簡介

Thread是無線網狀網絡的未來，它有望成為“萬物”與Internet連接的關鍵技術。“萬物”可以籠統(tǒng)的定義為功耗敏感、資源受限的設備，它們通常結合了微控制器(MCU)、傳感器、RF技術和軟件。這些設備通過無線連接橋接到Internet，而且能夠被遠程控制和自動化運行。當前已經有多種無線技術能夠支持這種相互連接，但是Thread是為滿足家居互聯(lián)(Connected Home)的特殊需求而設計的。它基于現有標準，通過提供低功耗、安全和可擴展的基于IP的無線網狀網絡協(xié)議，Thread成為IoT(Internet of Things)實現的關鍵技術所在。

IoT

研究公司IHS Technology的數據表明：到2025年，IoT可連接設備的數量規(guī)模將增長到754億臺。這種前所未有的連接規(guī)模是技術進步的結果，并可追溯到上世紀70年代早期，當時Intel發(fā)布了第一款商用的微處理器：4004。十年之后，臺式機技術已經達到了空前的工藝水平，開創(chuàng)了前所未有的個人生產力時代。

筆記本電腦出現于上世紀90年代，伴隨著Internet的發(fā)展，標志著移動互聯(lián)的開始。然而，直到本世紀00年代中期智能電話的問世，我們才真正實現了不受限制的互聯(lián)網體驗。智能電話把個人計算能力和Internet連接整合到我們的手掌上。低功耗計算、感知和通信帶來全新類別的可連接設備。這些小型的、資源受限的、電池供電的“萬物”不再僅僅關注個人計算，而是以全新并有效的方式為家庭、工廠以及整個城市提供感測、互聯(lián)和自動化服務。圖1顯示了可連接設備的演變。

圖1：IoT的出現

為什么選擇IP

IP(Internet Protocol)是Internet的主要通信協(xié)議。IP為IP網絡數據中繼提供了核心機制，它的路由能力實現了網絡互連。在Internet數十年快速發(fā)展之后，IP已經無處不在。

本身不支持IP的網絡技術必須首先在網關中適配IP。這種處理過程涉及到本地網絡地址的映射，將網絡層數據包重新打包為IP數據包。如圖2所示，已加密的本地報文必須在網關中解密，然后重新在IP數據包中加密。

圖2：本身不支持IP的本地網絡

相比之下，本身支持IP的本地網絡，例如Thread和Wi-Fi，能夠無介入的轉發(fā)和路由應用的有效載荷。本地網絡加密的報文能夠安全的端到端傳輸。如圖3所示。

圖3：本身支持IP的本地網絡

IPv6對比IPv4

IPv4支持32位尋址。但是自從上世紀90年代起，大約43億(2^32=4294 967296)的地址空間越來越不能滿足Internet連接的增長預期。IPv6把地址長度增加到128位，這使得地址空間達到約240澗(1澗=10的36次方)!具有IPv6全球唯一地址(GUA)的本地設備可直接通過廣域網(WAN)尋址。

6LoWPAN

6LoWPAN是IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks的縮寫。它可實現在802.15.4連接上有效傳輸IPv6數據報，因此資源受限的設備(例如“萬物”)能夠自然的加入IoT。它支持三種關鍵功能：

· 報文長度自適應

IPv6支持的最小MTU(最大傳輸單元)是1280字節(jié)。在使用UDP(User Datagram Protocol)和DTLS(Datagram Transport Layer Security)的802.15.4報文中，典型應用的有效載荷大小是63字節(jié)。6LoWPAN提供分段和重組機制以適配IPv6數據報到這些更小的802.15.4有效載荷。不合適大小的IPv6報文將被分成片段，并通過802.15.4在空中發(fā)送。不是所有的片段都能夠以正確的順序被接收。然而，6LoWPAN僅僅需要接收到所有片段，然后按照需要再重新排序分段。

· 報頭壓縮

為了最大限度的減少在802.15.4幀中發(fā)送IPv6消息的開銷，6LoWPAN利用協(xié)議間的跨層冗余(例如源和目標地址、負載長度、傳輸類型和流量標簽)為IPv6和傳輸報頭提供透明的壓縮機制。Thread使用IPHC(Improved Header Compression)和NHC(Next Header Compression)。IPHC被用于壓縮IPv6報頭。NHC被用于壓縮UDP報頭。

· 層間轉發(fā)

Thread使用IP路由轉發(fā)報文。IP路由表用于維護每一個目的和到達它的下一跳。6LoWPAN網狀報頭使用IP路由表來實現鏈路的下一跳轉發(fā)。

實現互聯(lián)

網絡市場中存在多種無線技術。從長遠來看，我們認為在互聯(lián)家居和IoT領域中主要有三個領先的協(xié)議解決方案：Wi-Fi、Bluetooth Smart和802.15.4網狀網絡協(xié)議。

Wi-Fi是家庭網絡中傳輸音頻、視頻和數據的骨干無線技術。它支持高數據率和輸出功率，然而功耗較大。因此其在電池供電的應用中受到限制。

Bluetooth? Smart適合連接智能手機的點對點解決方案，也適合在電池供電的設備上批量傳輸數據。雖然目前的解決方案本身不支持IP，但是Bluetooth Core Specification 4.2通過支持IPv6和6LoWPAN為支持IP奠定了基礎。

網狀網絡技術(例如ZigBee PRO和Thread)構成了家居互聯(lián)的骨干連接。這些自恢復網絡已經被優(yōu)化去支持低帶寬控制和自動化應用，在這類應用中，支撐幾年的長電池壽命是關鍵點。

在過去的10年中，ZigBee PRO一直在802.15.4網狀網絡解決方案中占主導地位。它支持可靠、安全和可擴展的網狀網絡，支持超過250個節(jié)點，也廣泛支持電池供電操作的可休眠的終端節(jié)點。

Thread建立在ZigBee?基礎之上，具有安全、可靠和容錯性好的優(yōu)勢。它也解決了市場中對于網狀網絡技術期待已久的需求：支持IPv6和6LoWPAN，為IoT中的每一個終端節(jié)點帶來亟需的IP連接能力。表1列舉了不同網絡協(xié)議的特性。

表1：IoT無線技術

為什么是Thread，為什么是現在?

Thread Group成立于2014年7月15日，目的是協(xié)作、共享專長和開發(fā)滿足這些需求的解決方案。成立一年后，Thread Group發(fā)布了Thread規(guī)范。該組織的創(chuàng)始成員包括Silicon Labs、Nest Labs、Yale Security、Samsung Electrics、Freescale Semiconductor、Big Ass Fans和ARM。

Thread的關注低功耗和固有支持IP實現了“萬物”和Internet之間無縫互聯(lián)的承諾。它不僅在低成本、電池供電的設備之間提供有效通信，也提供到云和移動設備的簡單接口。Thread提供具有吸引力的全新無線網狀網絡解決方案，設計旨在滿足下列家居互聯(lián)需求：

· 基于標準的協(xié)議

開放基于標準的協(xié)議，實現跨廠商的互操作性和競爭性。Thread以目前的包括IEEE 802.15.4在內的IEEE和IETF標準為基礎。官方的Thread Specification已經在2015年7月13日由Thread Group發(fā)布。

· 簡化的配置

Thread摒棄了一些之前網狀網絡標準的復雜性。只有兩種不同的節(jié)點類型：Router Eligible和 End Device。

Router Eligible節(jié)點在需要支持網狀網絡時成為路由器。構建網絡的第一個Router Eligible節(jié)點將自動的被指定為路由器并作為Leader。Leader執(zhí)行額外的網絡管理任務并代表網絡做決定。網絡中的其他Router Eligible節(jié)點也能夠自動的擔任Leader的角色，但是在一個時間內每一個網絡中僅僅只能有一個Leader。

作為End Device加入的節(jié)點不支持任何路由功能。相反，它們把信息發(fā)送給指定為“父節(jié)點(parent)”的路由器，“父節(jié)點”代表它的“子節(jié)點(child)”執(zhí)行路由操作。End Device通過父節(jié)點進行路由通信并且能夠進入“Sleepy”狀態(tài)來減少功耗。不能與它們的父節(jié)點通信的End Device在多次嘗試后將自動掃描并連接到新的父節(jié)點。圖4所示為帶有REED(Router Eligible End Device)、一個Leader和Thread Router的Thread節(jié)點網絡。

圖4：Thread節(jié)點類型

· 基于IP的信息傳送

Thread全面支持IP。Thread網絡中的所有設備都有一個IPv6地址，并且能夠被HAN(Home Area Network)中的本地設備或者離線網絡中具有Thread能力的被稱為Border Router的IP路由器直接訪問。圖5顯示典型的Thread網絡連接。

圖5：Thread網絡連接

網絡中的節(jié)點由Border Router分配的前綴構成IPv6全球地址，或者由本地自分配的前綴去構成ULA(Unique Local Address)。網絡中使用的路由ID通過Leader分配。Thread使用UDP(User Datagram Protocol)進行消息傳輸，而不是使用TCP(Transmission Control Protocol)。與TCP不同，UDP是無連接的協(xié)議，它摒棄了一些TCP特性，例如錯誤檢測、報文排序和重傳以換取更快速和更高效的傳輸。這種效率相當于減少了傳輸成本，這對于電池供電、資源受限的設備是極其重要的。Thread使用CoAP(Constrained Application Protocol)結合UDP去保持高效性，同時克服了UDP的一些限制。CoAP實現了重構以支持重傳和分組排序。CoAP進一步為GET、POST、PUT和DELETE方法的輕量級(版本提供支持，能夠容易的轉換成HTTP實現與萬維網的連接。利用離線網絡CoAP到HTTP代理，Thread可以從瀏覽器中直接查詢IoT設備!

· 低功耗運行

Thread為低功耗運行的可休眠終端節(jié)點提供了特別支持。正如其名稱所暗示，這些可休眠的終端設備大部分時間處于低功耗休眠狀態(tài)。在Thread協(xié)議中，不檢測處于休眠狀態(tài)的設備，以此來延長電池壽命。發(fā)送給可休眠終端設備的消息由它們的父節(jié)點緩存。消息傳輸僅僅在休眠終端設備被喚醒并查詢父節(jié)點時才被觸發(fā)。

· 可擴展性和彈性

Thread的網絡設計目標是支持多于250個節(jié)點。在此約束下，多種特性和功能被優(yōu)化用以提供最大化的吞吐量和最小化資源需求。在Thread網絡中，活動路由器的最大數量是32個。這樣產生的一個重要的直接結果是路由信息能夠被有效的通過網絡分發(fā)，并且所有路由器能夠直觀的維護網絡中的所有路由。當節(jié)點添加到網絡并且拓撲結構改變時，網絡通過交換MLE(Mesh Link Establishment)消息做調整。如果有作為終端設備操作的Router Eligible設備，能夠自主添加額外的路由器。這種Router Eligible終端設備或者REED，聆聽路由信息，并且在需要提升網絡的整體性能時，向網絡中的Leader申請成為路由器。

Thread是強大的、能自我修復的網狀網絡，提供無單點故障能力。如果一個路由器發(fā)生了故障，網絡將動態(tài)變向發(fā)送傳輸，繞過故障節(jié)點。如果一個Leader失效了，網絡中的另一個路由器將被自動的選擇成為新的Leader。多個邊界路由器能夠為離線網絡通信提供故障失效安全的冗余。

· 互操作性

Thread Group已經發(fā)布了標準的軟件測試工具用于所有Thread協(xié)議棧和最終Thread產品認證。這種測試工具將被提供給所有Thread成員公司以便在Thread認證測試之前獲得高質量的軟件開發(fā)和測試。

所有Thread組件(IC、軟件協(xié)議?；蚰＝M)在作為終端產品提供給用戶之前必須獲得Thread認證。所有想要攜帶Thread標識的終端產品設備必須提交他們的設備到批準的實驗室進行認證。

· 安全和人性化

Thread網絡易于使用并極其安全。Thread在MAC層使用AES-128保護所有網絡傳輸，并且利用ECC和J-PAKE邏輯組合安全添加設備到網絡(即Commissioning)。應用有能力選擇利用基于標準的IP安全協(xié)議(例如DTLS)以實現額外的、安全的應用載荷。

Thread網絡假定用戶有一個可用的Commissioning設備用于添加新設備到Thread網絡。Thread可以指定離線網絡設備(例如智能電話和計算機)和在線網絡Thread設備成為Commissioner。離線網絡設備必須首先請求Thread Border Router以成為注冊Commissioner，符合Thread指定的安全DTLS認證。一旦注冊，Border Router將代表Commissioner候選人與Leader協(xié)商成為授權的Commissioner。在線網絡設備不需要注冊，但是可能需要與Leader協(xié)商以被授權。(Leader確保網絡中同一時間僅僅有一個Commissioner被激活)。一旦得到授權，激活的Commissioner將會以廣播方式通知到整個Thread網絡。

在加入Thread網絡時，用戶通知Commissioner設備有個新設備將要加入，并且輸入一個唯一的與加入設備相關的密碼。這種密碼被用于建立安全的DTLS會話來認證并授權給加入的設備。僅僅在那時設備有權訪問Thread網絡。一旦設備加入到網絡，Commissioner設備不再處于激活狀態(tài)。

· 加速產品上市

隨著物聯(lián)網設備的快速普及，對于產品來說，越來越重要的是盡快從概念階段進展到產品上市。Thread和Silicon Labs有助于加速產品上市。

· 應用開發(fā)

Thread沒有規(guī)定應用層，而是為其提供基本的消息傳送服務，例如使用UDP和CoAP的單播和組播消息服務。類似Wi-Fi，Thread關注消息的安全和可靠傳輸，使用低功耗的網狀網絡代替高功耗的星狀網絡。使用Silicon Labs AppBuilder工具，利用易于使用的回調函數(callback)和插件(plug-in)使協(xié)議棧層細節(jié)不再抽象化，以簡化IP消息傳輸。在框架中開發(fā)的應用代碼是高度可移植的，并且可以在支持的802.15.4設備之間重用。AppBuilder提供簡單的GUI去配置設備和網絡參數，例如設備類型、命令、組網和加入行為，以及安全模式和操作。Silicon Labs提供容易定制和擴展的Thread示例應用幫助用戶快速啟動項目開發(fā)。

· 網絡調試

在為網狀網絡開發(fā)應用時，理解、適配和調整網絡層是重要的開發(fā)階段。傳統(tǒng)的解決方案使用無線sniffer去遠程捕獲空中網絡傳輸包。Silicon Labs網絡IC在芯片內部集成了這種能力，使用Packet Trace專用的雙線接口，輸出被設備發(fā)送接收的每個數據包以及鏈路質量信息。這些信息能夠通過Desktop Network Analyzer工具收集起來，將完整的網絡信息傳輸可視化。Desktop Network Analyzer通過事件聯(lián)系所有通信活動并且解碼Thread消息。網絡活動可以被記錄很長時間，從而識別網絡中極少發(fā)生或間歇性發(fā)生的問題。

結論

我們正在進入Internet連接的新時代。物聯(lián)網將大大超越臺式機、筆記本電腦和智能手機組合的歷史連接規(guī)模。憑借難以置信的、廣泛的應用，小型、資源受限的設備能夠驅動這一增長。從家庭自動化到建筑安防傳感器，從農業(yè)灌溉到工業(yè)加工自動化，從醫(yī)療保健到個人衛(wèi)生。這將觸及我們生活的方方面面，并改變我們與周圍環(huán)境的互動方式。大多數這些設備將會是無線連接的?，F有的多種無線技術可以提供IP連接，但是我們認為三種解決方案將主導家居互聯(lián)，即Wi-Fi、Bluetooth Smart和802.15.4網狀網絡協(xié)議。Thread是網狀網絡的未來。它提供安全、可靠和可擴展的基于IP的網狀網絡解決方案，以及優(yōu)化的低功耗操作。

作者：Silicon Labs IoT無線產品行銷總監(jiān)Greg Fyke