Thread网络技术及关键特性介绍

SiliconLabs 2022-09-15 15:40

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Thread Group（https://www.threadgroup.org/）由Silicon Labs（亦称“芯科科技”）和其它六家公司共同创立于2014年7月15日。作为一个非营利性组织，Thread Group专注于推广Thread在物联网领域的应用，对开发人员和消费者进行培训介绍Thread技术及其优势，提供严格的产品认证测试确保极致的用户体验。本文将针对Thread网络技术及关键特性进行概略的介绍，您可以点击文末的阅读原文按钮或复制下方链接获取完整内容：https://www.silabs.com/documents/public/user-guides/ug103-11-fundamentals-thread.pdf

Thread是什么？
Thread是一种安全的无线网状网络协议。Thread解决了构建智能家居产品网络中出现的新需求。 Thread 以6LoWPAN为基础，充分利用开放标准和IPv6 技术，与其它无线标准相比具有许多技术优势：安全可靠，无单点故障，连接简单，功耗低。产品开发人员和消费者可以轻松地通过Thread安全地将250多个设备组成一个低功耗无线Mesh网络，并且网络中的每个设备都可以连接Internet，访问云服务。Thread协议栈是建立在电气和电子工程师协会（IEEE）和互联网工程任务组（IETF）现有的一系列标准之上的开放标准，而并非全新的标准（见下图）。

图1. Thread协议栈概览

Thread的一般特性
Thread协议栈支持IPv6地址，能够实现与其它IP网络的低成本桥接，是低功耗/电池供电操作、无线设备间通信的最佳选择。Thread协议栈专为基于IP网络的智能家居和商业应用而设计，并且可以在协议栈上搭配各种应用层。

Thread协议栈的一般特性如下：

网络安装、启动和操作均简单方便：Thread协议栈支持多种网络拓扑。可通过智能手机、平板电脑或计算机进行安装，且安装简单方便。产品安装码可确保只有授权设备才能加入网络。当路由出现问题时，构建和加入网络的简单协议支持系统自行配置并修复这些问题。
安全性：除非得到授权否则设备不能加入网络，并且所有通信都经过加密和保护。安全保护可用于网络层，也可用于应用层。所有Thread网络都通过身份验证方案和高级加密标准（AES）进行加密。Thread网络的安全性比Thread Group评估过的其它无线网络安全性更高。
可兼顾各种规模的家庭网络需求：不同家庭网络的设备在数量上存在很大差异，少则几个，多则数百个。网络层设计旨在根据预期用途对网络运行进行优化。
适用于大型商业网络：对于大型商业网络来说，单个Thread网络不足以满足所有应用、系统和网络的要求。Thread域模型允许在单个部署中扩展到多达10,000个Thread设备，这是通过综合使用不同的连接技术（Thread、以太网、Wi-Fi等）实现的。
双向通信服务发现和连接：组播和广播对于无线网状网络来说效率较低。对于与Mesh网络外界的通信来说，Thread提供通信注册服务，设备可以对其是否可用以及是否可提供通信服务进行注册，而客户端可以使用单播查询来查找已注册的服务。
覆盖范围广：典型Thread设备的覆盖范围通常足以满足普通家庭需要。而带有功率放大器的设计可以大幅提高覆盖范围。在物理层（PHY）采用了分布式扩频技术可以更好的提升抗干扰能力。对于商业网络来说，Thread域模型允许多个Thread网络借助骨干网相互通信，因此可以扩展覆盖多个Mesh子网。
无单点故障设计：Thread协议栈旨在使运行安全可靠，即使是在单个设备发生故障或缺失的情况下也能安全可靠运行。Thread设备还可以将基于IPv6的链路（例如Wi-Fi和以太网）纳入到拓扑中，以降低产生多个Thread分区的可能性。这样Thread设备可以利用这些基础设施链路的更高吞吐量、更大信道容量和更广覆盖范围，同时仍能支持低功耗设备。
低功耗：设备通信效率高，在正常电池使用条件下，设备的预期使用寿命可达数年，因此用户体验得以提升。采用合适的占空比，设备在使用AA型电池的情况下通常可运行数年。
性价比高：来自多家供应商的兼容芯片组和软件协议栈的定价都符合大规模部署的要求，且其设计的初衷都是超低功耗。

Thread家庭网络架构
用户通过其家庭局域网（HAN）上的Wi-Fi或使用基于云的应用程序从自己的设备（智能手机、平板电脑或计算机）与家庭Thread网络进行通信。下图对Thread网络架构中的主要设备类型进行了说明。

图2. Thread家庭网络架构

Thread网络包含以下设备类型：

边界路由器：支持802.15.4网络与相邻的其它物理层（Wi-Fi、以太网等）之间的网络连接。边界路由器为802.15.4网络内的设备提供服务，包括离线运行情况下的路由服务和服务搜索。Thread网络中可以有一个或多个边界路由器。
Leader：位于Thread网络中，负责管理路由器ID的分配和注册，并接受来自符合路由器要求的终端设备（REED）成为路由器的请求。Leader决定哪些设备应该是路由器，而且，Leader与Thread网络中的所有路由器一样，也可以有子设备。Leader还通过CoAP（受限应用协议）分配和管理路由器地址。但是，Leader中包含的所有信息也都存储于其它Thread路由器中。因此，如果Leader发生故障或失去与Thread网络的连接，则可在无需用户干预的情况下选举另一个Thread路由器成为Leader。
Thread路由器：为网络设备提供路由服务。Thread路由器还为尝试加入网络的设备提供加入和安全服务。Thread路由器不能休眠，还可以通过对其功能进行降级，从而成为REED。
REED：可以成为Thread路由器或Leader，但不一定会成为具有特殊属性（例如多个接口）的边界路由器。在网络拓扑或其它特定情况下，REED不能成为路由器。REED不会中继消息，也不会为网络中的其它设备提供加入或安全服务。如有必要，网络对符合路由器条件的设备进行管理，并将其升级为路由器，整个过程无需用户干预。
终端设备：不符合路由器条件的终端设备可以是FED（全终端设备）或MED（最小终端设备）。MED无需与父设备同步即可进行通信。
休眠终端设备（SED）：仅通过Thread路由器父设备进行通信，且不能为其它设备中继消息。
同步休眠终端设备（SSED）：是休眠终端设备的一种，它使用IEEE 802.15.4-2015中的CSL与父设备保持同步，无需使用常规数据请求。

Thread商业网络架构
Thread商业网络模型采用的主要设备类型与家庭网络所采用的相同，并引入了新概念。用户借助Wi-Fi或企业网络通过设备（智能手机、平板电脑或计算机）与商业网络进行通信。下图对商业网络拓扑进行了说明。

图3. Thread商业网络架构

商业网络架构概念：

Thread域模型支持多个Thread网络的无缝集成，也支持与非Thread的IPv6网络的无缝连接。Thread域主要的好处是设备在一定程度上可以灵活地加入配置有公共Thread域的可用Thread网络，而在网络规模扩大或数据量扩展的情况下，这会减少对网络进行手动规划或降低因进行手动重新配置所产生的高额费用。
骨干边界路由器（BBR）是应用于商业网络的一种边界路由器，它能够促进多个网段的Thread域同步，并且允许大范围的多播传播进出Thread域中的每个单独的网络。隶属于较大域的Thread网络必须至少有一个“主要”BBR，并且可以有多个“次要”BBR以实现故障安全冗余。各个BBR通过连接所有Thread网络的骨干网相互通信。

图4. Thread域模型

无单点故障
Thread协议栈的设计旨在避免单点故障。虽然系统中有许多执行特殊功能的设备，但Thread网络可以实现在不影响网络或设备持续运行的情况下可以更换这些设备。例如，如果休眠的终端设备需要父设备进行通信，那么这个父设备就成为通信的单点故障。然而，在Thread网络中，在其父设备不可用时，休眠终端设备可以选择另一父设备。而这个转换过程对于用户是不可见的。

虽然Thread系统采用了无单点故障设计，但在某些拓扑下，个别设备不具备备份功能。例如，在配置了单个边界路由器的系统中，如果边界路由器断电，则无法切换到备用边界路由器。在这种情况下，必须重新配置边界路由器。

借助Thread规范1.3.0，共享基础设施链路的边界路由器可以通过利用Thread无线电封装链路（TREL）提升跨介质（例如Wi-Fi或以太网）的无单点故障设计。借助此功能，跨链路形成Thread分区的可能性则被降低。

总结
本文主要介绍了Thread的一般特性、Thread网络架构以及Thread协议中非常重要的无单点故障特性，更多关于Thread的知识，欢迎参考Silicon Labs的用户指南UG103-11-fundamentals-thread.pdf(https://www.silabs.com/documents/public/user-guides/ug103-11-fundamentals-thread.pdf)。

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