【技术】一文读懂Thread技术的起源、原理及发展

什么是Thread？

Thread是为因应构建智能家居和楼宇自动化网络出现的新需求，推出的一种安全的无线网状网络协议。它以6LoWPAN为基础，充分利用了开放标准和IPv6技术。与其它无线标准相比，它具有诸多技术优势：安全可靠，无单点故障，连接简单，功耗低等。产品开发人员和消费者可以轻松地通过Thread安全地将250多个设备组成一个低功耗无线网状网络(mesh)，而且该网络中的每个设备都可以连接Internet，访问云服务。Thread协议栈是建立在电气和电子工程师协会(IEEE)和互联网工程任务组(IETF)现有的一系列标准之上的开放标准，而并非全新的标准(见下图)。

图 1 Thread协议栈概览

Thread的由来？

比较常用的网络协议有Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、Z-Wave，不过都有不足：

Wi-Fi的功耗比较大，适合传输大量的数据；

蓝牙功耗比较低，但还存在蓝牙2.0与蓝牙4.0并存的混乱局面，且不支持IPv6；

ZigBee技术比较复杂，研发成本高；

Z-Wave由丹麦公司Zensys主导，暂时还没有ZigBee联盟强大。

Google旗下Nest Labs于2014年7月提出的家庭物联网通讯协定技术Thread，其后谷歌联合三星、Nest、ARM、Big Ass Fans、飞思卡尔和Silicon Labs公司将其推广应用。综合而言，Thread与苹果Homekit和高通的开源框架AllJoyn一样，是一种顶层协议。Thread通过6LoWPAN技术支持IPv6，是一种基于IP的无线网络协议，用来连接家居智能产品和楼宇自动化网络产品。它可以支持250个以上设备同时联网，能够覆盖所有照明、开关、暖通空调、传感器和各种楼宇自动化智能设备。由于其对通信功耗做了很好的优化，可以支持设备实现超低能耗，设备可以通过电池实现续航数年。此外，由于Thread是基于ZigBee协议的，原有的ZigBee设备只需更新固件即可兼容Thread。

Thread的特点

Thread协议栈支持IPv6地址，能够实现与其它IP网络的低成本桥接，是低功耗/电池供电操作、无线设备间通信的最佳选择。Thread协议栈专为基于IP网络的智能家居和楼宇自动化应用而设计，它可以支持各种应用层协议和应用。

Thread协议栈的特点如下：

1.网络安装、启动和操作均简单方便：

可通过智能手机、平板电脑或计算机进行安装，产品安装码可确保只有授权设备才能加入网络。当路由出现问题时，构建和加入网络的简单协议支持系统自行配置并修复这些问题。

2.Thread协议栈支持多种网络拓扑。

3.安全性：

除非得到授权否则设备不能加入网络，并且所有通信都经过加密和保护。这种安全保护可用于网络层，也可用于应用层。所有Thread网络都通过身份验证方案和高级加密标准(AES)进行加密。Thread网络的安全性比Thread Group评估过的其它无线网络安全性更高。

4.可兼顾各种规模的家庭网络需求：

不同网络的设备在数量上存在很大差异，少则几个，多则数百个。网络层设计旨在根据预期用途对网络运行进行优化。

5.适用于大型商业网络：

对于大型商业网络来说，单个Thread网络不足以满足所有应用、系统和网络的要求。Thread域模型允许在单个部署中扩展到多达10,000个Thread设备。这是通过综合使用不同的连接技术(Thread、以太网、Wi-Fi等)来实现的。

6.双向通信服务发现和连接：

组播和广播对于无线网状网络来说效率较低。针对与网状网络外的通信，Thread提供通信注册服务，设备可以对其是否可用以及是否可提供通信服务进行注册，而客户端可以使用单播查询来查找已注册的服务。

7.覆盖范围广：

典型Thread设备的覆盖范围通常足以满足普通家庭需要。而带有功率放大器的设计可以大幅提高覆盖范围。在物理层(PHY)采用分布式扩频技术，则可以更好地提升抗干扰能力。对于商业网络来说，Thread域模型允许多个Thread网络借助骨干网实现互联互通，因而可以扩展覆盖多个Mesh子网。

8.无单点故障设计：

Thread协议栈旨在使运行安全可靠，即使是在单个设备发生故障或缺失的情况下也能安全可靠运行。Thread设备还可以将基于IPv6的链路(例如Wi-Fi和以太网)纳入到拓扑中，以降低产生多个Thread分区的可能性。这样Thread既可以发挥这些基础设施链路吞吐量更高、信道容量更大和覆盖范围更广的优势，同时又能支持多种低功耗设备。

9.低功耗：

设备通信效率高，在正常电池使用条件下，设备的预期使用寿命可达数年，因此用户体验得以提升。采用合适的占空比，设备在使用AA型电池的情况下通常可运行数年。

10.性价比高：

来自多家供应商的兼容芯片组和软件协议栈的定价都符合大规模部署的要求，且其设计的初衷都是超低功耗。

Thread家用网络架构

用户通过其家用局域网(HAN)上的Wi-Fi或使用基于云的应用程序从个人终端设备(智能手机、平板电脑或计算机)与家用Thread网络进行通信。下图对Thread网络架构中的主要设备类型进行了说明。

图 2 Thread家用网络架构

Thread网络包含以下设备类型：

边界路由器：支持802.15.4网络与相邻的其它物理层(Wi-Fi、以太网等)之间的网络连接。边界路由器为802.15.4网络内的设备提供服务，包括离线运行情况下的路由服务和服务搜索。Thread网络中可以有一个或多个边界路由器。

Leader：位于Thread网络中，负责管理路由器ID的分配和注册，并接受来自符合路由器要求的终端设备(REED)成为路由器的请求。Leader决定哪些设备应该是路由器。而且，Leader与Thread网络中的所有路由器一样，也可以有子设备。Leader还通过CoAP(受限应用协议)分配和管理路由器地址。但是，Leader中包含的所有信息也都存储于其它Thread路由器中。因此，如果Leader发生故障或失去与Thread网络的连接，则可在无需用户干预的情况下系统会选举另一Thread路由器成为

Leader。

Thread路由器：为网络设备提供路由服务。Thread路由器还为尝试加入网络的设备提供加入和安全服务。Thread路由器不能休眠，但可以将其功能进行降级，使之成为终端设备，即REED。

REED：可以成为Thread路由器或Leader，但不一定会成为具有特殊属性(例如多个接口)的边界路由器。在网络拓扑或其它特定情况下，REED不能成为路由器。REED不会中继消息，也不会为网络中的其它设备提供加入或安全服务。如有必要，网络对符合路由器条件的设备进行管理，并将其升级为路由器，整个过程无需用户干预。

终端设备：不符合路由器条件的终端设备可以是FED(全终端设备)或MED(最小终端设备)。MED无需与父设备同步即可进行通信。

休眠终端设备(SED)：仅通过Thread路由器父设备进行通信，且不能为其它设备中继消息。

同步休眠终端设备(SSED)：是休眠终端设备的一种，它使用IEEE 802.15.4-2015中的CSL与父设备保持同步，无需使用常规数据请求。

Thread商用网络架构

用户通过其家用局域网(HAN)上的Wi-Fi或使用基于云的应用程序从个人终端设备(智能手机、平板电脑或计算机)与家用Thread网络进行通信。下图对Thread网络架构中的主要设备类型进行了说明。

图 3 Thread商用网络架构

商用网络架构概念：

Thread域模型支持多个Thread网络的无缝融合，也支持与非Thread的IPv6网络的无缝连接。Thread域主要的好处在于，设备在一定程度上可以灵活地加入配置有公共Thread域的可用Thread网络。在网络规模扩大或数据量扩展的情况下，这会减少对网络进行手动规划或降低因进行手动重新配置所产生的高额费用。

骨干边界路由器(BBR)是商用网络里的一种边界路由器，它能够促进多网段Thread域同步，并且允许大范围的多播传播进出Thread域中的每个网段。隶属于较大域的Thread网络必须至少有一个主BBR，并且可以有多个次BBR以实现故障安全冗余。各BBR之间通过连接所有Thread网段的骨干网相互通信。

图 4 Thread域模型

Thread协议栈的设计旨在避免单点故障。虽然系统中有许多执行特殊功能的设备，但Thread网络可以实现在不影响网络或设备持续运行的情况下更换这些设备。例如，在其他网络中，如果休眠的终端设备需要父设备进行通信，那么这个父设备就成为通信的单点故障。然而，在Thread网络中，在当前父设备不可用时，休眠终端设备可以选择另一父设备。而这个转换过程对于用户是不可见的。虽然Thread系统采用了无单点故障设计，但在某些拓扑下，个别设备不具备备份功能。例如，在配置了单个边界路由器的系统中，如果边界路由器断电，则无法切换到备用边界路由器。在这种情况下，必须重新配置边界路由器。借助Thread规范1.3.0，共享基础设施链路的边界路由器可以通过利用Thread无线电封装链路(TREL)提升跨介质(例如Wi-Fi或以太网)的无单点故障设计。借助此功能，跨链路形成Thread分区的可能性则被降低。

Thread发展现状

近年来Thread发展迅速。它得到了业界的广泛关注，并与其他无线通信技术(如ZigBee，LoRa等)相比，在性能、安全性、智能性等方面有了明显的优势。同时，Thread协议也得到了多家公司的支持，包括英特尔，NXP，Google等。Thread Group日前宣布，其无线网络协议的最新一个迭代版本Thread 1.3.0现已支持Matter标准。基于之前的迭代，Thread 1.3.0实现了完全向后兼容，通过消除设备制造商和最终用户双方的障碍，为在家庭和商业建筑中广泛地采用物联网打开了更大的空间。

目前，市场上有许多设备支持Thread通信协议。其中包括：智能家居设备、安防系统、智能照明、智能门锁、环境传感器、温度控制器、智能开关等。

芯片厂商TI、Nordic、Silicon Labs、Freescale、NXP都已发布Thread的芯片解决方案。

Google的Nest Hub Max智能显示器、第二代Nest Hub和Google Nest Wifi网状路由器都是Thread边界路由器。亚马逊的第4代Echo 智能扬声器和所有Wi-Fi 6及更高版本的Eero网状路由器也是Thread边界路由器。Apple TV 4K 2021、Apple TV 4K 2022和HomePod mini现在支持Matter并充当Thread边界路由器。

深圳市信驰达科技有限公司作为国内物联网通信模组厂商，也在第一时间推出了基于TI CC2652、Silicon Labs MG24、Nordic nRF52840等SoC的Thread通信模组，支持客户快速开发产品。

随着2022年7月Thread 1.3.0的推出，Thread设备将与任何Thread边界路由器一起使用，没有特定的品牌障碍，预期Thread通信协议将在更多领域得到广泛应用。

总的来说，Thread通信技术已经进入了快速发展阶段，并将继续成为物联网通信技术的重要选择。

深圳市信驰达科技有限公司(RF-Star)是一家专注于射频通信方案的高科技公司，2010年即获得美国TI德州仪器公司的认证，是其低功耗无线通信芯片的授权开发商。该公司提供物联网无线模块和完整应用方案，包括BLE、Wi-Fi、Wi-SUN、LoRa、ZigBee、Thread等。