Thread Group（https://www.threadgroup.org/）由Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）和其它六家公司共同創(chuàng)立于2014年7月15日。作為一個(gè)非營(yíng)利性組織，Thread Group專注于推廣Thread在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)開(kāi)發(fā)人員和消費(fèi)者進(jìn)行培訓(xùn)介紹Thread技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)，提供嚴(yán)格的產(chǎn)品認(rèn)證測(cè)試確保極致的用戶體驗(yàn)。本文將針對(duì)Thread網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及關(guān)鍵特性進(jìn)行概略的介紹。 ?

Thread是什么？
Thread是一種安全的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。Thread解決了構(gòu)建智能家居產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的新需求。 Thread 以6LoWPAN為基礎(chǔ)，充分利用開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)和IPv6 技術(shù)，與其它無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)相比具有許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)：安全可靠，無(wú)單點(diǎn)故障，連接簡(jiǎn)單，功耗低。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Mesh網(wǎng)絡(luò)，并且網(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的一般特性
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)議棧專為基于IP網(wǎng)絡(luò)的智能家居和商業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并且可以在協(xié)議棧上搭配各種應(yīng)用層。 ? Thread協(xié)議棧的一般特性如下：

網(wǎng)絡(luò)安裝、啟動(dòng)和操作均簡(jiǎn)單方便：Thread協(xié)議棧支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)??？赏ㄟ^(guò)智能手機(jī)、平板電腦或計(jì)算機(jī)進(jìn)行安裝，且安裝簡(jiǎn)單方便。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。

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)。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。

可兼顧各種規(guī)模的家庭網(wǎng)絡(luò)需求：不同家庭網(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。

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）實(shí)現(xiàn)的。

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。對(duì)于與Mesh網(wǎng)絡(luò)外界的通信來(lái)說(shuō)，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)，而客戶端可以使用單播查詢來(lái)查找已注冊(cè)的服務(wù)。

覆蓋范圍廣：典型Thread設(shè)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(shè)計(jì)可以大幅提高覆蓋范圍。在物理層（PHY）采用了分布式擴(kuò)頻技術(shù)可以更好的提升抗干擾能力。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)相互通信，因此可以擴(kuò)展覆蓋多個(gè)Mesh子網(wǎng)。

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設(shè)備可以利用這些基礎(chǔ)設(shè)施鏈路的更高吞吐量、更大信道容量和更廣覆蓋范圍，同時(shí)仍能支持低功耗設(shè)備。

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?？蛇\(yùn)行數(shù)年。

性價(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家庭網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
用戶通過(guò)其家庭局域網(wǎng)（HAN）上的Wi-Fi或使用基于云的應(yīng)用程序從自己的設(shè)備（智能手機(jī)、平板電腦或計(jì)算機(jī)）與家庭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)備類型進(jìn)行了說(shuō)明。 ? ?

圖2. Thread家庭網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) Thread網(wǎng)絡(luò)包含以下設(shè)備類型：

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)需用戶干預(yù)的情況下選舉另一個(gè)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，還可以通過(guò)對(duì)其功能進(jìn)行降級(jí)，從而成為REED。

REED：可以成為Thread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IEEE802.15.4-2015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商業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
Thread商業(yè)網(wǎng)絡(luò)模型采用的主要設(shè)備類型與家庭網(wǎng)絡(luò)所采用的相同，并引入了新概念。用戶借助Wi-Fi或企業(yè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)設(shè)備（智能手機(jī)、平板電腦或計(jì)算機(jī)）與商業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。下圖對(duì)商業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行了說(shuō)明。 ? ?

圖3. Thread商業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 商業(yè)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)縫集成，也支持與非Thread的IPv6網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接。Thread域主要的好處是設(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)，而在網(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）是應(yīng)用于商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一種邊界路由器，它能夠促進(jìn)多個(gè)網(wǎng)段的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)單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)。隸屬于較大域的Thread網(wǎng)絡(luò)必須至少有一個(gè)“主要”BBR，并且可以有多個(gè)“次要”BBR以實(shí)現(xiàn)故障安全冗余。各個(gè)BBR通過(guò)連接所有Thread網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)相互通信。

圖4. Thread域模型 無(wú)單點(diǎn)故障

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)行的情況下可以更換這些設(shè)備。例如，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，在其父設(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?，個(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。

總結(jié)

本文主要介紹了Thread的一般特性、Thread網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及Thread協(xié)議中非常重要的無(wú)單點(diǎn)故障特性。

編輯：黃飛

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