين شبكات Zigbee بمفاتيح تشفير متماثلة 128 بت .) يتمتع Zigbee بمعدل محدد يصل إلى250  كيلوبت/ثانية ، وهي الأنسب لنقل البيانات المتقطعة من جهاز استشعار أو جهاز إدخال.

تم تصور Zigbee في عام 1998، وتم توحيده في عام 2003، وتمت مراجعته في عام 2006. يشير الاسم إلى رقصة النحل بعد عودته إلى خلية النحل. ^[2]

Zigbee هو معيار شبكة لاسلكية منخفضة الطاقة يستهدف الأجهزة التي تعمل بالبطارية في تطبيقات التحكم والمراقبة اللاسلكية. يوفر Zigbee اتصالات منخفضة الكمون. عادةً ما يتم دمج شرائح Zigbee مع أجهزة الراديو ووحدات التحكم الدقيقة .

يعمل Zigbee في نطاقات الراديو الصناعية والعلمية والطبية ( ISM ). معيُستخدم نطاق 2.4  جيجاهرتز بشكل أساسي في أجهزة الإضاءة والأتمتة المنزلية في معظم الولايات القضائية حول العالم. بينما تستخدم أجهزة قياس المرافق التجارية وجمع بيانات الأجهزة الطبية غالبًا ترددات دون جيجاهرتز (902-928  ميجاهرتز في أمريكا الشمالية وأستراليا وإسرائيل، و868-870 ميجاهرتز في أوروبا، و779-787 ميجاهرتز في الصين، حتى تلك المناطق والبلدان لا تزال تستخدم 2.4 جيجاهرتز لمعظم أجهزة Zigbee المباعة عالميًا والمخصصة للاستخدام المنزلي. مع معدلات بيانات تتراوح من حوالي 20 كيلوبت/ثانية لنطاقات دون جيجاهرتز إلى حوالي 250 كيلوبت/ثانية للقنوات في نطاق نطاق 2.4 جيجاهرتز).

يعتمد Zigbee على الطبقة المادية والتحكم في الوصول إلى الوسائط المحددة في معيار IEEE 802.15.4 لشبكات المنطقة الشخصية اللاسلكية منخفضة السرعة (WPANs). تتضمن المواصفات أربعة مكونات رئيسية إضافية: طبقة الشبكة وطبقة التطبيق وكائنات الأجهزة Zigbee (ZDOs) وكائنات التطبيقات المحددة من قبل الشركة المصنعة. كائنات الأجهزة ZDOs مسؤولة عن بعض المهام، بما في ذلك تتبع أدوار الأجهزة، وإدارة الطلبات للانضمام إلى شبكة، واكتشاف الأجهزة وتأمينها.

تدعم طبقة شبكة Zigbee بشكل طبيعي كل من الشبكات النجمية والشجرية والشبكات الشبكية العامة . يجب أن تحتوي كل شبكة على جهاز منسق واحد. داخل الشبكات النجمية، يجب أن يكون المنسق هو العقدة المركزية. تسمح كل من الأشجار والشبكات باستخدام أجهزة توجيه Zigbee لتوسيع الاتصالات على مستوى الشبكة. ميزة أخرى مميزة لـ Zigbee هي المرافق اللازمة لإجراء اتصالات آمنة وحماية إنشاء ونقل مفاتيح التشفير وإطارات التشفير وأجهزة التحكم. وهي تعتمد على إطار الأمان الأساسي المحدد في IEEE 802.15.4.

تم ابتكار شبكات الراديو الرقمية ذاتية التنظيم على غرار Zigbee في تسعينيات القرن العشرين. وتم التصديق على مواصفات IEEE 802.15.4-2003 Zigbee في 14 ديسمبر 2004. ^[3] أعلنت Connectivity Standards Alliance (المعروفة سابقًا باسم Zigbee Alliance) عن توفر المواصفات 1.0 في 13 يونيو 2005، والمعروفة باسم مواصفات ZigBee 2004 .

في سبتمبر 2006، تم الإعلان عن مواصفات Zigbee 2006 ، مما أدى إلى إلغاء حزمة 2004 ^[4] تحل مواصفات 2006 محل بنية زوج الرسالة والمفتاح والقيمة المستخدمة في حزمة 2004 بمكتبة عنقودية . المكتبة عبارة عن مجموعة من الأوامر القياسية والسمات والتحف العالمية المنظمة تحت مجموعات تُعرف باسم العناقيد بأسماء مثل الطاقة الذكية والأتمتة المنزلية ورابط ضوء Zigbee .^[5]

في يناير 2017، أعادت Connectivity Standards Alliance تسمية المكتبة إلى Dotdot وأعلنت عنها كبروتوكول جديد يتم تمثيله بواسطة رمز تعبيري ( ||: ) . كما أعلنوا أنها ستعمل الآن أيضًا على أنواع شبكات أخرى باستخدام بروتوكول الإنترنت ^[6] وستتصل بمعايير أخرى مثل Thread . ^[7] منذ الكشف عنها، عملت Dotdot كطبقة تطبيق افتراضية لجميع أجهزة Zigbee تقريبًا. ^[8]

تم الانتهاء من Zigbee Pro، المعروف أيضًا باسم Zigbee 2007، في عام 2007. ^[9] يمكن لجهاز Zigbee Pro الانضمام إلى شبكة Zigbee القديمة والعمل عليها والعكس صحيح. نظرًا للاختلافات في خيارات التوجيه، يجب أن يصبح جهاز Zigbee Pro جهاز Zigbee End Device (ZED) غير موجه على شبكة Zigbee القديمة، ويجب أن يصبح جهاز Zigbee القديم جهاز ZED على شبكة Zigbee Pro. ^[10] يعمل باستخدام نطاق ISM 2.4 جيجاهرتز، ويضيف نطاقًا فرعيًا من جيجاهرتز. ^[11]

بروتوكولات Zigbee مخصصة للتطبيقات المضمنة التي تتطلب استهلاكًا منخفضًا للطاقة وتتحمل معدلات بيانات منخفضة . ستستخدم الشبكة الناتجة قدرًا ضئيلًا جدًا من الطاقة - يجب أن يكون لدى الأجهزة الفردية عمر بطارية لا يقل عن عامين لتمرير الشهادة. ^{[12] [13] [ مشكوك فيه - مناقشة ]}

تشمل مجالات التطبيق النموذجية ما يلي:

• أتمتة المنزل ^{[14] [15]}
• شبكات الاستشعار اللاسلكية
• أنظمة التحكم الصناعية
• الاستشعار المضمن ^[16]
• جمع البيانات الطبية
• تحذير من الدخان والمتطفلين
• أتمتة المباني
• تكوين الميكروفون اللاسلكي عن بعد ^[17]

لا يصلح نظام Zigbee للمواقف التي تتطلب قدرًا كبيرًا من الحركة بين العقد. وبالتالي، فهو غير مناسب لشبكات الراديو التكتيكية المخصصة في ساحة المعركة، حيث تكون معدلات البيانات العالية والحركة العالية مطلوبة. ^{[ بحاجة لمصدر ] [18]}

تم الإعلان عن أول ملف تعريف لتطبيق Zigbee، Home Automation، في 2 نوفمبر 2007. ^{[ بحاجة لمصدر ]} وقد تم نشر ملفات تعريف تطبيق إضافية منذ ذلك الحين.

التحدد مواصفات Zigbee Smart Energy 2.0 بروتوكول اتصالقائم علىبروتوكول الإنترنتلمراقبة والتحكم في وإعلام وتشغيل عملية توصيل واستخدام الطاقة والمياه تلقائيًا. وهو عبارة عن تحسين لمواصفات Zigbee Smart Energy الإصدار 1.^[19]ويضيف خدماتالمركبات الكهربائية القابلة للشحن، والتثبيت، والتكوين وتنزيل البرامج الثابتة، وخدمات الدفع المسبق، ومعلومات المستخدم والمراسلة، والتحكم في الحمل،والاستجابة للطلب، والمعلومات المشتركة وواجهات ملف تعريف التطبيق للشبكات السلكية واللاسلكية. يتم تطويره من قبل شركاء بما في ذلك:

• منتدى HomeGrid المسؤول عن تسويق وإصدار شهادات تكنولوجيا ومنتجات ITU-T G.hn
• تحالف خطوط الطاقة HomePlug
• الجمعية الدولية لمهندسي السيارات SAE International
• تحالف IPSO
• تحالف صن سبيك
• تحالف واي فاي

تعتمد تقنية Zigbee Smart Energy على Zigbee IP، وهي طبقة شبكة تقوم بتوجيه حركة مرور IPv6 القياسية عبر IEEE 802.15.4 باستخدام ضغط رأس 6LoWPAN . ^{[20] [21]}

في عام 2009، وافق اتحاد ترددات الراديو للإلكترونيات الاستهلاكية (RF4CE) وتحالف معايير الاتصال (المعروف سابقًا باسم تحالف Zigbee) على تقديم معيار مشترك للتحكم عن بعد بترددات الراديو. تم تصميم Zigbee RF4CE لمجموعة واسعة من منتجات الإلكترونيات الاستهلاكية، مثل أجهزة التلفزيون وأجهزة فك التشفير. ووعد بالعديد من المزايا مقارنة بحلول التحكم عن بعد الحالية، بما في ذلك الاتصالات الأكثر ثراءً والموثوقية المتزايدة والميزات والمرونة المحسنة والتشغيل البيني وعدم وجود حاجز خط الرؤية. ^[22] تستخدم مواصفات Zigbee RF4CE مجموعة فرعية من وظائف Zigbee مما يسمح بالعمل على تكوينات ذاكرة أصغر في أجهزة أقل تكلفة، مثل التحكم عن بعد في الإلكترونيات الاستهلاكية.

إن تصميم الراديو الذي يستخدمه Zigbee يحتوي على عدد قليل من المراحل التناظرية ويستخدم الدوائر الرقمية كلما أمكن ذلك. تتوفر منتجات تدمج الراديو والميكروكنترولر في وحدة واحدة. ^[23]

تتضمن عملية تأهيل Zigbee التحقق الكامل من متطلبات الطبقة المادية. ستتمتع جميع أجهزة الراديو المشتقة من نفس مجموعة أقنعة أشباه الموصلات المعتمدة بنفس خصائص التردد اللاسلكي. تخضع أجهزة راديو Zigbee لقيود صارمة للغاية على الطاقة وعرض النطاق الترددي. يمكن أن تؤدي الطبقة المادية غير المعتمدة التي تتعطل إلى زيادة استهلاك الطاقة للأجهزة الأخرى على شبكة Zigbee. وبالتالي، يتم اختبار أجهزة الراديو وفقًا للإرشادات الواردة في الفقرة 6 من معيار 802.15.4-2006. ^[24]

تحدد هذه المواصفة التشغيل في نطاقات ISM غير المرخصة من 2.4 إلى 2.4835 جيجاهرتز ^[25] (في جميع أنحاء العالم)، ومن 902 إلى 928 ميجاهرتز (الأمريكتان وأستراليا) ومن 868 إلى 868.6 ميجاهرتز (أوروبا) . يتم تخصيص ستة عشر قناة في نطاق 2.4 جيجاهرتز، متباعدة بمقدار 5 ميجاهرتز، على الرغم من استخدام 2 ميجاهرتز فقط من عرض النطاق الترددي لكل منها. تستخدم أجهزة الراديو تشفير الطيف المنتشر بالتسلسل المباشر ، والذي يتم إدارته بواسطة التدفق الرقمي إلى المودم. يتم استخدام مفتاح التحول الطوري الثنائي (BPSK) في نطاقي 868 و915 ميجاهرتز، ويتم استخدام مفتاح التحول الطوري التربيعي الإزاحي (OQPSK) الذي ينقل بتين لكل رمز في نطاق 2.4 جيجاهرتز.

يبلغ معدل البيانات الخام عبر الهواء 250  كيلوبت/ثانية لكل قناة في نطاق 2.4 جيجاهرتز، و40 كيلوبت/ثانية لكل قناة في نطاق 915 ميجاهرتز، و20 كيلوبت/ثانية في نطاق 868 ميجاهرتز. سيكون معدل نقل البيانات الفعلي أقل من الحد الأقصى لمعدل البتات المحدد بسبب النفقات العامة للحزمة وتأخيرات المعالجة. بالنسبة للتطبيقات الداخلية عند 2.4 جيجاهرتز، تكون مسافة الإرسال 10-20 مترًا، اعتمادًا على مواد البناء وعدد الجدران المراد اختراقها وقوة الخرج المسموح بها في هذا الموقع الجغرافي. ^[26] تكون قوة خرج أجهزة الراديو عمومًا 0-20  ديسيبل ميلي واط (1-100 مللي واط).

هناك ثلاث فئات من أجهزة Zigbee:

• منسق Zigbee (ZC) : وهو الجهاز الأكثر كفاءة، ويشكل جذر شجرة الشبكة وقد يشكل جسرًا إلى شبكات أخرى. يوجد منسق Zigbee واحد على وجه التحديد في كل شبكة لأنه الجهاز الذي بدأ الشبكة في الأصل (تسمح مواصفات Zigbee LightLink أيضًا بالعمل بدون منسق Zigbee، مما يجعله أكثر قابلية للاستخدام للمنتجات المنزلية الجاهزة). يخزن المعلومات حول الشبكة، بما في ذلك العمل كمركز ثقة ومستودع لمفاتيح الأمان. ^{[27] [28]}
• موجه Zigbee (ZR) : بالإضافة إلى تشغيل وظيفة تطبيق، يمكن لأجهزة التوجيه أن تعمل كموجهات وسيطة، وتمرر البيانات إلى أجهزة أخرى. عادةً ما يتم تشغيل هذه الأنواع من منتجات Zigbee بالطاقة الكهربائية حتى تكون متاحة دائمًا على الشبكة. تسمى أجهزة موجه Zigbee أحيانًا مكررات Zigbee أو موسعات نطاق Zigbee.
• جهاز طرفي Zigbee (ZED) : يحتوي على ما يكفي من الوظائف للتواصل مع العقدة الأم (إما المنسق أو جهاز التوجيه)؛ ولا يمكنه نقل البيانات من أجهزة أخرى. تسمح هذه العلاقة للعقدة بأن تكون في وضع السكون لقدر كبير من الوقت مما يمنحها عمر بطارية طويل. غالبًا ما تعمل هذه الأنواع من منتجات أجهزة Zigbee بالبطارية. يتطلب ZED أقل قدر من الذاكرة وبالتالي يمكن أن يكون تصنيعه أقل تكلفة من ZR أو ZC.

تدعم بروتوكولات Zigbee الحالية الشبكات الممكّنة للمنارات والشبكات غير الممكّنة للمنارات.

في الشبكات غير الممكّنة بالمنارات، يتم استخدام آلية وصول قناة CSMA/CA غير مشقوقة . في هذا النوع من الشبكات، عادةً ما تكون أجهزة توجيه Zigbee نشطة باستمرار، مما يتطلب طاقة إضافية. ^[29] ومع ذلك، يسمح هذا بالشبكات غير المتجانسة حيث تتلقى بعض الأجهزة باستمرار بينما ترسل أجهزة أخرى عند الضرورة. المثال النموذجي للشبكة غير المتجانسة هو مفتاح إضاءة لاسلكي : قد تتلقى عقدة Zigbee الموجودة عند المصباح باستمرار لأنها تعمل بشكل موثوق بواسطة مصدر التيار الكهربائي للمصباح، بينما يظل مفتاح الإضاءة الذي يعمل بالبطارية في وضع السكون حتى يتم تشغيل المفتاح. في هذه الحالة، يستيقظ المفتاح ويرسل أمرًا إلى المصباح ويتلقى إقرارًا ويعود إلى وضع السكون. في مثل هذه الشبكة، ستكون عقدة المصباح على الأقل جهاز توجيه Zigbee، إن لم تكن منسق Zigbee؛ عادةً ما تكون عقدة التبديل جهاز طرفي Zigbee.

في الشبكات التي تدعم المنارات، ترسل أجهزة توجيه Zigbee إشارات دورية لتأكيد وجودها إلى عقد الشبكة الأخرى. وقد تدخل العقد في وضع السكون بين المنارات، مما يطيل عمر البطارية. تعتمد فترات المنارات على معدل البيانات؛ فقد تتراوح من 15.36 مللي ثانية إلى 251.65824 ثانية عند 250 كيلوبت/ثانية، ومن 24 مللي ثانية إلى 393.216 ثانية عند 40 كيلوبت/ثانية ومن 48 مللي ثانية إلى 786.432 ثانية عند 20 كيلوبت/ثانية. تتطلب فترات المنارات الطويلة توقيتًا دقيقًا، وهو ما قد يكون مكلفًا لتنفيذه في المنتجات منخفضة التكلفة.

بشكل عام، تعمل بروتوكولات Zigbee على تقليل وقت تشغيل الراديو، وذلك لتقليل استخدام الطاقة. في شبكات المنارات، تحتاج العقد إلى أن تكون نشطة فقط أثناء إرسال المنارة. في الشبكات غير الممكّنة بالمنارات، يكون استهلاك الطاقة غير متماثل بشكل واضح: بعض الأجهزة تكون نشطة دائمًا بينما تقضي أجهزة أخرى معظم وقتها في وضع السكون.

باستثناء ملف تعريف الطاقة الذكية 2.0، يتعين على أجهزة Zigbee أن تتوافق مع معيار IEEE 802.15.4-2003 للشبكات الشخصية اللاسلكية منخفضة السرعة (LR-WPAN). يحدد المعيار طبقات البروتوكول الأدنى - الطبقة المادية (PHY)، وجزء التحكم في وصول الوسائط من طبقة ارتباط البيانات . وضع الوصول الأساسي للقناة هو الوصول المتعدد بحساسية الناقل مع تجنب الاصطدام (CSMA/CA). أي أن العقد تتواصل بطريقة تشبه إلى حد ما الطريقة التي يتحدث بها البشر: تتحقق العقدة لفترة وجيزة للتأكد من أن العقد الأخرى لا تتحدث قبل أن تبدأ. لا يتم استخدام CSMA/CA في ثلاثة استثناءات ملحوظة:

• إقرارات الرسالة.
• يتم إرسال الإشارات وفقًا لجدول زمني محدد.
• يمكن للأجهزة الموجودة في الشبكات الممكّنة بالمنارات والتي تتطلب زمن انتقال منخفضًا ووقتًا حقيقيًا أن تستخدم أيضًا فترات زمنية مضمونة.

تتمثل الوظائف الرئيسية لطبقة الشبكة في ضمان الاستخدام الصحيح لطبقة MAC الفرعية وتوفير واجهة مناسبة للاستخدام من قبل الطبقة العليا التالية، وهي طبقة التطبيق. تتعامل طبقة الشبكة مع وظائف الشبكة مثل الاتصال والفصل وإعداد الشبكات. يمكنها إنشاء شبكة وتخصيص عناوين وإضافة وإزالة الأجهزة. تستخدم هذه الطبقة طوبولوجيات النجمة والشبكة والشجر.

تقوم كيانات البيانات في طبقة النقل بإنشاء وإدارة وحدات بيانات البروتوكول بتوجيه من طبقة التطبيق وتقوم بالتوجيه وفقًا للطوبولوجيا الحالية. تتولى كيانات التحكم تكوين الأجهزة الجديدة وإنشاء شبكات جديدة. ويمكنها تحديد ما إذا كان الجهاز المجاور ينتمي إلى الشبكة واكتشاف جيران جدد وأجهزة توجيه جديدة.

بروتوكول التوجيه الذي تستخدمه طبقة الشبكة هو AODV . ^[30] للعثور على جهاز وجهة، يتم استخدام AODV لبث طلب مسار إلى جميع جيرانه. ثم يبث الجيران الطلب إلى جيرانهم وما بعد ذلك حتى يتم الوصول إلى الوجهة. بمجرد الوصول إلى الوجهة، يتم إرسال رد المسار عبر إرسال أحادي البث باتباع المسار الأقل تكلفة إلى المصدر. بمجرد أن يتلقى المصدر الرد، فإنه يقوم بتحديث جدول التوجيه الخاص به بعنوان الوجهة للقفزة التالية في المسار وتكلفة المسار المرتبطة.

طبقة التطبيق هي الطبقة الأعلى مستوى التي تحددها المواصفات وهي الواجهة الفعّالة لنظام Zigbee لمستخدميه النهائيين. وهي تتألف من غالبية المكونات المضافة بواسطة مواصفات Zigbee: كل من ZDO (كائن جهاز Zigbee) وإجراءات إدارته، إلى جانب كائنات التطبيق التي يحددها المصنع، تعتبر جزءًا من هذه الطبقة. تربط هذه الطبقة الجداول، وترسل الرسائل بين الأجهزة المرتبطة، وتدير عناوين المجموعات، وتعيد تجميع الحزم، وتنقل البيانات. وهي مسؤولة عن توفير الخدمة لملفات تعريف أجهزة Zigbee.

يُعد ZDO ( كائن جهاز Zigbee)، وهو بروتوكول في مجموعة بروتوكولات Zigbee، مسؤولاً عن إدارة الأجهزة بشكل عام ومفاتيح الأمان والسياسات. وهو مسؤول عن تحديد دور الجهاز كمنسق أو جهاز طرفي، كما ذكر أعلاه، ولكنه مسؤول أيضًا عن اكتشاف الأجهزة الجديدة على الشبكة وتحديد الخدمات التي تقدمها. وقد يستمر بعد ذلك في إنشاء روابط آمنة مع الأجهزة الخارجية والرد على طلبات الربط وفقًا لذلك.

تعد طبقة دعم التطبيقات (APS) المكون القياسي الرئيسي الآخر للمكدس، وبالتالي فهي توفر واجهة وخدمات تحكم محددة جيدًا. تعمل كجسر بين طبقة الشبكة والعناصر الأخرى لطبقة التطبيق: فهي تحافظ على جداول الربط المحدثة في شكل قاعدة بيانات، والتي يمكن استخدامها للعثور على الأجهزة المناسبة اعتمادًا على الخدمات المطلوبة وتلك التي تقدمها الأجهزة المختلفة. وباعتبارها اتحادًا بين الطبقتين المحددتين، فإنها تقوم أيضًا بتوجيه الرسائل عبر طبقات مكدس البروتوكول .

قد يتكون التطبيق من كائنات متصلة تتعاون لتنفيذ المهام المطلوبة. وعادة ما تكون المهام محلية إلى حد كبير لكل جهاز، مثل التحكم في كل جهاز منزلي. ويركز Zigbee على توزيع العمل بين العديد من الأجهزة المختلفة الموجودة داخل عقد Zigbee الفردية والتي تشكل بدورها شبكة.

تتواصل الكائنات التي تشكل الشبكة باستخدام المرافق التي توفرها APS، والتي تشرف عليها واجهات ZDO. داخل جهاز واحد، يمكن أن يوجد ما يصل إلى 240 كائن تطبيق، مرقمة في النطاق من 1 إلى 240. 0 محجوز لواجهة بيانات ZDO و255 للبث؛ النطاق من 241 إلى 254 غير مستخدم حاليًا ولكن قد يتم استخدامه في المستقبل.

تتوفر خدمتان لاستخدام كائنات التطبيق (في Zigbee 1.0):

• تم تصميم خدمة زوج القيمة الرئيسية ( KVP) لأغراض التكوين. فهي تمكن من وصف وطلب وتعديل سمات الكائن من خلال واجهة بسيطة تعتمد على بدائيات get وset وevent، حيث يسمح بعضها بطلب استجابة. يستخدم التكوين XML .
• تم تصميم خدمة الرسائل لتقديم نهج عام لمعالجة المعلومات، وتجنب الحاجة إلى تكييف بروتوكولات التطبيق والتكاليف العامة المحتملة التي يتكبدها KVP. وهي تسمح بنقل حمولات عشوائية عبر إطارات APS.

يعد التوجيه أيضًا جزءًا من طبقة التطبيق. تتكون عقدة الشبكة من جهاز إرسال واستقبال لاسلكي متوافق مع IEEE 802.15.4 ووصف واحد أو أكثر للجهاز (مجموعات من السمات التي يمكن استطلاعها أو تعيينها أو يمكن مراقبتها من خلال الأحداث). يعد جهاز الإرسال والاستقبال هو الأساس للتوجيه، ويتم تحديد الأجهزة داخل العقدة بواسطة معرف نقطة نهاية في النطاق من 1 إلى 240.

لكي تتمكن التطبيقات من التواصل، يجب على الأجهزة التي تدعمها استخدام بروتوكول تطبيق مشترك (أنواع الرسائل والتنسيقات وما إلى ذلك)؛ يتم تجميع هذه المجموعات من الاتفاقيات في ملفات تعريف . علاوة على ذلك، يتم تحديد الارتباط من خلال مطابقة معرفات مجموعة الإدخال والإخراج ^{[ توضيح ]} الفريدة ضمن سياق ملف تعريف معين والمرتبطة بتدفق بيانات وارد أو صادر في جهاز. تحتوي جداول الارتباط على أزواج المصدر والوجهة.

اعتمادًا على المعلومات المتاحة، قد يتبع اكتشاف الجهاز طرقًا مختلفة. عندما يكون عنوان الشبكة معروفًا، يمكن طلب عنوان IEEE باستخدام الاتصال أحادي البث. عندما لا يكون كذلك، يتم بث الالتماسات . ستستجيب الأجهزة الطرفية ببساطة بالعنوان المطلوب بينما يرسل منسق الشبكة أو جهاز التوجيه أيضًا عناوين جميع الأجهزة المرتبطة بها.

يسمح بروتوكول الاكتشاف الموسع هذا ^{[ توضيح ]} للأجهزة الخارجية بمعرفة الأجهزة الموجودة في الشبكة والخدمات التي تقدمها، والتي يمكن لنقاط النهاية الإبلاغ عنها عند الاستعلام عنها بواسطة جهاز الاكتشاف (الذي حصل مسبقًا على عناوينها). يمكن أيضًا استخدام خدمات المطابقة.

إن استخدام معرفات المجموعة يفرض ربط الكيانات التكميلية باستخدام جداول الربط، والتي يتم صيانتها بواسطة منسقي Zigbee، حيث يجب أن يكون الجدول متاحًا دائمًا داخل الشبكة ومن المرجح أن يكون لدى المنسقين مصدر طاقة دائم. قد تكون هناك حاجة إلى النسخ الاحتياطية، التي تديرها طبقات أعلى مستوى، من قبل بعض التطبيقات. يتطلب الربط رابط اتصال قائم؛ بعد وجوده، يتم اتخاذ القرار بشأن إضافة عقدة جديدة إلى الشبكة، وفقًا لسياسات التطبيق والأمان.

يمكن أن يحدث الاتصال مباشرة بعد الارتباط. يستخدم التوجيه المباشر كلًا من عنوان الراديو ومعرف نقطة النهاية، بينما يستخدم التوجيه غير المباشر كل حقل ذي صلة (العنوان ونقطة النهاية والمجموعة والسمة) ويتطلب إرسالها إلى منسق الشبكة، الذي يحافظ على الارتباطات ويترجم طلبات الاتصال. التوجيه غير المباشر مفيد بشكل خاص للحفاظ على بعض الأجهزة بسيطة للغاية وتقليل حاجتها إلى التخزين. بالإضافة إلى هاتين الطريقتين، يتوفر البث إلى جميع نقاط النهاية في الجهاز، ويتم استخدام التوجيه الجماعي للتواصل مع مجموعات من نقاط النهاية التي تنتمي إلى مجموعة محددة من الأجهزة.

كواحدة من ميزاتها المميزة، توفر Zigbee تسهيلات لإجراء اتصالات آمنة وحماية إنشاء ونقل مفاتيح التشفير وتشفير البيانات. وهي تعتمد على إطار الأمان الأساسي المحدد في IEEE 802.15.4.

إن الآلية الأساسية لضمان السرية هي الحماية الكافية لجميع مواد المفاتيح. والمفاتيح هي حجر الزاوية في بنية الأمان؛ وعلى هذا فإن حمايتها تشكل أهمية قصوى، ولا ينبغي أبدًا نقل المفاتيح عبر قناة غير آمنة . ويحدث استثناء مؤقت لهذه القاعدة أثناء المرحلة الأولية لإضافة جهاز غير مهيأ مسبقًا إلى الشبكة. ويجب افتراض الثقة في التثبيت الأولي للمفاتيح، وكذلك في معالجة المعلومات الأمنية. ويجب أن يولي نموذج شبكة Zigbee عناية خاصة لاعتبارات الأمان، حيث قد تكون الشبكات المخصصة متاحة فعليًا لأجهزة خارجية. كما لا يمكن التنبؤ بحالة بيئة العمل.

في حزمة البروتوكولات، لا يتم فصل طبقات الشبكة المختلفة تشفيريًا، لذا فإن سياسات الوصول مطلوبة، ويتم افتراض التصميم التقليدي. يسمح نموذج الثقة المفتوحة داخل الجهاز بمشاركة المفاتيح، مما يقلل بشكل ملحوظ من التكلفة المحتملة. ومع ذلك، فإن الطبقة التي تنشئ إطارًا مسؤولة عن أمانه. نظرًا لوجود أجهزة ضارة، فيجب تشفير كل حمولة طبقة الشبكة، بحيث يمكن قطع حركة المرور غير المصرح بها على الفور. الاستثناء، مرة أخرى، هو نقل مفتاح الشبكة، الذي يمنح طبقة أمان موحدة للشبكة، إلى جهاز اتصال جديد.

تعتمد بنية أمان Zigbee على CCM*، والتي تضيف ميزات التشفير والنزاهة فقط إلى وضع CCM . ^[31] يستخدم Zigbee مفاتيح 128 بت لتنفيذ آليات الأمان الخاصة به. يمكن ربط المفتاح إما بشبكة، بحيث يمكن استخدامه بواسطة طبقات Zigbee وطبقة MAC الفرعية، أو برابط تم الحصول عليه من خلال التثبيت المسبق أو الاتفاقية أو النقل. يعتمد إنشاء مفاتيح الارتباط على مفتاح رئيسي يتحكم في مراسلات مفتاح الارتباط. في النهاية، على الأقل، يجب الحصول على المفتاح الرئيسي الأولي من خلال وسيط آمن (النقل أو التثبيت المسبق)، حيث يعتمد أمان الشبكة بأكملها عليه. تكون مفاتيح الارتباط والمفتاح الرئيسي مرئية فقط لطبقة التطبيق. تستخدم الخدمات المختلفة اختلافات أحادية الاتجاه مختلفة لمفتاح الارتباط لتجنب التسريبات ومخاطر الأمان.

يعد توزيع المفاتيح أحد أهم وظائف الأمان في الشبكة. ستخصص الشبكة الآمنة جهازًا خاصًا واحدًا، وهو مركز الثقة ، والذي تثق به الأجهزة الأخرى لتوزيع مفاتيح الأمان. من الناحية المثالية، ستحمل الأجهزة عنوان مركز الثقة والمفتاح الرئيسي الأولي مسبقًا؛ إذا سُمح بثغرة أمنية مؤقتة، فسيتم إرسالها كما هو موضح أعلاه. ستستخدم التطبيقات النموذجية التي لا تحتاج إلى احتياجات أمان خاصة مفتاح شبكة يوفره مركز الثقة (من خلال القناة غير الآمنة في البداية) للتواصل.

وبالتالي، يحافظ مركز الثقة على مفتاح الشبكة ويوفر الأمان من نقطة إلى نقطة. ولن تقبل الأجهزة سوى الاتصالات الصادرة عن مفتاح يوفره مركز الثقة، باستثناء المفتاح الرئيسي الأولي. ويتم توزيع بنية الأمان بين طبقات الشبكة على النحو التالي:

• تتمتع الطبقة الفرعية MAC بالقدرة على إجراء اتصالات موثوقة بقفزة واحدة. وكقاعدة عامة، يتم تحديد مستوى الأمان الذي تستخدمه بواسطة الطبقات العليا.
• تتولى طبقة الشبكة إدارة التوجيه ومعالجة الرسائل المستلمة وهي قادرة على بث الطلبات. إذا كان ذلك متاحًا، تستخدم الإطارات الصادرة مفتاح الارتباط المناسب وفقًا للتوجيه. وإلا، يتم استخدام مفتاح الشبكة.
• توفر طبقة التطبيق خدمات الإنشاء والنقل الرئيسية لكل من ZDO والتطبيقات.

وفقًا لمجلة Heise Online الألمانية الإلكترونية المتخصصة في الكمبيوتر ، يستخدم Zigbee Home Automation 1.2 مفاتيح احتياطية للتفاوض على التشفير والتي تكون معروفة ولا يمكن تغييرها. وهذا يجعل التشفير ضعيفًا للغاية. ^{[32] [33]} يتميز معيار Zigbee 3.0 بميزات أمان محسّنة ويخفف من الضعف المذكور أعلاه من خلال منح مصنعي الأجهزة خيار استخدام مفتاح تثبيت مخصص يتم شحنه بعد ذلك مع الجهاز، وبالتالي منع حركة مرور الشبكة من استخدام مفتاح الاحتياطي تمامًا. يضمن هذا تشفير حركة مرور الشبكة بالكامل بشكل آمن حتى أثناء إقران الجهاز. بالإضافة إلى ذلك، تحتاج جميع أجهزة Zigbee إلى عشوائية مفتاح الشبكة الخاص بها، بغض النظر عن طريقة الاقتران التي تستخدمها، وبالتالي تحسين الأمان للأجهزة القديمة. يمكن ضبط منسق Zigbee داخل شبكة Zigbee لرفض الوصول إلى الأجهزة التي لا تستخدم عشوائية المفتاح هذه، مما يزيد من الأمان. بالإضافة إلى ذلك، يتميز بروتوكول Zigbee 3.0 بإجراءات مضادة ضد إزالة الأجهزة المقترنة بالفعل من الشبكة بقصد الاستماع إلى تبادل المفاتيح عند إعادة الاقتران.

يمكن استخدام محاكيات الشبكة، مثل ns-2 و OMNeT++ و OPNET وNetSim لمحاكاة شبكات IEEE 802.15.4 Zigbee. تأتي هذه المحاكيات مع مكتبات C أو C++ مفتوحة المصدر ليتمكن المستخدمون من تعديلها. بهذه الطريقة، يمكن للمستخدمين تحديد مدى صلاحية الخوارزميات الجديدة قبل التنفيذ المادي.

• مقارنة بين وحدات الراديو 802.15.4
• مقارنة معايير البيانات اللاسلكية
• المادة (القياسية)  – معيار الاتصال بالمنزل الذكي
• شبكة لاسلكية مخصصة
• موجة-Z

• الموقع الرسمي