Thread網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的性能、可擴(kuò)展性和可靠性

Thread使用經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)和IPv6技術(shù)，以6LoWPAN為基礎(chǔ)，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員提供了優(yōu)于現(xiàn)有無(wú)線協(xié)議的許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。Internet運(yùn)行在 IP 之上。IP 技術(shù)使手機(jī)、路由器以及全球各地的設(shè)備相互通信，與具體的接入鏈路無(wú)關(guān)。 Thread為智能家居中的低功耗無(wú)線設(shè)備提供IP接入，使其更容易與家庭中的其它IP設(shè)備（如智能手機(jī)，平板電腦和計(jì)算機(jī)等）進(jìn)行通信，以創(chuàng)建和控制Thread網(wǎng)絡(luò)。

在此過(guò)程中，Thread設(shè)備不需要專有網(wǎng)關(guān)或轉(zhuǎn)換器，就可以直接連接到與其互操作的其它設(shè)備。這減少了對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的需求和投資，潛在的故障點(diǎn)和維護(hù)負(fù)擔(dān)。它還使依賴任何額外的Thread產(chǎn)品更容易連接到手機(jī)和平板電腦等個(gè)人設(shè)備。 因?yàn)樵谕粋€(gè)IP網(wǎng)絡(luò)中，Thread設(shè)備間不需要借助手機(jī)即可相互通信。使用其它技術(shù)的設(shè)備可以通過(guò)集線器或網(wǎng)關(guān)與Thread設(shè)備進(jìn)行交互。

Thread與其它IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，可以無(wú)縫連接眾多供應(yīng)商的各種基于IP協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，與各種云服務(wù)通信，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用層，如Matter，LWM2M，OCF或Weave。

測(cè)試目標(biāo)與方法

本文對(duì)用于評(píng)估Thread網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的性能、可擴(kuò)展性和可靠性的一系列測(cè)試進(jìn)行了介紹。除對(duì)Thread消息延遲和可靠性進(jìn)行介紹外，還對(duì)測(cè)試條件和基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了介紹。本測(cè)試是在測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中真實(shí)的無(wú)線設(shè)備上進(jìn)行的，并非模擬環(huán)境。

進(jìn)行本測(cè)試是為了對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，以便更好地理解其用法并推而廣之。不同的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的要求不同。因此，沒(méi)有哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠滿足所有的網(wǎng)絡(luò)要求。然而，本文對(duì)比了三種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，人們熱衷于將這些技術(shù)應(yīng)用于低功耗和電池供電的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，以對(duì)家庭和商業(yè)建筑進(jìn)行監(jiān)控。

在分析網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)時(shí)，通常會(huì)考慮可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行哪些改進(jìn)，從而提高性能。由于有關(guān)當(dāng)今大型網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)性能的公開(kāi)數(shù)據(jù)有限，因此很難在行業(yè)層面上就可能的改進(jìn)或變化進(jìn)行討論。舉例來(lái)說(shuō)，在商業(yè)建筑中，以下問(wèn)題令人關(guān)切：

其他網(wǎng)絡(luò)流量，因?yàn)榭赡苡性S多相互干擾的子網(wǎng)。

來(lái)自常規(guī)建筑的Wi-Fi 基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線干擾，因?yàn)檫@些技術(shù)通常在2.4GHz ISM頻段運(yùn)行。

網(wǎng)絡(luò)吞吐量和延遲以及大型網(wǎng)絡(luò)多播延遲和可靠性，因?yàn)槎嗖ネǔＳ糜诿芗k公環(huán)境中的照明控制，并且系統(tǒng)用戶期望照明控制可以快速響應(yīng)。

注：本文測(cè)試結(jié)果僅限于在正常運(yùn)行條件下或在特定測(cè)試中注明的壓力條件下對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行比較。本文并未明確解決系統(tǒng)干擾或其他類似的干擾的最終方案，盡管這些干擾已在其他已公布的測(cè)試結(jié)果中得以解決。但是，測(cè)試是在Silicon Labs的研發(fā)辦公場(chǎng)所中完成的，其RF 范圍內(nèi)有100多個(gè)Wi-Fi接入點(diǎn)。此外，該場(chǎng)所還配置了300節(jié)點(diǎn)的Zigbee照明網(wǎng)絡(luò)，用于正常照明控制。

Thread測(cè)試網(wǎng)絡(luò)及環(huán)境

為了最大限度地降低不確定性，設(shè)備測(cè)試也會(huì)在固定拓?fù)渲羞M(jìn)行，射頻路徑通過(guò)分路器和衰減器連接在一起，以確保拓?fù)洳粫?huì)隨著時(shí)間和測(cè)試而改變。此方法用于7跳測(cè)試以確保網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。MAC地址過(guò)濾也可以用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

典型的有線測(cè)試配置如下圖所示：

圖1. 抽屜內(nèi)有線RF設(shè)備（帶有分路器和同軸電纜連接）

大型網(wǎng)絡(luò)測(cè)試最好在開(kāi)放環(huán)境中進(jìn)行，因?yàn)樵谶@樣的環(huán)境中，設(shè)備行為基于現(xiàn)有的RF條件和不斷變化的RF條件。Silicon Labs的研發(fā)場(chǎng)所被用作這種開(kāi)放環(huán)境的測(cè)試，Silicon Labs的研發(fā)場(chǎng)所包括：帶電梯井的中央核心區(qū)、大樓西端帶有開(kāi)放樓層的其他服務(wù)區(qū)、以及東端的辦公室和會(huì)議室。整個(gè)研發(fā)場(chǎng)所寬約120英尺，長(zhǎng)約200英尺。研發(fā)場(chǎng)所布局請(qǐng)見(jiàn)下圖。較暗的線條為實(shí)墻，其余則為隔間分區(qū)。

圖2. 用于無(wú)線測(cè)試的Silicon Labs研發(fā)場(chǎng)所布局測(cè)試設(shè)備安裝在研發(fā)場(chǎng)所周圍的不同位置。這些設(shè)備都具有以太網(wǎng)通道連接，以實(shí)現(xiàn)以下功能：

固件更新

命令行接口

腳本運(yùn)行

時(shí)序分析

數(shù)據(jù)包捕獲

能耗測(cè)量

下圖中的測(cè)試簇包括以下內(nèi)容：

六個(gè)EFR32MGxx設(shè)備

多頻段支持，以測(cè)試2.4 GHz（PCB天線）和私有sub-GHz協(xié)議（外部天線）

USB電源和以太網(wǎng)連接

圖3. 典型的測(cè)試簇測(cè)試簇分布在整個(gè)場(chǎng)所的不同位置、開(kāi)放區(qū)域以及封閉的會(huì)議室和辦公室。

圖4. Silicon Labs研發(fā)場(chǎng)所中的測(cè)試簇此測(cè)試網(wǎng)絡(luò)可定期添加或刪除設(shè)備，但在開(kāi)展本測(cè)試時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)包含以下設(shè)備：

EM35xx設(shè)備

EFR32MGxx 設(shè)備

這些用于開(kāi)放環(huán)境下測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也同樣被網(wǎng)絡(luò)和軟件質(zhì)量保證團(tuán)隊(duì)使用。所有設(shè)備都由中央測(cè)試服務(wù)器和基礎(chǔ)設(shè)施控制，允許工程師進(jìn)行腳本回歸測(cè)試或手動(dòng)測(cè)試。

吞吐量及延遲測(cè)試

吞吐量和延遲的測(cè)試在受控網(wǎng)絡(luò)（有線配置）內(nèi)進(jìn)行，以測(cè)試不同包負(fù)載下的每一跳。

配置通常能測(cè)試到7跳。測(cè)試是通過(guò)一個(gè)源節(jié)點(diǎn)和一系列目的節(jié)點(diǎn)來(lái)完成的，并允許改變跳數(shù)。

本測(cè)試通過(guò)以下配置完成：

帶有確認(rèn)的CoAP可確認(rèn)型消息

包負(fù)載從10字節(jié)到最多300字節(jié)不等，以10字節(jié)為增量進(jìn)行延遲測(cè)試

使用Leader作為源節(jié)點(diǎn)，從1到7跳

僅傳輸1個(gè)包

考慮ack時(shí)序后，應(yīng)盡可能快的發(fā)送

以毫秒為單位測(cè)量往返延遲（源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)再返回到源節(jié)點(diǎn)）

對(duì)于每一個(gè)不同的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)而言，隨著包負(fù)載的不斷增大（如前所述），會(huì)產(chǎn)生不同的包分片。能否使用更大的包負(fù)載長(zhǎng)度取決于應(yīng)用層，但這里提供了比較數(shù)據(jù)以說(shuō)明產(chǎn)生包分片時(shí)的相對(duì)性能。

Thread多跳延遲

Thread延遲測(cè)量采用給定負(fù)載大小的CoAP消息的往返時(shí)間。

圖5. Thread EFR32–CoAp平均往返延遲時(shí)間在該多跳延遲測(cè)試中，以下幾點(diǎn)值得注意。

在1跳、包負(fù)載最大300字節(jié)條件下，Thread的往返延遲維持在50毫秒以下，表現(xiàn)出色。

即便在最大7跳、負(fù)載為300字節(jié)條件下，EFR32的往返延遲也小于200毫秒。

對(duì)于負(fù)載在單個(gè)包（50-60字節(jié)）內(nèi)的大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，Thread可以維持在最大7跳的100毫秒以內(nèi)往返延遲。

Thread網(wǎng)絡(luò)測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模

為了在盡可能少的受控條件下驗(yàn)證協(xié)議棧性能，需要采用更大的開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)測(cè)試環(huán)境。這些網(wǎng)絡(luò)被部署在Silicon Labs的普通辦公場(chǎng)所內(nèi)，這些辦公場(chǎng)所有常見(jiàn)的Wi-Fi干擾、其他運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)、樓宇控制系統(tǒng)。測(cè)試不會(huì)嘗試屏蔽這些網(wǎng)絡(luò)RF干擾。

用于測(cè)試每個(gè)協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)如下：

小型網(wǎng)絡(luò)：24臺(tái)設(shè)備

中型網(wǎng)絡(luò)：1–48臺(tái)設(shè)備

中型網(wǎng)絡(luò)：2–96臺(tái)設(shè)備

大型網(wǎng)絡(luò)：1–144臺(tái)設(shè)備

大型網(wǎng)絡(luò)：2–192臺(tái)設(shè)備

注：對(duì)于以上任意一種測(cè)試來(lái)說(shuō)，針對(duì)某組指定的測(cè)試，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中具體的設(shè)備數(shù)量可接受的浮動(dòng)范圍為+/-10%。大型網(wǎng)絡(luò)中的測(cè)試是在設(shè)備的SoC模式下完成的。

這些網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都是墻電供電設(shè)備，特別針對(duì)休眠終端設(shè)備的測(cè)試除外。

對(duì)于這些網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試將驗(yàn)證一組通信條件下的可靠性和延遲。測(cè)試的目的是對(duì)100多條消息進(jìn)行測(cè)試，但為了可靠性，也會(huì)使用10，000條消息進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試。測(cè)試中會(huì)使用相同的設(shè)備，以保持不同測(cè)試下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜兔芏仁窍嗨频摹?shí)際的空中條件會(huì)有所不同，這在這些測(cè)試中無(wú)法控制。

Thread大網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果

Thread測(cè)試是使用最新版本的Silicon Labs Thread協(xié)議棧完成的。

下圖說(shuō)明了Thread網(wǎng)絡(luò)的多播行為。Thread網(wǎng)絡(luò)將路由器的數(shù)量限制在32個(gè)（含）以內(nèi)，而且隨著網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)或條件變化，作為活動(dòng)路由器的設(shè)備也會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生變化。非活動(dòng)路由器的設(shè)備也被稱為具有路由器資格的終端設(shè)備（REED），這些設(shè)備作為RF常開(kāi)子設(shè)備。初始設(shè)備發(fā)送廣播，RF范圍內(nèi)的所有路由器以及以該初始設(shè)備作為父設(shè)備的任何REED設(shè)備都可以聽(tīng)到該廣播。Thread規(guī)范要求REED與單個(gè)主要父設(shè)備同步，但同時(shí)也要至少與三個(gè)其他父設(shè)備同步以提高多播可靠性。

Thread設(shè)備采用32-64毫秒的多播退避機(jī)制，之后設(shè)備才會(huì)中繼多播。

圖6. Thread多播時(shí)序-EFR32 5字節(jié)負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模

圖7. Thread多播時(shí)序-EFR32 25字節(jié)負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模

圖8. Thread多播時(shí)序-EFR32 50字節(jié)負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模測(cè)試結(jié)果如下：

不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的Thread網(wǎng)絡(luò)行為是非常一致的，延遲隨著包大小的增加而增加。

Thread延遲不會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大而延長(zhǎng)，這是因?yàn)槁酚善鬏^少，因而網(wǎng)絡(luò)中較少出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象。

Thread在多播性能方面通常比Zigbee快一些，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時(shí)速度更快。

這些測(cè)試均證明了100%的可靠性，但以下更大規(guī)模的測(cè)試則說(shuō)明了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

以3秒的間隔進(jìn)行測(cè)試，以與上面的Zigbee結(jié)果一致。Thread上較短的時(shí)間間隔不能顯示出性能差異，因此有必要運(yùn)行下文提及的可靠性擴(kuò)展測(cè)試，采用0.5秒廣播間隔，以顯示測(cè)試結(jié)果。

總結(jié)

Thread具有出色的可靠性和延遲，比通常200毫米的人機(jī)交互時(shí)間還短。即使在多播、大型網(wǎng)絡(luò)條件下，Thread網(wǎng)絡(luò)也能在0.5秒內(nèi)完成流量處理并確保延遲和可靠性。即使網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大，Thread的網(wǎng)絡(luò)行為也幾乎沒(méi)有什么變化，這歸功于網(wǎng)絡(luò)層對(duì)于路由器的靈活配置。在某種程度上這是預(yù)期的，這是因?yàn)門hread設(shè)備采用了更新的架構(gòu)，可以以更高的時(shí)鐘速度運(yùn)行，而且有更多的RAM用于包處理。隨著包負(fù)載的增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)延遲也會(huì)增加，但在5、25和50字節(jié)的負(fù)載測(cè)試中這種影響卻很小?！　?/p>