지그비 프로토콜(Zigbee Protocol) 상세분석 - MAC Layer 편(1)

직비 프로토콜(Zigbee Protocol) 상세분석

<MAC Layer>

이전글에 이어 오늘은 지그비 프로토콜의 MAC Layer에 대한 상세분석 내용입니다.

2020/10/15 - [IT이슈 및 정보] - 지그비 프로토콜(Zigbee Protocol) 상세분석 - PHY Layer 편

지그비 프로토콜(Zigbee Protocol) 상세분석 - PHY Layer 편

MAC Layer에 대한 내용은 방대하므로 이번 글에서는 MAC Frmae Format에서 MAC header의 비컨프레임까지 설명한 후 다음 글에 이어서 데이터프레임, ACK 프레임, 명령프레임과 이후부분에 대해 설명하겠습니다.

 

1. MAC Layer

: 다양한 응용과 네트워크 형태를 위해 유연한 구조를 가지며 유연한 관리를 위해 데이터 서비스와 MAC관리 서비스를 지원한다.

MAC 계층의 참조 모델

MAC 계층에서는 2개의 SAP를 통해서 엑세스 할 수 있는 2개의 서비스가 제공된다.

MCPS-SAP(MAC common part sublayer data SAP)를 통해서 액세스 할 수 있는 MAC 데이터 서비스와
MLME-SAP(MAC Layer Management Entity SAP)를 통해서 액세스할 수 있는 MAC 관리 서비스가 있다.

또한 MLME는 MAC계층에서 유지하는 데이터베이스인 MAC PIB를 유지한다.

 

1-1. MAC Layer의 주요 기능

1) 디바이스가 Coordinator면 네트워크에서 Beacon을 생성 할 수 있다.

2) 네트워크의 beacon을 동기화한다.

3) PAN과의 결합(association) 및 분리(disassociation)를 지원한다.

4) 디바이스의 보안(security)를 지원한다.

5) 채널 액세스에 대하여 CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 메커니즘을 적용한다.

6) GTS(Guaranteed Time Slot) 메커니즘을 처리하고 유지한다.

7) peer MAC entity간에 신뢰성 있는 링크를 제공한다.

 

2-2. MAC Frame Format (MPDU : MAC Protocol Data Unit)

일반적인 MAC 프레임 포멧

MAC프레임은 MPDU(MAC Protocal Data Unit)라 부르며 MHR(MAC header), MSDU(MAC Service Data Unit) 및 MFR(MAC Footer)로 구성된다.

 가. MHR(MAC header)
   : 프레임제어, sequence number, 주소정보, security와 관련된 정보로 구성된다.
  1) 프레임 제어 필드 (Frame control field)
   : 전송되는 프레임의 타입, 주소필드들, 여러 가지 제어 플래그(control flag)를 정의하는 정보가 포함된다.

프레임 제어 필드의 포멧

  (1-1) Frame type : 4가지 프레임 종류(비컨, 데이터, 확인, 명령)중 하나로 설정된다.

  MAC 프레임의 4가지 종류
   (1) 비컨 프레임

비컨 프레임 포멧

 (1-1) MHR 필드
1) 프레임 제어 필드
  1-1) frame type : beacon 프레임을 가리키는 값을 포함한다.
  1-2) source addressing : beacon 프레임을 전송하는 코디네이터의 주소로 설정한다.
  1-3) security enabled : 보호를 사용한다면 1로 세팅된다.
  1-4) frame version : security enabled 필드가 1로 세팅되었을 경우만 1로 세팅된다.
  1-5) 다른 모든 필드는 0으로 설정되고 수신측에서 무시한다.
2) sequence number 필드 : 현재 macBSN 값이 포함된다.
3) source PAN identifier 필드 : beacon을 전송하는 디바이스의 PAN identifier가 포함된다.
4) source address 필드 : beacon을 전송하는 디바이스의 address가 포함된다.
5) Auxiliary security header 필드 : beacon 프레임의 security 처리에서 필요로 하는 정보가 포함된다.
 
 (1-2) MAC　Payload 필드
1) superframe specification 필드

Superframe specification 필드

  1-1) beacon order : beacon의 전송 간격을 규정한다.

  1-2) superframe order : 수신기가 enable된 시간의 길이를 규정한다.

  1-3) Final CAP slot : CAP에서 사용하는 최종 슈퍼프레임 슬롯을 규정한다.

  1-4) Battery life extension : CAP 지속기간동안 beaconing디바이스로 전달된 프레임들이 시작하기를 요구 하면 1로 세팅된다.

  1-5) PAN coordinator :　beacon 프레임이 PAN Coordinatior에서 전달하고 있다면 1로 세팅된다.

  1-6) Association permit : Coordinator에서 PAN과 결합을 수락했다면, 1로 세팅된다.

 

※ Superframe 구조

코디네이터는 동일한 PAN(Personal Network Area)내의 장치들에게 beacon frame을 주기적으로 브로드캐스팅 할 수 있다.

이때 연속된 두 개의 beacon frame 사이의 시간을 ACTIVE구간과 INACTIVE 구간으로 분할하여 사용 할 수 있는 구조이다.

Superframe 구조에서 동작하는 PAN 내에서는 ACTIVE 구간의 시간에만 Channel에의 접근이 허용되며, INACTIVE 구간에서는 모든 장치들이 sleep mode로 동작하기 때문에 Superframe 저전력 소모가 가능하다.

 

Superframe 구조

SD : ACTIVE 구간의 지속시간
BI : beacon frame의 시간 간격
※BI와 SD는 고정된 시간이 아님.

 

2) GTS(Guaranteed time slot) fields

GTS(Guaranteed time slot) fields

2-1) GTS specification : beacon 프레임의 GTS list 필드에 포함되는 GTS descriptor의 개수를 규정한다.
2-2) GTS directions : 슈퍼프레임에 있는 GTS의 방향을 식별하는 마스크(mask)를 포함한다. 수신만 가능하다면 1, 전송만 가능하다면 0의 값이 세팅된다.
2-3) GTS list : 보유하고 있는 GTS를 나타내는 GTS descriptor의 리스트가 포함된다.

3) Pending address fields
beacon 프레임의 address list 필드에 포함된 16비트 short 주소의 개수와 64비트 extended 주소들의 개수를 가리킨다.

 (1-3) MFR 필드
1) beacon payload
   : 다음 상위계층에서 beacon 프레임을 통해 전달 할 수 있도록 규정된 aMaxBeaconPayloadLength 까지의 시퀀스이다.