一文讀懂Thread技術的起源、原理及發展

什么是Thread

Thread是為因應構建智能家居和樓宇自動化網絡出現的新需求，推出的一種安全的無線網狀網絡協議。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，它具有諸多技術優勢：安全可靠，無單點故障，連接簡單，功耗低等。產品開發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狀網絡（mesh），而且該網絡中的每個設備都可以連接Internet，訪問云服務。Thread協議棧是建立在電氣和電子工程師協會（IEEE）和互聯網工程任務組（IETF）現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協議棧概覽

Thread的由來

比較常用的網絡協議有 Wi-Fi、藍牙、ZigBee、Z-Wave，不過都有不足：

Wi-Fi的功耗比較大，適合傳輸大量的數據；

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，研發成本高；

Z-Wave由丹麥公司Zensys主導，暫時還沒有ZigBee聯盟強大。

Google旗下Nest Labs于2014年7月提出的家庭物聯網通訊協定技術Thread, 其后谷歌聯合三星、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，是一種頂層協議。Thread通過 6LoWPAN 技術支持 IPv6，是一種基于IP的無線網絡協議，用來連接家居智能產品和樓宇自動化網絡產品。它可以支持 250 個以上設備同時聯網，能夠覆蓋所有照明、開關、暖通空調、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化，可以支持設備實現超低能耗，設備可以通過電池實現續航數年。此外，由于Thread 是基于 ZigBee協議 的，原有的 ZigBee 設備只需更新固件即可兼容 Thread。

Thread的特點

Thread協議棧支持IPv6地址，能夠實現與其它IP網絡的低成本橋接，是低功耗/電池供電操作、無線設備間通信的最佳選擇。Thread協議棧專為基于IP網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議和應用。

Thread協議棧的特點如下：

1. 網絡安裝、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，產品安裝碼可確保只有授權設備才能加入網絡。當路由出現問題時，構建和加入網絡的簡單協議支持系統自行配置并修復這些問題。

2.Thread協議棧支持多種網絡拓撲。

3.安全性：

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

4.可兼顧各種規模的家庭網絡需求：

不同網絡的設備在數量上存在很大差異，少則幾個，多則數百個。網絡層設計旨在根據預期用途對網絡運行進行優化。

5.適用于大型商業網絡：

對于大型商業網絡來說，單個Thread網絡不足以滿足所有應用、系統和網絡的要求。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、Wi-Fi等）來實現的。

6.雙向通信服務發現和連接：

組播和廣播對于無線網狀網絡來說效率較低。針對與網狀網絡外的通信，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。對于商業網絡來說，Thread域模型允許多個Thread網絡借助骨干網實現互聯互通，因而可以擴展覆蓋多個Mesh子網。

8.無單點故障設計：

Thread協議棧旨在使運行安全可靠，即使是在單個設備發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）納入到拓撲中，以降低產生多個Thread分區的可能性。這樣Thread既可以發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\行數年。

10.性價比高：

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

Thread家用網絡架構

用戶通過其家用局域網（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網絡進行通信。下圖對Thread網絡架構中的主要設備類型進行了說明。

圖 2 Thread家用網絡架構

Thread網絡包含以下設備類型：

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

Leader：位于Thread網絡中，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發生故障或失去與Thread網絡的連接，則可在無需用戶干預的情況下系統會選舉另一Thread路由器成為Leader。

Thread路由器：為網絡設備提供路由服務。Thread路由器還為嘗試加入網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，也不會為網絡中的其它設備提供加入或安全服務。如有必要，網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，無需使用常規數據請求。

Thread商用網絡架構

用戶通過其家用局域網（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網絡進行通信。下圖對Thread網絡架構中的主要設備類型進行了說明。

圖 3 Thread商用網絡架構

商用網絡架構概念：

Thread域模型支持多個Thread網絡的無縫融合，也支持與非Thread的IPv6網絡的無縫連接。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網絡。在網絡規模擴大或數據量擴展的情況下，這會減少對網絡進行手動規劃或降低因進行手動重新配置所產生的高額費用。

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

圖 4 Thread域模型

Thread協議棧的設計旨在避免單點故障。雖然系統中有許多執行特殊功能的設備，但Thread網絡可以實現在不影響網絡或設備持續運行的情況下更換這些設備。例如，在其他網絡中，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。而這個轉換過程對于用戶是不可見的。雖然Thread系統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（例如Wi-Fi或以太網）的無單點故障設計。借助此功能，跨鏈路形成Thread分區的可能性則被降低。

Thread發展現狀

近年來Thread發展迅速。它得到了業界的廣泛關注，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勢。同時，Thread協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，其無線網絡協議的最新一個迭代版本Thread 1.3.0現已支持Matter標準?；谥暗牡?，Thread 1.3.0實現了完全向后兼容，通過消除設備制造商和最終用戶雙方的障礙，為在家庭和商業建筑中廣泛地采用物聯網打開了更大的空間。

目前，市場上有許多設備支持Thread通信協議。其中包括：智能家居設備、安防系統、智能照明、智能門鎖、環境傳感器、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 網狀路由器也是 Thread 邊界路由器。Apple TV 4K 2021、Apple TV 4K 2022 和 HomePod mini 現在支持 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物聯網通信模組廠商，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，支持客戶快速開發產品。

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通信協議將在更多領域得到廣泛應用。

總的來說，Thread通信技術已經進入了快速發展階段，并將繼續成為物聯網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開發商。該公司提供物聯網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