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。作為一個非營利性組織，Thread Group專注于推廣Thread在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應用，對開發(fā)人員和消費者進行培訓介紹Thread技術(shù)及其優(yōu)勢，提供嚴格的產(chǎn)品認證測試確保極致的用戶體驗。本文將針對Thread網(wǎng)絡技術(shù)及關(guān)鍵特性進行概略的介紹。 ?

Thread是什么？
Thread是一種安全的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡協(xié)議。Thread解決了構(gòu)建智能家居產(chǎn)品網(wǎng)絡中出現(xiàn)的新需求。 Thread 以6LoWPAN為基礎(chǔ)，充分利用開放標準和IPv6 技術(shù)，與其它無線標準相比具有許多技術(shù)優(yōu)勢：安全可靠，無單點故障，連接簡單，功耗低。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Mesh網(wǎng)絡，并且網(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)絡的智能家居和商業(yè)應用而設計，并且可以在協(xié)議棧上搭配各種應用層。 ? Thread協(xié)議棧的一般特性如下：

網(wǎng)絡安裝、啟動和操作均簡單方便：Thread協(xié)議棧支持多種網(wǎng)絡拓撲?？赏ㄟ^智能手機、平板電腦或計算機進行安裝，且安裝簡單方便。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。

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。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。

可兼顧各種規(guī)模的家庭網(wǎng)絡需求：不同家庭網(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。

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(shù)（Thread、以太網(wǎng)、Wi-Fi等）實現(xiàn)的。

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。對于與Mesh網(wǎng)絡外界的通信來說，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。

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）采用了分布式擴頻技術(shù)可以更好的提升抗干擾能力。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)相互通信，因此可以擴展覆蓋多個Mesh子網(wǎng)。

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

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。

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家庭網(wǎng)絡架構(gòu)
用戶通過其家庭局域網(wǎng)（HAN）上的Wi-Fi或使用基于云的應用程序從自己的設備（智能手機、平板電腦或計算機）與家庭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家庭網(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選舉另一個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，還可以通過對其功能進行降級，從而成為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IEEE802.15.4-2015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商業(yè)網(wǎng)絡架構(gòu)
Thread商業(yè)網(wǎng)絡模型采用的主要設備類型與家庭網(wǎng)絡所采用的相同，并引入了新概念。用戶借助Wi-Fi或企業(yè)網(wǎng)絡通過設備（智能手機、平板電腦或計算機）與商業(yè)網(wǎng)絡進行通信。下圖對商業(yè)網(wǎng)絡拓撲進行了說明。 ? ?

圖3. Thread商業(yè)網(wǎng)絡架構(gòu) 商業(yè)網(wǎng)絡架構(gòu)概念：

Thread域模型支持多個Thread網(wǎng)絡的無縫集成，也支持與非Thread的IPv6網(wǎng)絡的無縫連接。Thread域主要的好處是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，而在網(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）是應用于商業(yè)網(wǎng)絡的一種邊界路由器，它能夠促進多個網(wǎng)段的Thread域同步，并且允許大范圍的多播傳播進出Thread域中的每個單獨的網(wǎng)絡。隸屬于較大域的Thread網(wǎng)絡必須至少有一個“主要”BBR，并且可以有多個“次要”BBR以實現(xiàn)故障安全冗余。各個BBR通過連接所有Thread網(wǎng)絡的骨干網(wǎng)相互通信。

圖4. Thread域模型 無單點故障

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)運行的情況下可以更換這些設備。例如，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，在其父設備不可用時，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(chǔ)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。

總結(jié)

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

編輯：黃飛

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