文章分享:Thread網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使得智能家居應(yīng)用如虎添翼

Sally Ward-Foxton在本文闡明了隨著連網(wǎng)家居的發(fā)展步伐加快，我們需要專門的開放標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)定。

作者：重點(diǎn)研究電子產(chǎn)品的自由記者Sally Ward-Foxton

出處：ULP Wireless Q

隨著更多用于家庭自動(dòng)化應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)，有效和高效的互用性變得越來越重要。今日的許多商用通信協(xié)定是專有的，意味著只有來自同一供應(yīng)商的設(shè)備才具有互用性。更糟糕的是，專有協(xié)定的配置是棘手復(fù)雜的，不但效率降低，而且安全性未達(dá)到應(yīng)有的強(qiáng)度。許多專有系統(tǒng)利用單一節(jié)點(diǎn)連上網(wǎng)絡(luò)，例如家居Wi-Fi路由器，這意味著如果路由器失效，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將完全癱瘓。

開放標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)定可解決專有協(xié)定的缺點(diǎn)，例如低功耗藍(lán)牙和Zigbee等既有技術(shù)非常受歡迎。此外，Thread技術(shù)亦開始受到智能家居傳感器制造商的廣泛注意。

Thread正逐漸受智能家居采用，它具備低功耗、易于使用且安全的優(yōu)勢(shì)。谷歌公司在2014年初收購(gòu)了提供智能家居用恒溫器的知名公司Nest。自此，谷歌就開始使用Nest提出的Thread協(xié)定作為其智能家居連線產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

谷歌接著設(shè)立了Thread群組(Thread Group)，成員包括三星、ARM和高通等公司，一起開發(fā)和維護(hù)Thread作為低功耗無線連線家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)用的開放標(biāo)準(zhǔn)。第一個(gè)Thread標(biāo)準(zhǔn)于2015年7月發(fā)布，具有可擴(kuò)充性和可靠性，以及智能手機(jī)級(jí)別的身分驗(yàn)證和AES加密安全功能。

圖1：Thread定義了傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層(包括IPv6和用戶數(shù)據(jù)協(xié)定(UDP))，以6LoWPAN為基礎(chǔ)形成IEEE802.15.4 PHY和MAC用的適配層。

結(jié)合WPAN和IPv6

包括Zigbee和Wireless HART在內(nèi)的一些其他智能家居標(biāo)準(zhǔn)建立在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)上，Thread技術(shù)也是如此，這有助于支持其低功耗性能。自2003年以來，電機(jī)電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)開發(fā)并維護(hù)了這個(gè)實(shí)體層(PHY)和媒體訪問層(MAC)標(biāo)準(zhǔn)。它是設(shè)計(jì)用于低功耗及低傳輸率的無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)，允許最高達(dá)250kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，但可以透過降低速率以降低功耗。其有效距離約為10公尺。

低功率無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(IPv6 over low power WPAN, 6LoWPAN)的適配層不僅橋接了IEEE 802.15.4 PHY和MAC(主要用于家庭網(wǎng)絡(luò)中輕量級(jí)封包傳輸)，也橋接了Thread上層和應(yīng)用(用于處理較大封包和IPv6協(xié)定的IP位址表頭)。請(qǐng)見圖1。

透過支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)定(IP)，Thread設(shè)備可以和其他IP位址設(shè)備利用IoT進(jìn)行通信，而不需要依賴昂貴和復(fù)雜的閘道器。Thread網(wǎng)絡(luò)使用相對(duì)便宜的「邊界路由器」(border router)來代替復(fù)雜的閘道器設(shè)備，從而可適切地將短距的WPAN信號(hào)連接到互聯(lián)網(wǎng)。IP的支持同時(shí)也意味著Thread設(shè)備能利用已經(jīng)用于其他IPv6設(shè)備之既有的、經(jīng)驗(yàn)證的安全性和傳輸協(xié)定。

Thread網(wǎng)絡(luò)

Thread的第二項(xiàng)優(yōu)勢(shì)在于其采用Mesh的網(wǎng)絡(luò)連接方式來支持高達(dá)250個(gè)設(shè)備。在單一節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，Mesh網(wǎng)絡(luò)能可重新路由數(shù)據(jù)封包來達(dá)到自我修復(fù)，以冗余方式提供保護(hù)。網(wǎng)狀拓樸還支持可擴(kuò)充性，能簡(jiǎn)單地增加更多節(jié)點(diǎn)，以擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

然而，并不是所有Thread設(shè)備都能夠作為Mesh節(jié)點(diǎn)來運(yùn)行。終端設(shè)備，例如智能家居的恒溫器，只能透過親節(jié)點(diǎn)(parent)的路由器傳輸數(shù)據(jù)并檢查信息。這樣的傳感器大部分時(shí)間都處于睡眠模式，并且透過限制終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能和工作周期，從而提高效率(和電池壽命)。

路由器透過網(wǎng)絡(luò)流量和促進(jìn)新設(shè)備的指派，在Thread的Mesh連網(wǎng)中扮演了重要的角色。新的設(shè)備需要用戶透過智能手機(jī)或平板電腦來進(jìn)行安全驗(yàn)證，然而這種驗(yàn)證只需要幾個(gè)步驟。建構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備被指定為主導(dǎo)路由器(lead router)，并代表網(wǎng)絡(luò)做決定。網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備則是可以擔(dān)任「符合路由器條件的設(shè)備」(Router Eligible)或終端設(shè)備；如果有需要，「符合路由器條件的設(shè)備」也可以擔(dān)任路由器。與終端設(shè)備不同，路由器并不設(shè)有睡眠功能，因此毋可避免地會(huì)使用更多的電池電量。

圖2：Thread采用Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由路由器設(shè)備和終端設(shè)備組成(例如恒溫器、安保攝像頭等)

邊界路由器(Border Router)可作為Thread網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁(在多數(shù)情況下為互聯(lián)網(wǎng))。Border Router可以是特定的Thread閘道器設(shè)備，或者可以是可和別的協(xié)定進(jìn)行通信的其他設(shè)備，例如具有內(nèi)建Thread功能的家庭Wi-Fi閘道器。如果網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)Border Router發(fā)生故障，另一個(gè)則可以進(jìn)行接管(見圖2)。

采用Thread技術(shù)的產(chǎn)品

家居自動(dòng)化公司Nest在去年發(fā)布了一個(gè)名為「OpenThread」的Thread開放原始碼軟件。該連網(wǎng)協(xié)定可以用于GitHub平臺(tái)，而且可在多平臺(tái)上支持和無線通信抽象層無關(guān)的操作系統(tǒng)和平臺(tái)。此舉是為了讓更多開發(fā)人員可采用Thread技術(shù)，以鼓勵(lì)他們將該協(xié)定集成到新產(chǎn)品中。但是，公司必須加入Thread群組才能獲得使用這個(gè)協(xié)定的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。產(chǎn)品還必須能經(jīng)過該組織的批準(zhǔn)，才得以標(biāo)示為「Thread認(rèn)可」(Thread-certified)的認(rèn)證產(chǎn)品。

Thread正和無線芯片供應(yīng)商一起成長(zhǎng)。例如，Nordic Semiconductor公司是低功耗藍(lán)牙、ANT+和2.4GHz專有解決方案的既有供應(yīng)商，在其nRF52840系統(tǒng)單芯片上添加了對(duì)IEEE 802.15.4 PHY和MAC的支持。對(duì)希望在Thread設(shè)備上采用nRF52840系統(tǒng)單芯片的802.15.4功能的開發(fā)人員，Nordic提供采用OpenThread的軟件開發(fā)工具包，可幫助他們進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。

由于Thread在智能家居領(lǐng)域中具有關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，而且基于IEEE 802.15.4的產(chǎn)品在軟件升級(jí)方面相對(duì)簡(jiǎn)單，從而促使了這些產(chǎn)品采用Thread協(xié)定，而OpenThread的推出可保證快速實(shí)現(xiàn)Thread技術(shù)的采用。當(dāng)Thread流行后，像智能恒溫器這樣的家庭自動(dòng)化設(shè)備，將可真正成為物聯(lián)網(wǎng)組成的一部分。