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，它無關乎底層（物理層和MAC層），用它自己的話說，Thread采用了IEEE這個強大而成熟的標準做基礎，而不需要重新發(fā)明輪子。其次，它無關乎應用層，Thread是基于 IPv6 的網(wǎng)絡層解決方案。任何可以在 IPv6 上運行的低帶寬應用層都可以在 Thread 上運行，而且多個應用層可以共享同一個網(wǎng)絡。總的說來：

Thread 是一種低功耗無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡協(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準構建。

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

Thread 網(wǎng)絡沒有單點故障，在添加或移除設備時可自我修復和重新配置，而且設置和使用都很簡單。

Thread 基于廣泛支持的具有極低功耗和低延遲的IEEE 802.15.4無線標準。

02

Thread與IEEE802.15.4

我們曾在UWB的前世今生（一）中提到過IEEE 802.15.4的標準：2007年，UWB的新標準IEEE 802.15.4a出臺，4a標準是在原有的WPAN網(wǎng)絡IEEE 802.15.4標準的基礎上增加的。那么，802.15.4到底定義了什么呢？

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

二是針對超低復雜性、超低成本、超低功耗和低數(shù)據(jù)速率的廉價設備之間的無線連接，特別是針對物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的通信要求。

三是對于一些備用 PHY 還提供精確到1m的精密測距能力。

四是定義了多種物理層來支持各種頻段，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 的速率運行的物理和MAC層通信。

IEEE 802.15.4 被用作 Thread 規(guī)范的基礎，在鏈路層為單個 Thread 設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-碰撞避免（Carrier Sense Multiple Access – Collision Avoidance：CSMA-CA）機制，允許多個Thread設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 采用鏈路層確認和重試，實現(xiàn)了單個信息的可靠傳輸。

此外，還提供加密、驗證和重放保護，以確保通信安全。

對于低功耗設備，定義了可以從始終在線的節(jié)點提取緩沖信息的機制。

Thread 使用的 IEEE 802.15.4 MAC層信息包括：64 位擴展地址；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)送或接收時丟棄的數(shù)據(jù)包；安全錯誤；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。我們來看下面這張圖是一個Thread在企業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境中應用的例子：

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

所以Thread的規(guī)范架構也可以這樣來畫：

04

Thread設備類型

Thread的規(guī)范中定義了哪些設備類型呢？總的來說包括Full Thread Device（FTD）和Minimal Thread Device（MTD）兩大類。FTD是在Thread網(wǎng)絡中扮演角色最為多樣化的一種設備類型，包括上面提到的邊界路由器。而MTD 對設備硬件（如內(nèi)存大?。┖凸牡囊笞畹汀?/p>

1. FTD又進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)絡的設備提供加入和安全服務。而且路由FTD可以降低功能等級，成為 REED（Router-eligible End Devices：符合路由器條件的終端設備）。而領導者（Leader）FTD是Thread網(wǎng)絡中一個路由器的附加角色。一個領導者由路由器選舉產(chǎn)生，負責在Thread網(wǎng)絡中做出某些決定，如允許 REED 升級為路由器。如果Thread網(wǎng)絡的 "領導者 "失效，將動態(tài)選擇另一個路由器來恢復這一角色。所有路由器都擁有所需的Thread網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，可以無縫地擔任這一角色。

Border Router：邊界路由器，也是一種FTD。是Thread網(wǎng)絡的一個關鍵角色，負責將Threadmesh網(wǎng)絡的流量路由到互聯(lián)網(wǎng)。它提供從Thread網(wǎng)絡到其他物理層上的相鄰網(wǎng)絡（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)絡內(nèi)的設備提供服務，包括網(wǎng)絡外操作的路由服務。一個Thread網(wǎng)絡中可能有多個邊界路由器。任何Full Thread Device（FTD） 都能提供邊界路由器服務，即使該設備在 Thread 網(wǎng)絡中不充當路由器也是如此。

非路由FTD：包括REED和FED。REED 有能力成為路由器，但由于網(wǎng)絡拓撲結構或條件的原因，并沒有充當路由器。Full End Device：（全終端設備：FED）是與 REED 類似的終端設備，但它們不具備成為路由器的能力，因此永遠不會成為路由FTD或領導者。

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

最小終端設備（MED）：只能通過Parent 路由器進行通信，不能為其他設備轉發(fā)信息。即使在空閑時，MED 也會打開radio。

休眠終端設備 (SED) ：只能通過Parent路由器通信，不能為其他設備轉發(fā)信息。SED 在空閑期間關閉radio，并定期喚醒以與其Parent設備通信。

同步休眠終端設備（SSED）：只能通過Parent路由器通信，不能為其他設備轉發(fā)信息。SSED 在閑置期間關閉radio，并定期喚醒，按預定時間間隔監(jiān)聽Parent設備的信息。

05

Thread與IPv6

前面已經(jīng)說了，Thread是基于 IPv6 的網(wǎng)絡層解決方案。Thread Network 中的設備支持 [RFC4291：https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc4291.html] 中指定的 IPv6 尋址架構。如下表所示，Thread Network 默認為每個設備自動配置特定的 IPv6 地址。每個 Thread 設備還可根據(jù)應用需要配置其他地址。

例如在一個智能大廈中，采用Thread網(wǎng)絡，由于Thread完全基于 IPv6，它不僅可以利用廣泛認可的網(wǎng)絡安全機制，還可以無縫集成到現(xiàn)有的樓宇網(wǎng)絡基礎設施中。傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)通常將每個應用都孤立在不同的網(wǎng)絡中，與此相反，多個基于不同標準的應用都可以通過 IPv6 實現(xiàn)無縫集成。

此外，Thread 設備使用 [RFC 4944] 和 [RFC 6282] 中定義的 6LoWPAN 標準，通過 IEEE802.15.4 網(wǎng)絡傳輸 IPv6 數(shù)據(jù)包。

什么是6LoWPAN？

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

6LoWPAN這個工作組已完成兩份 RFC："IPv6 over Low-Power 無線個人局域網(wǎng) (6LoWPAN)和"通過IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡傳輸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)絡內(nèi)使用報頭壓縮，傳輸信息的設備盡可能壓縮 IPv6 報頭，以盡量減小傳輸數(shù)據(jù)包的大小。

審核編輯：劉清