一文讀懂Thread技術的起源、原理及發(fā)展

什么是Thread

Thread是為因應構(gòu)建智能家居和樓宇自動化網(wǎng)絡出現(xiàn)的新需求，推出的一種安全的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡協(xié)議。它以6LoWPAN為基礎，充分利用了開放標準和IPv6技術。與其它無線標準相比，它具有諸多技術優(yōu)勢：安全可靠，無單點故障，連接簡單，功耗低等。產(chǎn)品開發(fā)人員和消費者可以輕松地通過Thread安全地將250多個設備組成一個低功耗無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡（mesh），而且該網(wǎng)絡中的每個設備都可以連接Internet，訪問云服務。Thread協(xié)議棧是建立在電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）和互聯(lián)網(wǎng)工程任務組（IETF）現(xiàn)有的一系列標準之上的開放標準，而并非全新的標準（見下圖）。

圖 1 Thread協(xié)議棧概覽

Thread的由來

比較常用的網(wǎng)絡協(xié)議有 Wi-Fi、藍牙、ZigBee、Z-Wave，不過都有不足：

Wi-Fi的功耗比較大，適合傳輸大量的數(shù)據(jù)；

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

ZigBee技術比較復雜，研發(fā)成本高；

Z-Wave由丹麥公司Zensys主導，暫時還沒有ZigBee聯(lián)盟強大。

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公司將其推廣應用。綜合而言，Thread與蘋果 Homekit和高通的開源框架 AllJoyn 一樣，是一種頂層協(xié)議。Thread通過 6LoWPAN 技術支持 IPv6，是一種基于IP的無線網(wǎng)絡協(xié)議，用來連接家居智能產(chǎn)品和樓宇自動化網(wǎng)絡產(chǎn)品。它可以支持 250 個以上設備同時聯(lián)網(wǎng)，能夠覆蓋所有照明、開關、暖通空調(diào)、傳感器和各種樓宇自動化智能設備。由于其對通信功耗做了很好的優(yōu)化，可以支持設備實現(xiàn)超低能耗，設備可以通過電池實現(xiàn)續(xù)航數(shù)年。此外，由于Thread 是基于 ZigBee協(xié)議 的，原有的 ZigBee 設備只需更新固件即可兼容 Thread。

Thread的特點

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

Thread協(xié)議棧的特點如下：

1. 網(wǎng)絡安裝、啟動和操作均簡單方便：

可通過智能手機、平板電腦或計算機進行安裝，產(chǎn)品安裝碼可確保只有授權(quán)設備才能加入網(wǎng)絡。當路由出現(xiàn)問題時，構(gòu)建和加入網(wǎng)絡的簡單協(xié)議支持系統(tǒng)自行配置并修復這些問題。

2.Thread協(xié)議棧支持多種網(wǎng)絡拓撲。

3.安全性：

除非得到授權(quán)否則設備不能加入網(wǎng)絡，并且所有通信都經(jīng)過加密和保護。這種安全保護可用于網(wǎng)絡層，也可用于應用層。所有Thread網(wǎng)絡都通過身份驗證方案和高級加密標準（AES）進行加密。Thread網(wǎng)絡的安全性比Thread Group評估過的其它無線網(wǎng)絡安全性更高。

4.可兼顧各種規(guī)模的家庭網(wǎng)絡需求：

不同網(wǎng)絡的設備在數(shù)量上存在很大差異，少則幾個，多則數(shù)百個。網(wǎng)絡層設計旨在根據(jù)預期用途對網(wǎng)絡運行進行優(yōu)化。

5.適用于大型商業(yè)網(wǎng)絡：

對于大型商業(yè)網(wǎng)絡來說，單個Thread網(wǎng)絡不足以滿足所有應用、系統(tǒng)和網(wǎng)絡的要求。Thread域模型允許在單個部署中擴展到多達10,000個Thread設備。這是通過綜合使用不同的連接技術（Thread、以太網(wǎng)、Wi-Fi等）來實現(xiàn)的。

6.雙向通信服務發(fā)現(xiàn)和連接：

組播和廣播對于無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡來說效率較低。針對與網(wǎng)狀網(wǎng)絡外的通信，Thread提供通信注冊服務，設備可以對其是否可用以及是否可提供通信服務進行注冊，而客戶端可以使用單播查詢來查找已注冊的服務。

7.覆蓋范圍廣：

典型Thread設備的覆蓋范圍通常足以滿足普通家庭需要。而帶有功率放大器的設計可以大幅提高覆蓋范圍。在物理層（PHY）采用分布式擴頻技術，則可以更好地提升抗干擾能力。對于商業(yè)網(wǎng)絡來說，Thread域模型允許多個Thread網(wǎng)絡借助骨干網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，因而可以擴展覆蓋多個Mesh子網(wǎng)。

8.無單點故障設計：

Thread協(xié)議棧旨在使運行安全可靠，即使是在單個設備發(fā)生故障或缺失的情況下也能安全可靠運行。Thread設備還可以將基于IPv6的鏈路（例如Wi-Fi和以太網(wǎng)）納入到拓撲中，以降低產(chǎn)生多個Thread分區(qū)的可能性。這樣Thread既可以發(fā)揮這些基礎設施鏈路吞吐量更高、信道容量更大和覆蓋范圍更廣的優(yōu)勢，同時又能支持多種低功耗設備。

9.低功耗：

設備通信效率高，在正常電池使用條件下，設備的預期使用壽命可達數(shù)年，因此用戶體驗得以提升。采用合適的占空比，設備在使用AA型電池的情況下通?？蛇\行數(shù)年。

10.性價比高：

來自多家供應商的兼容芯片組和軟件協(xié)議棧的定價都符合大規(guī)模部署的要求，且其設計的初衷都是超低功耗。

Thread家用網(wǎng)絡架構(gòu)

用戶通過其家用局域網(wǎng)（HAN）上的Wi-Fi或使用基于云的應用程序從個人終端設備（智能手機、平板電腦或計算機）與家用Thread網(wǎng)絡進行通信。下圖對Thread網(wǎng)絡架構(gòu)中的主要設備類型進行了說明。

圖 2 Thread家用網(wǎng)絡架構(gòu)

Thread網(wǎng)絡包含以下設備類型：

邊界路由器：支持802.15.4網(wǎng)絡與相鄰的其它物理層（Wi-Fi、以太網(wǎng)等）之間的網(wǎng)絡連接。邊界路由器為802.15.4網(wǎng)絡內(nèi)的設備提供服務，包括離線運行情況下的路由服務和服務搜索。Thread網(wǎng)絡中可以有一個或多個邊界路由器。

Leader：位于Thread網(wǎng)絡中，負責管理路由器ID的分配和注冊，并接受來自符合路由器要求的終端設備（REED）成為路由器的請求。Leader決定哪些設備應該是路由器。而且，Leader與Thread網(wǎng)絡中的所有路由器一樣，也可以有子設備。Leader還通過CoAP（受限應用協(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)絡的連接，則可在無需用戶干預的情況下系統(tǒng)會選舉另一Thread路由器成為Leader。

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

REED：可以成為Thread路由器或Leader，但不一定會成為具有特殊屬性（例如多個接口）的邊界路由器。在網(wǎng)絡拓撲或其它特定情況下，REED不能成為路由器。REED不會中繼消息，也不會為網(wǎng)絡中的其它設備提供加入或安全服務。如有必要，網(wǎng)絡對符合路由器條件的設備進行管理，并將其升級為路由器，整個過程無需用戶干預。

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

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

同步休眠終端設備（SSED）：是休眠終端設備的一種，它使用IEEE 802.15.4-2015中的CSL與父設備保持同步，無需使用常規(guī)數(shù)據(jù)請求。

Thread商用網(wǎng)絡架構(gòu)

用戶通過其家用局域網(wǎng)（HAN）上的Wi-Fi或使用基于云的應用程序從個人終端設備（智能手機、平板電腦或計算機）與家用Thread網(wǎng)絡進行通信。下圖對Thread網(wǎng)絡架構(gòu)中的主要設備類型進行了說明。

圖 3 Thread商用網(wǎng)絡架構(gòu)

商用網(wǎng)絡架構(gòu)概念：

Thread域模型支持多個Thread網(wǎng)絡的無縫融合，也支持與非Thread的IPv6網(wǎng)絡的無縫連接。Thread域主要的好處在于，設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。在網(wǎng)絡規(guī)模擴大或數(shù)據(jù)量擴展的情況下，這會減少對網(wǎng)絡進行手動規(guī)劃或降低因進行手動重新配置所產(chǎn)生的高額費用。

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

圖 4 Thread域模型

Thread協(xié)議棧的設計旨在避免單點故障。雖然系統(tǒng)中有許多執(zhí)行特殊功能的設備，但Thread網(wǎng)絡可以實現(xiàn)在不影響網(wǎng)絡或設備持續(xù)運行的情況下更換這些設備。例如，在其他網(wǎng)絡中，如果休眠的終端設備需要父設備進行通信，那么這個父設備就成為通信的單點故障。然而，在Thread網(wǎng)絡中，在當前父設備不可用時，休眠終端設備可以選擇另一父設備。而這個轉(zhuǎn)換過程對于用戶是不可見的。雖然Thread系統(tǒng)采用了無單點故障設計，但在某些拓撲下，個別設備不具備備份功能。例如，在配置了單個邊界路由器的系統(tǒng)中，如果邊界路由器斷電，則無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，共享基礎設施鏈路的邊界路由器可以通過利用Thread無線電封裝鏈路（TREL）提升跨介質(zhì)（例如Wi-Fi或以太網(wǎng)）的無單點故障設計。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Thread發(fā)展迅速。它得到了業(yè)界的廣泛關注，并與其他無線通信技術（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。同時，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，其無線網(wǎng)絡協(xié)議的最新一個迭代版本Thread 1.3.0現(xiàn)已支持Matter標準?；谥暗牡琓hread 1.3.0實現(xiàn)了完全向后兼容，通過消除設備制造商和最終用戶雙方的障礙，為在家庭和商業(yè)建筑中廣泛地采用物聯(lián)網(wǎng)打開了更大的空間。

目前，市場上有許多設備支持Thread通信協(xié)議。其中包括：智能家居設備、安防系統(tǒng)、智能照明、智能門鎖、環(huán)境傳感器、溫度控制器、智能開關等。

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 Thread 邊界路由器。

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

隨著 2022 年 7 月 Thread 1.3.0 的推出，Thread 設備將與任何 Thread 邊界路由器一起使用，沒有特定的品牌障礙，預期Thread通信協(xié)議將在更多領域得到廣泛應用。

總的來說，Thread通信技術已經(jīng)進入了快速發(fā)展階段，并將繼續(xù)成為物聯(lián)網(wǎng)通信技術的重要選擇。

深圳市信馳達科技有限公司（RF-Star）是一家專注于射頻通信方案的高科技公司，2010年即獲得美國TI德州儀器公司的認證，是其低功耗無線通信芯片的授權(quán)開發(fā)商。該公司提供物聯(lián)網(wǎng)無線模塊和完整應用方案，包括BLE、Wi-Fi、Wi-SUN、LoRa、ZigBee、Thread等。欲了解更多信息，請訪問公司網(wǎng)站www.szrfstar.com或關注微信公眾號“信馳達科技”，購買樣品請在淘寶APP上搜索“信馳達科技”進入官方店鋪購買。

審核編輯黃宇