1 ChirpLAN 协议介绍¶
当前版本 |
V0.2 |
|---|---|
更新日期 |
2023年9月16日 |
2 ChirpLAN 是什么¶
ChirpLAN目前是一种基于ChirpIoT™通讯技术，采用按需可靠的数据收发机制，适用于远距离低功耗的小型局域网（LAN）的网络通信协议。 ChirpLAN即ChirpIoT和LAN的缩写，也代表了它的特性。
主要特点：
开源：协议遵循Apache 2.0协议，协议代码和规范都完全公开，可以商用
轻量级：code<15KB，SRAM<4KB
组网灵活：支持组网，也支持点对点
多种功耗配置：对于功耗和实时性要求不同的场景都有支持
可靠性强：协议简单，可靠，扩展性强
完全自主开发：有独立的知识产权
安全：协议支持加解密功能
易部署：可以灵活的移植适配到不用的平台，MCU，以及和云服务端对接
3 ChirpLAN网络拓扑结构¶
目前ChirpLAN主要支持两种类型的组网，一种是网络模式，另一种是直连模式，网络模式本版本主要支持星形网络，网络拓扑图见下图，ChirpLAN网络中有2中角色：终端和网关，和云端服务器通信部分由具体的应用业务实现，不属于本协议部分的涵盖范围。
网络模式的拓扑结构图¶
直连模式，此模式又分为两种情况，一种是一对一模式通信，另一种是一对多通信的模式，两种模式拓扑图见下图：
直连模式拓扑结构图¶
一对都多模式拓扑结构图¶
4 ChirpLAN 协议架构¶
ChirpLAN协议应用的网络架构见下图，从底层到上层分别是物理层，链路层，网络层和应用层。其中本协议只对链路层和网络层做了规范。说明如下：
物理层：是基于磐启微的ChirpIoT通信技术的射频芯片。
链路层：负责实现收发逻辑，提供重传、碰撞检测，入网等功能。链路层为上层网络层提供接口，使用这些接口，网络层可以完成对射频的相关操作，而不用关注这些操作是如何实现的。
网络层：负责网络协议的控制，数据封包和解包，网络地址解析，各种模式管理等工作。
应用层：主要是一些具体的业务逻辑，如MCU外设，AT指令控制等。
ChirpLAN协议应用网络架构图¶
4.1 链路层介绍¶
链路层负责实现收发逻辑，提供重传、碰撞检测，入网等功能。链路层为上层网络层提供接口，使用这些接口，网络层可以完成对射频的相关操作，而不用关注这些操作是如何实现的。
收发逻辑：射频的相关参数配置，收发数据的控制
重传控制：根据配置参数，来控制射频发射的重传控制
碰撞检测：多个节点同时发送会有冲突，需要做冲突检测和退避处理
入网功能：加入网络的机制，可以从网关端获取分配的信道和相关模式以及参数等信息
安全机制：支持数据的加解密AES128，key:128 bit
4.1.1 碰撞检测¶
碰撞检测机制¶
参考上图，下面说明碰撞检测机制：
EP每次TX完会设定一个冲突窗口，这个窗内当前EP不允许发送数据
EP每次发数据前都会检测当前信道是否有数据，如果有数据，会推迟到冲突窗口内的一个时间（要保证在冲突窗口内的一个随机值），只有在空闲模式才可以发送数据
在冲突窗口内， EP-B首先检测到信道空闲，获得了数据包的发送机会，EP-A和EP-C继续退避
EP-C在第一次退避后，在第二个冲突窗口内，首先检测到信道空闲，发送当前的数据，EP-A继续退避
EP-A检测到信道空闲，发送当前数据包
退避失败的次数越多，后续会在冲突窗口获得更靠前的权重
4.1.2 入网功能¶
入网是节点加入网络的第一个步骤，在网络模式中，只有终端节点通过网关的网络授权后，加入到网关对应的网络，才能进一步进行数据的交互。具体的通信的流程如下：
正常入网流程¶
正常入网说明：
首先终端在入网信道，向网关发一个入网请求包（包括自己的一些必要信息，参考后面的入网请求帧）
网关收到入网包，如果校验通过，会发送入网确认包，同时会给终端分配相关的RF参数，包括通信信道
终端在数据信道发送数据给网关
如果需要回复确认包，网关收到数据包后，回复相应的确认包
说明，目前入网中采用的是AES128加密机制，128 bit密钥
异常入网流程¶
异常入网流程说明：
终端发送的入网包，网关没有收到
终端继续发送一个入网包，但是入网包是一个非法的，此时网关可以收到，但不回复确认包
终端发送一个合封的入网包，网关也收到了此入网包
网关回复的确认包，终端没有收到
终端会继续重新发送入网包，直到收到网关的数据确认包为止
4.2 网络层介绍¶
负责网络协议的控制，数据封包和解包，网络地址解析，各种模式管理等工作。下面先介绍下网络层支持的几种模式。
网络模式介绍¶
ChirpLAN主要分为2个大的模式，网络模式（network mode）和直连模式（direct mode），Network Mode包括如下几种子模式：
Mode A：主动上报模式
特点：
用户按需来发送数据，比如AT指令或者定时发送数据，不发送数据时RF处于休眠状态
Mode B：周期同步模式
特点：
支持网关与终端时间同步
下行：支持MAPM功能，在下行时隙终端周期打开RX，网关可以通过长前导码唤醒终端
上行：终端在上行时隙按网关分配的时隙有序上行数据
Mode C：全速运行模式
特点：
支持主动上报的功能
半双工模式，终端在非TX的模式时，RF处于RX的模式，用来快速响应网关的数据
直连模式（Direct Mode），主要分为点对点直连模式和一对多通信模式，特点如下：
支持终端之间的点对点通讯
支持一对一和一对多
地址参数可以配置
4.2.1 网络模式–Mode A¶
Mode A：主动上报模式，支持双向通信，终端具有极低的功耗，但是双向通信必须由终端发起，终端发送消息后，会打开一个短暂的接收窗口，网关需要在这个接收窗口内回复消息或者下发指令，通信时序见下图：
Mode A模式通信时序¶
Mode A模式单节点通信流程见下图：
Mode A模式单节点通信流程¶
通信流程说明如下：
终端发送数据包D1给网关（需要回复）
网关回复确认包给终端
终端发送数据包D2给网关（需要回复）
网关回复确认包，但终端没有收到
终端会重传数据包D2给到网关（此时网关不需要将该数据包上报给应用层）
网关收到后会继续回复确认包
Mode A模式多节点通信流程见下图：
Mode A模式多节点通信流程¶
通信流程说明如下：
两个终端节点EP1和EP2在不同的上行信道，网关支持多个上行信道接收，绿色柱代表终端RX打开的状态
EP1和EP2分别同时发送数据包D1和P1给网关
网关下行只有一个信道，所以需要串行回复确认包，此时两个终端的RX开窗时间都满足，所以ack都可以正常接收到
EP1和EP2分别同时发送数据包D2和P2给网关
网关先回复ACK给EP1，EP1正常收到，然后回复EP2时，由于EP2的RX的窗口提前关闭，导致ACK丢失，触发EP2的重发机制
说明：为了降低上述5中的情况，最终协议实现时可以考虑在RX开窗的基本时间上，加一个随机的扩窗时间（跟进应用场景自行配置），会提高并发通信收ack的概率
4.2.2 网络模式–Mode B¶
Mode B：周期同步模式，支持的功能说明如下：
1、Mode B系统执行周期分为下行时隙和上行时隙。下行时隙用于网关下发Beacon，下发数据给终端，通过MAPM功能可以唤醒终端（下行时隙，终端开启周期性CAD唤醒监听功能）。上行时隙是终端根据入网分配的上行时隙，到各自的上行时隙发送数据，是否需要上行数据是由网关BC广播中上行标志决定。
2、终端具有较低的功耗，实现了数据按需有序上行，又可以在下行时隙实时被唤醒，在低功耗和实时性方面完美结合。
3、终端入网后会自动与网关实现时钟同步，并周期接收Beacon，实现终端与网关保持时间同步。
备注：Mode B协议已开源，请至https://gitee.com/chirplan/chirplan-mode-b获取。
下图为Mode B的执行周期
Mode B模式通信时序¶
上行时隙流程说明：
为了避免终端同时上行，导致终端相互干扰、信道拥挤、收包率降低，终端入网时，网关会根据各终端的ID分配对应的上行时隙号，终端只有在自己规定的时隙号到达时才能发送数据。
上行时隙的时隙长度根据终端使用的RF参数和发包长度决定，推荐值最小应大于等于终端的发包时间。
可以根据实际应用中终端数量及上报周期需求调整上行时间长度。
下行时隙空中唤醒功能示意图如下：
Mode B模式下行时隙¶
Mode B模式的通信流程见下图：
Mode B模式通信流程¶
Mode B模式通信流程说明如下：
T1：EP1被唤醒，但ID不匹配，后继续休眠
T3：同周期内EP2也被唤醒，EP2的ID匹配ok，继续接收数据
T2：EP1被唤醒，同时ID匹配正确，通过MAPM中的计数器，可休眠至同步字前继续唤醒接收数据
T4：EP2在较晚的时刻被唤醒，ID未被正确匹配到，继续休眠
特性说明：
同样是唤醒ID不匹配，由于唤醒的时刻不一样，会导致RX开的窗口大小不一样，对比T1和T4：T1>T4，所以功耗消耗也不一样
同样是ID匹配正确，也会有T2和T3有差异的情况
4.2.3 网络模式–Mode C¶
Mode C：全速运行模式，支持双向通信，且终端和网关可以随时互相通信，该模式的数据实时性好，但是终端需要消耗更多的电量。通信时序见下图：
Mode C模式通信时序¶
Mode C模式通信流程见下图：
Mode C模式通信时序¶
Mode C模式通信流程说明如下：
EP1和EP2工作在相同的信道
EP1发送数据D1给网关，该数据包需要回复
网关由于应用层先前触发发送一个数据G1的需求，所以优先发送G1给EP2
网关发送ack给EP1
网关需要同时给两个终端EP1和EP2发送一个不需要回复的数据包G2
终端发送一个需要回复的数据包给P1
网关收到P1后回复确认包给EP2
上述流程都可以实时的相应各种通信。
4.2.4 直连模式（透明传输和定点传输）¶
Direct Mode：点对点直连模式，该模式支持定点模式通信（2个终端节点互相通信），也支持广播通信（一对多的通信）。该功能分为透明和定点传输模式：
透明传输模式：该模式支持2种子模式
Normal Mode ：支持全速运行模式，模块处于active状态，此状态下，将应用层的数据直接通过RF发送出去，接收到数据也完全返回给应用层，RF处于非TX模式即为RX模式
LP Mode：支持空中唤醒，定期唤醒检测空中RF唤醒前导码，然后会和发射端做数据同步，此模式接收端功耗会比较低，发射端也不需要特别长的前导码
定点传输模式：与点对点子模式类似，也分Normal mode和LP Mode，区别是网络层要做地址解析处理。网络地址支持两种：单播地址和组播地址。
Normal Mode ：支持全速运行模式，模块处于active状态，此状态下，将应用层的数据直接通过RF发送出去，接收到数据也完全返回给应用层，RF处于非TX模式即为RX模式
LP Mode：支持空中唤醒，定期唤醒检测空中RF唤醒前导码，然后会和发射端做数据同步，此模式接收端功耗会比较低，发射端也不需要特别长的前导码
通信流程见下图：
直连模式通信流程¶
直连是通信流程说明如下(包含两种模式的通信流程）：
EP1，EP2,和EP3处于同一个信道
EP1发一个透明传输的包到EP2，EP2收到后回复一个ack
EP2发送一个P1的包（不需要ack），EP1和EP3都可以收到
EP2发送一个P2的定点的数据包（给EP1），EP1收到包后回复一个ack，EP3收到后，发现地址不一致，则不回复ack
5 空中包结构¶
所有的帧结构遵循：字节序：MSB，比特序：MSB
5.1 入网请求帧¶
入网请求帧格式¶
帧格式说明如下：
帧类型（其它帧格式定义都相同，不在赘述）：
Bit7：加密标识，1为加密，0为不加密
Bit6-Bit0：
入网请求：0x01
入网回复：0x02
不需要确认上行数据包Unconfirmed Uplink Data：0x03
需要确认上行数据包Confirmed Uplink Data：0x04
不需要确认下行数据包Unconfirmed Downlink Data：0x05
需要确认下行数据包Confirmed Downlink Data：0x06
需要确认下行配置Confirmed Downlink Config：0x07
同步请求数据包：0x08
同步数据包：0x09
广播信标帧BEACON：0x10
点对点定点模式数据包：0x11
点对点透传模式数据包：0x12
帧序号：帧的编号，每一帧都单独递增，重复包ID相同，Ack 包的序号和请求包对应
节点ID：节点的编号，由应用来分配，一个网络里应该唯一
应用ID：网络号，用于区分不同的子网络，网关只接受与自己应用ID相同的节点的入网请求
通信模式：取值范围：1~3
1：主动上报模式，
2：周期同步模式，
3：全速运行模式，
校验：数据校验和
5.2 入网回复帧（Mode A/C）¶
入网回复帧格式¶
帧格式说明：
帧类型：参见入网包帧类型定义
帧序号：帧的编号
应用ID：网络号，用于区分不同的子网络，网关只接受与自己应用ID相同的节点的入网请求
目标节点ID：目标节点的编号ID
网络ID：节点入网后，由网关或服务器分配的网络地址ID，组网后的通信地址均使用网络ID
上行参数：9字节（依次为3个上行信道，3个下行信道，BW，SF，CR，LDR），缺省值用0代替，0表示不使用此信道或不修改此参数。BW取值6-9，SF取值7-12，CR取值1-4，LDR取值0-1
唤醒间隔：空中唤醒模式下，节点的周期性上报时间间隔，单位：秒
通信模式：（主机有权限修改模式）
1：主动上报模式
3：全速运行模式
5.3 入网回复帧（Mode B）¶
入网回复帧格式¶
帧格式说明：
帧类型：参见入网包帧类型定义
帧序号：帧的编号
应用ID：网络号，用于区分不同的子网络，网关只接受与自己应用ID相同的节点的入网请求
目标节点ID：目标节点的编号ID
网络ID：节点入网后，由网关或服务器分配的网络地址ID，组网后的通信地址均使用网络ID
上行参数：9字节（依次为3个上行信道，3个下行信道，BW，SF，CR，LDR），缺省值用0代替，0表示不使用此信道或不修改此参数。BW取值6-9，SF取值7-12，CR取值1-4，LDR取值0-1
分组号：网关给终端分配的组号，其中0xff为所有终端
时隙时间（wSlot-Len）：单位ms，为终端上行的时间间隔
周期时间（lSlot-Interval）：单位ms，Mode B系统执行周期时间，该周期内划分成上行时间和下行时间
网关当前时间（lGw-CurRTC）：单位ms，指当前网关的时间，精确到ms
本包飞行时间：单位ms，指当前入网回复帧的空中传输时间
通信模式：（主机有权限修改模式）
2：周期同步模式
5.4 数据帧¶
数据帧格式¶
帧格式说明：
帧类型：参见入网包帧类型定义
帧序号：帧的编号
应用ID：网络号，用于区分不同的子网络，网关只接受与自己应用ID相同的节点的入网请求
数据内容：当本帧为数据帧时，本字段为数据内容。当本帧为ACK应答帧时，本字段为空。
网络ID：解析说明：与IP地址解析类似
单播地址：低bit开始不能连续为1，如0x11223344
组播地址：低bit 连续的1为组播地址，不能设置为具体的网络地址，如0x1122334F，组播地址的范围包括地址为0x11223340-0x1122334E
数据内容长度：payload的数据包长度，不包括校验位
5.6 定点通信数据帧¶
配置帧格式¶
帧格式说明：
帧类型：参见入网包帧类型定义
目标地址：解析说明，与IP地址解析类似
单播地址：低bit开始不能连续为1，如0x1122
组播地址：低bit 连续的1为组播地址，不能设置为具体的网络地址，如0x112F，组播地址的范围包括地址为0x1120-0x112E
数据内容长度：payload的数据包长度
数据内容：当本帧为数据帧时，本字段为数据内容。当本帧为ACK应答帧时，本字段为空。
5.7 透明传输帧数据帧¶
透明传输帧数据帧格式¶
帧格式说明：
帧类型：参见入网包帧类型定义
数据内容长度：payload的数据包长度
数据内容：当本帧为数据帧时，本字段为数据内容。当本帧为ACK应答帧时，本字段为空
5.8 广播信标帧(Mode B)¶
广播信标帧由网关周期发送，终端收到广播信标帧后更新本地时间，实现终端与网关的时间同步，见下图：
请求同步帧格式¶
帧格式说明：
帧类型：参见入网包帧类型定义
帧序号：帧的编号
应用ID：网络号，用于区分不同的子网络，网关只接受与自己应用ID相同的节点的入网请求
目标分组号：指本次上下行标志位指示的设备分组，其中0xff代表所有设备
下行标志：1有效，代表网关即将由下行数据下发
上行标志：1有效，代表对应分组的设备需要发送上行数据
新时隙时间：更新终端设备上行的时间间隔
新周期时间：更新Mode B周期时间
网关当前时间（lGw-CurRTC）：单位ms，指当前网关的时间，精确到ms
本包飞行时间：单位ms，指当前入网回复帧的空中传输时间