文章分享:Thread网络协议使得智能家居应用如虎添翼

Sally Ward-Foxton在本文阐明了随着连网家居的发展步伐加快，我们需要专门的开放标准通信协定。

作者：重点研究电子产品的自由记者Sally Ward-Foxton

出处：ULP Wireless Q

随着更多用于家庭自动化应用的物联网(IoT)设备进入市场，有效和高效的互用性变得越来越重要。今日的许多商用通信协定是专有的，意味着只有来自同一供应商的设备才具有互用性。更糟糕的是，专有协定的配置是棘手复杂的，不但效率降低，而且安全性未达到应有的强度。许多专有系统利用单一节点连上网络，例如家居Wi-Fi路由器，这意味着如果路由器失效，整个网络将完全瘫痪。

开放标准的通信协定可解决专有协定的缺点，例如低功耗蓝牙和Zigbee等既有技术非常受欢迎。此外，Thread技术亦开始受到智能家居传感器制造商的广泛注意。

Thread正逐渐受智能家居采用，它具备低功耗、易于使用且安全的优势。谷歌公司在2014年初收购了提供智能家居用恒温器的知名公司Nest。自此，谷歌就开始使用Nest提出的Thread协定作为其智能家居连线产品的基础。

谷歌接着设立了Thread群组(Thread Group)，成员包括三星、ARM和高通等公司，一起开发和维护Thread作为低功耗无线连线家庭自动化网络用的开放标准。第一个Thread标准于2015年7月发布，具有可扩充性和可靠性，以及智能手机级别的身分验证和AES加密安全功能。

图1：Thread定义了传输层和网络层(包括IPv6和用户数据协定(UDP))，以6LoWPAN为基础形成IEEE802.15.4 PHY和MAC用的适配层。

结合WPAN和IPv6

包括Zigbee和Wireless HART在内的一些其他智能家居标准建立在IEEE 802.15.4标准上，Thread技术也是如此，这有助于支持其低功耗性能。自2003年以来，电机电子工程师协会(IEEE)开发并维护了这个实体层(PHY)和媒体访问层(MAC)标准。它是设计用于低功耗及低传输率的无线个人区域网络(WPAN)，允许最高达250kbit/s的数据传输，但可以透过降低速率以降低功耗。其有效距离约为10公尺。

低功率无线区域网络(IPv6 over low power WPAN, 6LoWPAN)的适配层不仅桥接了IEEE 802.15.4 PHY和MAC(主要用于家庭网络中轻量级封包传输)，也桥接了Thread上层和应用(用于处理较大封包和IPv6协定的IP位址表头)。请见图1。

透过支持网络协定(IP)，Thread设备可以和其他IP位址设备利用IoT进行通信，而不需要依赖昂贵和复杂的闸道器。Thread网络使用相对便宜的「边界路由器」(border router)来代替复杂的闸道器设备，从而可适切地将短距的WPAN信号连接到互联网。IP的支持同时也意味着Thread设备能利用已经用于其他IPv6设备之既有的、经验证的安全性和传输协定。

Thread网络

Thread的第二项优势在于其采用Mesh的网络连接方式来支持高达250个设备。在单一节点失效时，Mesh网络能可重新路由数据封包来达到自我修复，以冗余方式提供保护。网状拓朴还支持可扩充性，能简单地增加更多节点，以扩充网络的覆盖范围。

然而，并不是所有Thread设备都能够作为Mesh节点来运行。终端设备，例如智能家居的恒温器，只能透过亲节点(parent)的路由器传输数据并检查信息。这样的传感器大部分时间都处于睡眠模式，并且透过限制终端设备的网络功能和工作周期，从而提高效率(和电池寿命)。

路由器透过网络流量和促进新设备的指派，在Thread的Mesh连网中扮演了重要的角色。新的设备需要用户透过智能手机或平板电脑来进行安全验证，然而这种验证只需要几个步骤。建构网络的第一个设备被指定为主导路由器(lead router)，并代表网络做决定。网络中的其他设备则是可以担任「符合路由器条件的设备」(Router Eligible)或终端设备；如果有需要，「符合路由器条件的设备」也可以担任路由器。与终端设备不同，路由器并不设有睡眠功能，因此毋可避免地会使用更多的电池电量。

图2：Thread采用Mesh网络结构，由路由器设备和终端设备组成(例如恒温器、安保摄像头等)

边界路由器(Border Router)可作为Thread网络和外部网络之间的桥梁(在多数情况下为互联网)。Border Router可以是特定的Thread闸道器设备，或者可以是可和别的协定进行通信的其他设备，例如具有内建Thread功能的家庭Wi-Fi闸道器。如果网络中的一个Border Router发生故障，另一个则可以进行接管(见图2)。

采用Thread技术的产品

家居自动化公司Nest在去年发布了一个名为「OpenThread」的Thread开放原始码软件。该连网协定可以用于GitHub平台，而且可在多平台上支持和无线通信抽象层无关的操作系统和平台。此举是为了让更多开发人员可采用Thread技术，以鼓励他们将该协定集成到新产品中。但是，公司必须加入Thread群组才能获得使用这个协定的知识产权。产品还必须能经过该组织的批准，才得以标示为「Thread认可」(Thread-certified)的认证产品。

Thread正和无线芯片供应商一起成长。例如，Nordic Semiconductor公司是低功耗蓝牙、ANT+和2.4GHz专有解决方案的既有供应商，在其nRF52840系统单芯片上添加了对IEEE 802.15.4 PHY和MAC的支持。对希望在Thread设备上采用nRF52840系统单芯片的802.15.4功能的开发人员，Nordic提供采用OpenThread的软件开发工具包，可帮助他们进行产品开发。

由于Thread在智能家居领域中具有关键优势，而且基于IEEE 802.15.4的产品在软件升级方面相对简单，从而促使了这些产品采用Thread协定，而OpenThread的推出可保证快速实现Thread技术的采用。当Thread流行后，像智能恒温器这样的家庭自动化设备，将可真正成为物联网组成的一部分。