01

Thread規(guī)范概況

看了下面這張圖，便可大概了解Thread是干什么的。圖中橙色區(qū)域的部分便是Thread所涉及的內(nèi)容：

首先，它無(wú)關(guān)乎底層（物理層和MAC層），用它自己的話說(shuō)，Thread采用了IEEE這個(gè)強(qiáng)大而成熟的標(biāo)準(zhǔn)做基礎(chǔ)，而不需要重新發(fā)明輪子。其次，它無(wú)關(guān)乎應(yīng)用層，Thread是基于 IPv6 的網(wǎng)絡(luò)層解決方案。任何可以在 IPv6 上運(yùn)行的低帶寬應(yīng)用層都可以在 Thread 上運(yùn)行，而且多個(gè)應(yīng)用層可以共享同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。總的說(shuō)來(lái)：

Thread 是一種低功耗無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，基于普遍支持的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP)，采用開放和成熟的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建。

Thread 可實(shí)現(xiàn)設(shè)備到設(shè)備和設(shè)備到云的通信，可靠地連接數(shù)百（或數(shù)千）種產(chǎn)品，并包含強(qiáng)制實(shí)施的安全功能。

Thread 網(wǎng)絡(luò)沒有單點(diǎn)故障，在添加或移除設(shè)備時(shí)可自我修復(fù)和重新配置，而且設(shè)置和使用都很簡(jiǎn)單。

Thread 基于廣泛支持的具有極低功耗和低延遲的IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。

02

Thread與IEEE802.15.4

我們?cè)赨WB的前世今生（一）中提到過(guò)IEEE 802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)：2007年，UWB的新標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4a出臺(tái)，4a標(biāo)準(zhǔn)是在原有的WPAN網(wǎng)絡(luò)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加的。那么，802.15.4到底定義了什么呢？

一是用于與固定、便攜和移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行低數(shù)據(jù)速率無(wú)線連接，且不需要電池或電池消耗非常有限的物理層（PHY）和媒體訪問(wèn)控制（MAC）層規(guī)范；

二是針對(duì)超低復(fù)雜性、超低成本、超低功耗和低數(shù)據(jù)速率的廉價(jià)設(shè)備之間的無(wú)線連接，特別是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的通信要求。

三是對(duì)于一些備用 PHY 還提供精確到1m的精密測(cè)距能力。

四是定義了多種物理層來(lái)支持各種頻段，如下圖所示：從100多MHz一直到10多GHz。

然而Thread規(guī)范使用的是IEEE 802.15.4 在2.4 GHz 頻段以 250 kbps 的速率運(yùn)行的物理和MAC層通信。

IEEE 802.15.4 被用作 Thread 規(guī)范的基礎(chǔ)，在鏈路層為單個(gè) Thread 設(shè)備之間提供可靠的信息傳輸。

IEEE 802.15.4 提供載波偵聽多路訪問(wèn)-碰撞避免（Carrier Sense Multiple Access – Collision Avoidance：CSMA-CA）機(jī)制，允許多個(gè)Thread設(shè)備在傳輸前等待暢通信道，從而利用共享的 2.4GHz 帶寬。

IEEE 802.15.4 采用鏈路層確認(rèn)和重試，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)信息的可靠傳輸。

此外，還提供加密、驗(yàn)證和重放保護(hù)，以確保通信安全。

對(duì)于低功耗設(shè)備，定義了可以從始終在線的節(jié)點(diǎn)提取緩沖信息的機(jī)制。

Thread 使用的 IEEE 802.15.4 MAC層信息包括：64 位擴(kuò)展地址；16 位短地址；能力信息；PAN ID；發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包；發(fā)送或接收時(shí)丟棄的數(shù)據(jù)包；安全錯(cuò)誤；MAC 重試次數(shù)。

03

Thread可以與Wi-Fi、以太網(wǎng)等通信嗎？

答案是可以的。我們來(lái)看下面這張圖是一個(gè)Thread在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中應(yīng)用的例子：

橙色部分以下為Thread網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，橙色部分以上為傳統(tǒng)的企業(yè)設(shè)備，例如有Wi-Fi接入設(shè)備，有以太網(wǎng)接入設(shè)備，等等。很顯然，Thread網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間可以互聯(lián)互通，并且通過(guò)橙色實(shí)心圓代表的Border Router：邊界路由器，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與Thread的通信。在下圖的家庭網(wǎng)絡(luò)中亦是如此。

所以Thread的規(guī)范架構(gòu)也可以這樣來(lái)畫：

04

Thread設(shè)備類型

Thread的規(guī)范中定義了哪些設(shè)備類型呢？總的來(lái)說(shuō)包括Full Thread Device（FTD）和Minimal Thread Device（MTD）兩大類。FTD是在Thread網(wǎng)絡(luò)中扮演角色最為多樣化的一種設(shè)備類型，包括上面提到的邊界路由器。而MTD 對(duì)設(shè)備硬件（如內(nèi)存大小）和功耗的要求最低。

1. FTD又進(jìn)一步分為路由功能的FTD和非路由FTD。

路由FTD：路由FTD為試圖加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備提供加入和安全服務(wù)。而且路由FTD可以降低功能等級(jí)，成為 REED（Router-eligible End Devices：符合路由器條件的終端設(shè)備）。而領(lǐng)導(dǎo)者（Leader）FTD是Thread網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)路由器的附加角色。一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者由路由器選舉產(chǎn)生，負(fù)責(zé)在Thread網(wǎng)絡(luò)中做出某些決定，如允許 REED 升級(jí)為路由器。如果Thread網(wǎng)絡(luò)的 "領(lǐng)導(dǎo)者 "失效，將動(dòng)態(tài)選擇另一個(gè)路由器來(lái)恢復(fù)這一角色。所有路由器都擁有所需的Thread網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，可以無(wú)縫地?fù)?dān)任這一角色。

Border Router：邊界路由器，也是一種FTD。是Thread網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵角色，負(fù)責(zé)將Threadmesh網(wǎng)絡(luò)的流量路由到互聯(lián)網(wǎng)。它提供從Thread網(wǎng)絡(luò)到其他物理層上的相鄰網(wǎng)絡(luò)（如 Wi-Fi 或以太網(wǎng)）的連接。除此之外，邊界路由器還為Thread網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備提供服務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)外操作的路由服務(wù)。一個(gè)Thread網(wǎng)絡(luò)中可能有多個(gè)邊界路由器。任何Full Thread Device（FTD） 都能提供邊界路由器服務(wù)，即使該設(shè)備在 Thread 網(wǎng)絡(luò)中不充當(dāng)路由器也是如此。

非路由FTD：包括REED和FED。REED 有能力成為路由器，但由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或條件的原因，并沒有充當(dāng)路由器。Full End Device：（全終端設(shè)備：FED）是與 REED 類似的終端設(shè)備，但它們不具備成為路由器的能力，因此永遠(yuǎn)不會(huì)成為路由FTD或領(lǐng)導(dǎo)者。

2.MTD又分為最小終端設(shè)備（Minimal End Devices：MED）、休眠終端設(shè)備(Sleepy End Device：SED)和同步休眠終端設(shè)備（Synchronized Sleepy End Device：SSED）

最小終端設(shè)備（MED）：只能通過(guò)Parent 路由器進(jìn)行通信，不能為其他設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)信息。即使在空閑時(shí)，MED 也會(huì)打開radio。

休眠終端設(shè)備 (SED) ：只能通過(guò)Parent路由器通信，不能為其他設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)信息。SED 在空閑期間關(guān)閉radio，并定期喚醒以與其Parent設(shè)備通信。

同步休眠終端設(shè)備（SSED）：只能通過(guò)Parent路由器通信，不能為其他設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)信息。SSED 在閑置期間關(guān)閉radio，并定期喚醒，按預(yù)定時(shí)間間隔監(jiān)聽Parent設(shè)備的信息。

05

Thread與IPv6

前面已經(jīng)說(shuō)了，Thread是基于 IPv6 的網(wǎng)絡(luò)層解決方案。Thread Network 中的設(shè)備支持 [RFC4291：https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc4291.html] 中指定的 IPv6 尋址架構(gòu)。如下表所示，Thread Network 默認(rèn)為每個(gè)設(shè)備自動(dòng)配置特定的 IPv6 地址。每個(gè) Thread 設(shè)備還可根據(jù)應(yīng)用需要配置其他地址。

例如在一個(gè)智能大廈中，采用Thread網(wǎng)絡(luò)，由于Thread完全基于 IPv6，它不僅可以利用廣泛認(rèn)可的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，還可以無(wú)縫集成到現(xiàn)有的樓宇網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中。傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)通常將每個(gè)應(yīng)用都孤立在不同的網(wǎng)絡(luò)中，與此相反，多個(gè)基于不同標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用都可以通過(guò) IPv6 實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成。

此外，Thread 設(shè)備使用 [RFC 4944] 和 [RFC 6282] 中定義的 6LoWPAN 標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò) IEEE802.15.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸 IPv6 數(shù)據(jù)包。

什么是6LoWPAN？

6LoWPAN：IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks；

6LoWPAN這個(gè)工作組已完成兩份 RFC："IPv6 over Low-Power 無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng) (6LoWPAN)和"通過(guò)IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸IPv6 數(shù)據(jù)包"（RFC4949）。該文件定義了 IPv6 與 802.15.4 之間的適配格式。Thread網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用報(bào)頭壓縮，傳輸信息的設(shè)備盡可能壓縮 IPv6 報(bào)頭，以盡量減小傳輸數(shù)據(jù)包的大小。

審核編輯：劉清