什么是Thread

Thread是為因應(yīng)構(gòu)建智能家居和樓宇自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的新需求，推出的一種安全的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它以6LoWPAN為基礎(chǔ)，充分利用了開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)和IPv6技術(shù)。與其它無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)相比，它具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)：安全可靠，無(wú)單點(diǎn)故障，連接簡(jiǎn)單，功耗低等。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員和消費(fèi)者可以輕松地通過(guò)Thread安全地將250多個(gè)設(shè)備組成一個(gè)低功耗無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（mesh），而且該網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備都可以連接Internet，訪問(wèn)云服務(wù)。Thread協(xié)議棧是建立在電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）和互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）現(xiàn)有的一系列標(biāo)準(zhǔn)之上的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，而并非全新的標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)下圖）。

圖 1 Thread協(xié)議棧概覽

Thread的由來(lái)

比較常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有 Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、Z-Wave，不過(guò)都有不足：

Wi-Fi的功耗比較大，適合傳輸大量的數(shù)據(jù)；

藍(lán)牙功耗比較低，但還存在藍(lán)牙2.0與藍(lán)牙4.0并存的混亂局面，且不支持IPv6；

ZigBee技術(shù)比較復(fù)雜，研發(fā)成本高；

Z-Wave由丹麥公司Zensys主導(dǎo)，暫時(shí)還沒(méi)有ZigBee聯(lián)盟強(qiáng)大。

Google旗下Nest Labs于2014年7月提出的家庭物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)定技術(shù)Thread, 其后谷歌聯(lián)合三星、Nest、ARM、Big Ass Fans、飛思卡爾和Silicon Labs公司將其推廣應(yīng)用。綜合而言，Thread與蘋(píng)果 Homekit和高通的開(kāi)源框架 AllJoyn 一樣，是一種頂層協(xié)議。Thread通過(guò) 6LoWPAN 技術(shù)支持 IPv6，是一種基于IP的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用來(lái)連接家居智能產(chǎn)品和樓宇自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。它可以支持 250 個(gè)以上設(shè)備同時(shí)聯(lián)網(wǎng)，能夠覆蓋所有照明、開(kāi)關(guān)、暖通空調(diào)、傳感器和各種樓宇自動(dòng)化智能設(shè)備。由于其對(duì)通信功耗做了很好的優(yōu)化，可以支持設(shè)備實(shí)現(xiàn)超低能耗，設(shè)備可以通過(guò)電池實(shí)現(xiàn)續(xù)航數(shù)年。此外，由于Thread 是基于 ZigBee協(xié)議 的，原有的 ZigBee 設(shè)備只需更新固件即可兼容 Thread。

Thread的特點(diǎn)

Thread協(xié)議棧支持IPv6地址，能夠?qū)崿F(xiàn)與其它IP網(wǎng)絡(luò)的低成本橋接，是低功耗/電池供電操作、無(wú)線設(shè)備間通信的最佳選擇。Thread協(xié)議棧專(zhuān)為基于IP網(wǎng)絡(luò)的智能家居和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它可以支持各種應(yīng)用層協(xié)議和應(yīng)用。

Thread協(xié)議棧的特點(diǎn)如下：

1. 網(wǎng)絡(luò)安裝、啟動(dòng)和操作均簡(jiǎn)單方便：

可通過(guò)智能手機(jī)、平板電腦或計(jì)算機(jī)進(jìn)行安裝，產(chǎn)品安裝碼可確保只有授權(quán)設(shè)備才能加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)路由出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，構(gòu)建和加入網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單協(xié)議支持系統(tǒng)自行配置并修復(fù)這些問(wèn)題。

2.Thread協(xié)議棧支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?br />

3.安全性：

除非得到授權(quán)否則設(shè)備不能加入網(wǎng)絡(luò)，并且所有通信都經(jīng)過(guò)加密和保護(hù)。這種安全保護(hù)可用于網(wǎng)絡(luò)層，也可用于應(yīng)用層。所有Thread網(wǎng)絡(luò)都通過(guò)身份驗(yàn)證方案和高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）進(jìn)行加密。Thread網(wǎng)絡(luò)的安全性比Thread Group評(píng)估過(guò)的其它無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全性更高。

4.可兼顧各種規(guī)模的家庭網(wǎng)絡(luò)需求：

不同網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備在數(shù)量上存在很大差異，少則幾個(gè)，多則數(shù)百個(gè)。網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)旨在根據(jù)預(yù)期用途對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。

5.適用于大型商業(yè)網(wǎng)絡(luò)：

對(duì)于大型商業(yè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，單個(gè)Thread網(wǎng)絡(luò)不足以滿(mǎn)足所有應(yīng)用、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的要求。Thread域模型允許在單個(gè)部署中擴(kuò)展到多達(dá)10,000個(gè)Thread設(shè)備。這是通過(guò)綜合使用不同的連接技術(shù)（Thread、以太網(wǎng)、Wi-Fi等）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

6.雙向通信服務(wù)發(fā)現(xiàn)和連接：

組播和廣播對(duì)于無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)效率較低。針對(duì)與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)外的通信，Thread提供通信注冊(cè)服務(wù)，設(shè)備可以對(duì)其是否可用以及是否可提供通信服務(wù)進(jìn)行注冊(cè)，而客戶(hù)端可以使用單播查詢(xún)來(lái)查找已注冊(cè)的服務(wù)。

7.覆蓋范圍廣：

典型Thread設(shè)備的覆蓋范圍通常足以滿(mǎn)足普通家庭需要。而帶有功率放大器的設(shè)計(jì)可以大幅提高覆蓋范圍。在物理層（PHY）采用分布式擴(kuò)頻技術(shù)，則可以更好地提升抗干擾能力。對(duì)于商業(yè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，Thread域模型允許多個(gè)Thread網(wǎng)絡(luò)借助骨干網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，因而可以擴(kuò)展覆蓋多個(gè)Mesh子網(wǎng)。

8.無(wú)單點(diǎn)故障設(shè)計(jì)：

Thread協(xié)議棧旨在使運(yùn)行安全可靠，即使是在單個(gè)設(shè)備發(fā)生故障或缺失的情況下也能安全可靠運(yùn)行。Thread設(shè)備還可以將基于IPv6的鏈路（例如Wi-Fi和以太網(wǎng)）納入到拓?fù)渲校越档彤a(chǎn)生多個(gè)Thread分區(qū)的可能性。這樣Thread既可以發(fā)揮這些基礎(chǔ)設(shè)施鏈路吞吐量更高、信道容量更大和覆蓋范圍更廣的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又能支持多種低功耗設(shè)備。

9.低功耗：

設(shè)備通信效率高，在正常電池使用條件下，設(shè)備的預(yù)期使用壽命可達(dá)數(shù)年，因此用戶(hù)體驗(yàn)得以提升。采用合適的占空比，設(shè)備在使用AA型電池的情況下通常可運(yùn)行數(shù)年。

10.性?xún)r(jià)比高：

來(lái)自多家供應(yīng)商的兼容芯片組和軟件協(xié)議棧的定價(jià)都符合大規(guī)模部署的要求，且其設(shè)計(jì)的初衷都是超低功耗。

Thread家用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

用戶(hù)通過(guò)其家用局域網(wǎng)（HAN）上的Wi-Fi或使用基于云的應(yīng)用程序從個(gè)人終端設(shè)備（智能手機(jī)、平板電腦或計(jì)算機(jī)）與家用Thread網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。下圖對(duì)Thread網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的主要設(shè)備類(lèi)型進(jìn)行了說(shuō)明。

圖 2 Thread家用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

Thread網(wǎng)絡(luò)包含以下設(shè)備類(lèi)型：

邊界路由器：支持802.15.4網(wǎng)絡(luò)與相鄰的其它物理層（Wi-Fi、以太網(wǎng)等）之間的網(wǎng)絡(luò)連接。邊界路由器為802.15.4網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備提供服務(wù)，包括離線運(yùn)行情況下的路由服務(wù)和服務(wù)搜索。Thread網(wǎng)絡(luò)中可以有一個(gè)或多個(gè)邊界路由器。

Leader：位于Thread網(wǎng)絡(luò)中，負(fù)責(zé)管理路由器ID的分配和注冊(cè)，并接受來(lái)自符合路由器要求的終端設(shè)備（REED）成為路由器的請(qǐng)求。Leader決定哪些設(shè)備應(yīng)該是路由器。而且，Leader與Thread網(wǎng)絡(luò)中的所有路由器一樣，也可以有子設(shè)備。Leader還通過(guò)CoAP（受限應(yīng)用協(xié)議）分配和管理路由器地址。但是，Leader中包含的所有信息也都存儲(chǔ)于其它Thread路由器中。因此，如果Leader發(fā)生故障或失去與Thread網(wǎng)絡(luò)的連接，則可在無(wú)需用戶(hù)干預(yù)的情況下系統(tǒng)會(huì)選舉另一Thread路由器成為L(zhǎng)eader。

Thread路由器：為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供路由服務(wù)。Thread路由器還為嘗試加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備提供加入和安全服務(wù)。Thread路由器不能休眠，但可以將其功能進(jìn)行降級(jí)，使之成為終端設(shè)備, 即REED。

REED：可以成為T(mén)hread路由器或Leader，但不一定會(huì)成為具有特殊屬性（例如多個(gè)接口）的邊界路由器。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠蚱渌囟ㄇ闆r下，REED不能成為路由器。REED不會(huì)中繼消息，也不會(huì)為網(wǎng)絡(luò)中的其它設(shè)備提供加入或安全服務(wù)。如有必要，網(wǎng)絡(luò)對(duì)符合路由器條件的設(shè)備進(jìn)行管理，并將其升級(jí)為路由器，整個(gè)過(guò)程無(wú)需用戶(hù)干預(yù)。

終端設(shè)備：不符合路由器條件的終端設(shè)備可以是FED（全終端設(shè)備）或MED（最小終端設(shè)備）。MED無(wú)需與父設(shè)備同步即可進(jìn)行通信。

休眠終端設(shè)備（SED）：僅通過(guò)Thread路由器父設(shè)備進(jìn)行通信，且不能為其它設(shè)備中繼消息。

同步休眠終端設(shè)備（SSED）：是休眠終端設(shè)備的一種，它使用IEEE 802.15.4-2015中的CSL與父設(shè)備保持同步，無(wú)需使用常規(guī)數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

Thread商用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

用戶(hù)通過(guò)其家用局域網(wǎng)（HAN）上的Wi-Fi或使用基于云的應(yīng)用程序從個(gè)人終端設(shè)備（智能手機(jī)、平板電腦或計(jì)算機(jī)）與家用Thread網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。下圖對(duì)Thread網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的主要設(shè)備類(lèi)型進(jìn)行了說(shuō)明。

圖 3 Thread商用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

商用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)概念：

Thread域模型支持多個(gè)Thread網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫融合，也支持與非Thread的IPv6網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接。Thread域主要的好處在于，設(shè)備在一定程度上可以靈活地加入配置有公共Thread域的可用Thread網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大或數(shù)據(jù)量擴(kuò)展的情況下，這會(huì)減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行手動(dòng)規(guī)劃或降低因進(jìn)行手動(dòng)重新配置所產(chǎn)生的高額費(fèi)用。

骨干邊界路由器（BBR）是商用網(wǎng)絡(luò)里的一種邊界路由器，它能夠促進(jìn)多網(wǎng)段Thread域同步，并且允許大范圍的多播傳播進(jìn)出Thread域中的每個(gè)網(wǎng)段。隸屬于較大域的Thread網(wǎng)絡(luò)必須至少有一個(gè)主BBR，并且可以有多個(gè)次BBR以實(shí)現(xiàn)故障安全冗余。各BBR之間通過(guò)連接所有Thread網(wǎng)段的骨干網(wǎng)相互通信。

圖 4 Thread域模型

Thread協(xié)議棧的設(shè)計(jì)旨在避免單點(diǎn)故障。雖然系統(tǒng)中有許多執(zhí)行特殊功能的設(shè)備，但Thread網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)在不影響網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備持續(xù)運(yùn)行的情況下更換這些設(shè)備。例如，在其他網(wǎng)絡(luò)中，如果休眠的終端設(shè)備需要父設(shè)備進(jìn)行通信，那么這個(gè)父設(shè)備就成為通信的單點(diǎn)故障。然而，在Thread網(wǎng)絡(luò)中，在當(dāng)前父設(shè)備不可用時(shí)，休眠終端設(shè)備可以選擇另一父設(shè)備。而這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程對(duì)于用戶(hù)是不可見(jiàn)的。雖然Thread系統(tǒng)采用了無(wú)單點(diǎn)故障設(shè)計(jì)，但在某些拓?fù)湎拢瑐€(gè)別設(shè)備不具備備份功能。例如，在配置了單個(gè)邊界路由器的系統(tǒng)中，如果邊界路由器斷電，則無(wú)法切換到備用邊界路由器。在這種情況下，必須重新配置邊界路由器。借助Thread規(guī)范1.3.0，共享基礎(chǔ)設(shè)施鏈路的邊界路由器可以通過(guò)利用Thread無(wú)線電封裝鏈路（TREL）提升跨介質(zhì)（例如Wi-Fi或以太網(wǎng)）的無(wú)單點(diǎn)故障設(shè)計(jì)。借助此功能，跨鏈路形成Thread分區(qū)的可能性則被降低。

Thread發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)Thread發(fā)展迅速。它得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，并與其他無(wú)線通信技術(shù)（如ZigBee，LoRa等）相比，在性能、安全性、智能性等方面有了明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，Thread協(xié)議也得到了多家公司的支持，包括英特爾，NXP，Google等。Thread Group日前宣布，其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的最新一個(gè)迭代版本Thread 1.3.0現(xiàn)已支持Matter標(biāo)準(zhǔn)。基于之前的迭代，Thread 1.3.0實(shí)現(xiàn)了完全向后兼容，通過(guò)消除設(shè)備制造商和最終用戶(hù)雙方的障礙，為在家庭和商業(yè)建筑中廣泛地采用物聯(lián)網(wǎng)打開(kāi)了更大的空間。

目前，市場(chǎng)上有許多設(shè)備支持Thread通信協(xié)議。其中包括：智能家居設(shè)備、安防系統(tǒng)、智能照明、智能門(mén)鎖、環(huán)境傳感器、溫度控制器、智能開(kāi)關(guān)等。

芯片廠商TI、Nordic、Silicon Labs、Freescale、NXP都已發(fā)布Thread的芯片解決方案。

Google的Nest Hub Max 智能顯示器、第二代 Nest Hub 和 Google Nest Wifi 網(wǎng)狀路由器都是Thread邊界路由器。亞馬遜的第 4 代 Echo 智能揚(yáng)聲器和所有 Wi-Fi 6 及更高版本的 Eero 網(wǎng)狀路由器也是 Thread 邊界路由器。Apple TV 4K 2021、Apple TV 4K 2022 和 HomePod mini 現(xiàn)在支持 Matter 并充當(dāng) Thread 邊界路由器。

深圳市信馳達(dá)科技有限公司作為國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)通信模組廠商，也在第一時(shí)間推出了基于TI CC2652、Silicon Labs MG24、Nordic nRF52840等SoC的Thread通信模組，支持客戶(hù)快速開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。

隨著 2022 年 7 月 Thread 1.3.0 的推出，Thread 設(shè)備將與任何 Thread 邊界路由器一起使用，沒(méi)有特定的品牌障礙，預(yù)期Thread通信協(xié)議將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

總的來(lái)說(shuō)，Thread通信技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，并將繼續(xù)成為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的重要選擇。

深圳市信馳達(dá)科技有限公司（RF-Star）是一家專(zhuān)注于射頻通信方案的高科技公司，2010年即獲得美國(guó)TI德州儀器公司的認(rèn)證，是其低功耗無(wú)線通信芯片的授權(quán)開(kāi)發(fā)商。該公司提供物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線模塊和完整應(yīng)用方案，包括BLE、Wi-Fi、Wi-SUN、LoRa、ZigBee、Thread等。欲了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)公司網(wǎng)站www.szrfstar.com或關(guān)注微信公眾號(hào)“信馳達(dá)科技”，購(gòu)買(mǎi)樣品請(qǐng)?jiān)谔詫欰PP上搜索“信馳達(dá)科技”進(jìn)入官方店鋪購(gòu)買(mǎi)。

審核編輯黃宇