開創(chuàng)Internet互聯(lián)新時代

簡介

Thread是無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的未來，它有望成為“萬物”與Internet連接的關(guān)鍵技術(shù)?！叭f物”可以籠統(tǒng)的定義為功耗敏感、資源受限的設(shè)備，它們通常結(jié)合了微控制器(MCU)、傳感器、RF技術(shù)和軟件。這些設(shè)備通過無線連接橋接到Internet，而且能夠被遠程控制和自動化運行。當前已經(jīng)有多種無線技術(shù)能夠支持這種相互連接，但是Thread是為滿足家居互聯(lián)(Connected Home)的特殊需求而設(shè)計的。它基于現(xiàn)有標準，通過提供低功耗、安全和可擴展的基于IP的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，Thread成為IoT(Internet of Things)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)所在。

IoT

研究公司IHS Technology的數(shù)據(jù)表明：到2025年，IoT可連接設(shè)備的數(shù)量規(guī)模將增長到754億臺。這種前所未有的連接規(guī)模是技術(shù)進步的結(jié)果，并可追溯到上世紀70年代早期，當時Intel發(fā)布了第一款商用的微處理器：4004。十年之后，臺式機技術(shù)已經(jīng)達到了空前的工藝水平，開創(chuàng)了前所未有的個人生產(chǎn)力時代。

筆記本電腦出現(xiàn)于上世紀90年代，伴隨著Internet的發(fā)展，標志著移動互聯(lián)的開始。然而，直到本世紀00年代中期智能電話的問世，我們才真正實現(xiàn)了不受限制的互聯(lián)網(wǎng)體驗。智能電話把個人計算能力和Internet連接整合到我們的手掌上。低功耗計算、感知和通信帶來全新類別的可連接設(shè)備。這些小型的、資源受限的、電池供電的“萬物”不再僅僅關(guān)注個人計算，而是以全新并有效的方式為家庭、工廠以及整個城市提供感測、互聯(lián)和自動化服務(wù)。圖1顯示了可連接設(shè)備的演變。

圖1：IoT的出現(xiàn)

為什么選擇IP

IP(Internet Protocol)是Internet的主要通信協(xié)議。IP為IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中繼提供了核心機制，它的路由能力實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)互連。在Internet數(shù)十年快速發(fā)展之后，IP已經(jīng)無處不在。

本身不支持IP的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必須首先在網(wǎng)關(guān)中適配IP。這種處理過程涉及到本地網(wǎng)絡(luò)地址的映射，將網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包重新打包為IP數(shù)據(jù)包。如圖2所示，已加密的本地報文必須在網(wǎng)關(guān)中解密，然后重新在IP數(shù)據(jù)包中加密。

圖2：本身不支持IP的本地網(wǎng)絡(luò)

相比之下，本身支持IP的本地網(wǎng)絡(luò)，例如Thread和Wi-Fi，能夠無介入的轉(zhuǎn)發(fā)和路由應(yīng)用的有效載荷。本地網(wǎng)絡(luò)加密的報文能夠安全的端到端傳輸。如圖3所示。

圖3：本身支持IP的本地網(wǎng)絡(luò)

IPv6對比IPv4

IPv4支持32位尋址。但是自從上世紀90年代起，大約43億(2^32=4294 967296)的地址空間越來越不能滿足Internet連接的增長預(yù)期。IPv6把地址長度增加到128位，這使得地址空間達到約240澗(1澗=10的36次方)!具有IPv6全球唯一地址(GUA)的本地設(shè)備可直接通過廣域網(wǎng)(WAN)尋址。

6LoWPAN

6LoWPAN是IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks的縮寫。它可實現(xiàn)在802.15.4連接上有效傳輸IPv6數(shù)據(jù)報，因此資源受限的設(shè)備(例如“萬物”)能夠自然的加入IoT。它支持三種關(guān)鍵功能：

· 報文長度自適應(yīng)

IPv6支持的最小MTU(最大傳輸單元)是1280字節(jié)。在使用UDP(User Datagram Protocol)和DTLS(Datagram Transport Layer Security)的802.15.4報文中，典型應(yīng)用的有效載荷大小是63字節(jié)。6LoWPAN提供分段和重組機制以適配IPv6數(shù)據(jù)報到這些更小的802.15.4有效載荷。不合適大小的IPv6報文將被分成片段，并通過802.15.4在空中發(fā)送。不是所有的片段都能夠以正確的順序被接收。然而，6LoWPAN僅僅需要接收到所有片段，然后按照需要再重新排序分段。

· 報頭壓縮

為了最大限度的減少在802.15.4幀中發(fā)送IPv6消息的開銷，6LoWPAN利用協(xié)議間的跨層冗余(例如源和目標地址、負載長度、傳輸類型和流量標簽)為IPv6和傳輸報頭提供透明的壓縮機制。Thread使用IPHC(Improved Header Compression)和NHC(Next Header Compression)。IPHC被用于壓縮IPv6報頭。NHC被用于壓縮UDP報頭。

· 層間轉(zhuǎn)發(fā)

Thread使用IP路由轉(zhuǎn)發(fā)報文。IP路由表用于維護每一個目的和到達它的下一跳。6LoWPAN網(wǎng)狀報頭使用IP路由表來實現(xiàn)鏈路的下一跳轉(zhuǎn)發(fā)。

實現(xiàn)互聯(lián)

網(wǎng)絡(luò)市場中存在多種無線技術(shù)。從長遠來看，我們認為在互聯(lián)家居和IoT領(lǐng)域中主要有三個領(lǐng)先的協(xié)議解決方案：Wi-Fi、Bluetooth Smart和802.15.4網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

Wi-Fi是家庭網(wǎng)絡(luò)中傳輸音頻、視頻和數(shù)據(jù)的骨干無線技術(shù)。它支持高數(shù)據(jù)率和輸出功率，然而功耗較大。因此其在電池供電的應(yīng)用中受到限制。

Bluetooth? Smart適合連接智能手機的點對點解決方案，也適合在電池供電的設(shè)備上批量傳輸數(shù)據(jù)。雖然目前的解決方案本身不支持IP，但是Bluetooth Core Specification 4.2通過支持IPv6和6LoWPAN為支持IP奠定了基礎(chǔ)。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(例如ZigBee PRO和Thread)構(gòu)成了家居互聯(lián)的骨干連接。這些自恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被優(yōu)化去支持低帶寬控制和自動化應(yīng)用，在這類應(yīng)用中，支撐幾年的長電池壽命是關(guān)鍵點。

在過去的10年中，ZigBee PRO一直在802.15.4網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)解決方案中占主導(dǎo)地位。它支持可靠、安全和可擴展的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，支持超過250個節(jié)點，也廣泛支持電池供電操作的可休眠的終端節(jié)點。

Thread建立在ZigBee?基礎(chǔ)之上，具有安全、可靠和容錯性好的優(yōu)勢。它也解決了市場中對于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)期待已久的需求：支持IPv6和6LoWPAN，為IoT中的每一個終端節(jié)點帶來亟需的IP連接能力。表1列舉了不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的特性。

表1：IoT無線技術(shù)

為什么是Thread，為什么是現(xiàn)在?

Thread Group成立于2014年7月15日，目的是協(xié)作、共享專長和開發(fā)滿足這些需求的解決方案。成立一年后，Thread Group發(fā)布了Thread規(guī)范。該組織的創(chuàng)始成員包括Silicon Labs、Nest Labs、Yale Security、Samsung Electrics、Freescale Semiconductor、Big Ass Fans和ARM。

Thread的關(guān)注低功耗和固有支持IP實現(xiàn)了“萬物”和Internet之間無縫互聯(lián)的承諾。它不僅在低成本、電池供電的設(shè)備之間提供有效通信，也提供到云和移動設(shè)備的簡單接口。Thread提供具有吸引力的全新無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)解決方案，設(shè)計旨在滿足下列家居互聯(lián)需求：

· 基于標準的協(xié)議

開放基于標準的協(xié)議，實現(xiàn)跨廠商的互操作性和競爭性。Thread以目前的包括IEEE 802.15.4在內(nèi)的IEEE和IETF標準為基礎(chǔ)。官方的Thread Specification已經(jīng)在2015年7月13日由Thread Group發(fā)布。

· 簡化的配置

Thread摒棄了一些之前網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標準的復(fù)雜性。只有兩種不同的節(jié)點類型：Router Eligible和 End Device。

Router Eligible節(jié)點在需要支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)時成為路由器。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的第一個Router Eligible節(jié)點將自動的被指定為路由器并作為Leader。Leader執(zhí)行額外的網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)并代表網(wǎng)絡(luò)做決定。網(wǎng)絡(luò)中的其他Router Eligible節(jié)點也能夠自動的擔任Leader的角色，但是在一個時間內(nèi)每一個網(wǎng)絡(luò)中僅僅只能有一個Leader。

作為End Device加入的節(jié)點不支持任何路由功能。相反，它們把信息發(fā)送給指定為“父節(jié)點(parent)”的路由器，“父節(jié)點”代表它的“子節(jié)點(child)”執(zhí)行路由操作。End Device通過父節(jié)點進行路由通信并且能夠進入“Sleepy”狀態(tài)來減少功耗。不能與它們的父節(jié)點通信的End Device在多次嘗試后將自動掃描并連接到新的父節(jié)點。圖4所示為帶有REED(Router Eligible End Device)、一個Leader和Thread Router的Thread節(jié)點網(wǎng)絡(luò)。

圖4：Thread節(jié)點類型

· 基于IP的信息傳送

Thread全面支持IP。Thread網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都有一個IPv6地址，并且能夠被HAN(Home Area Network)中的本地設(shè)備或者離線網(wǎng)絡(luò)中具有Thread能力的被稱為Border Router的IP路由器直接訪問。圖5顯示典型的Thread網(wǎng)絡(luò)連接。

圖5：Thread網(wǎng)絡(luò)連接

網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點由Border Router分配的前綴構(gòu)成IPv6全球地址，或者由本地自分配的前綴去構(gòu)成ULA(Unique Local Address)。網(wǎng)絡(luò)中使用的路由ID通過Leader分配。Thread使用UDP(User Datagram Protocol)進行消息傳輸，而不是使用TCP(Transmission Control Protocol)。與TCP不同，UDP是無連接的協(xié)議，它摒棄了一些TCP特性，例如錯誤檢測、報文排序和重傳以換取更快速和更高效的傳輸。這種效率相當于減少了傳輸成本，這對于電池供電、資源受限的設(shè)備是極其重要的。Thread使用CoAP(Constrained Application Protocol)結(jié)合UDP去保持高效性，同時克服了UDP的一些限制。CoAP實現(xiàn)了重構(gòu)以支持重傳和分組排序。CoAP進一步為GET、POST、PUT和DELETE方法的輕量級(版本提供支持，能夠容易的轉(zhuǎn)換成HTTP實現(xiàn)與萬維網(wǎng)的連接。利用離線網(wǎng)絡(luò)CoAP到HTTP代理，Thread可以從瀏覽器中直接查詢IoT設(shè)備!

· 低功耗運行

Thread為低功耗運行的可休眠終端節(jié)點提供了特別支持。正如其名稱所暗示，這些可休眠的終端設(shè)備大部分時間處于低功耗休眠狀態(tài)。在Thread協(xié)議中，不檢測處于休眠狀態(tài)的設(shè)備，以此來延長電池壽命。發(fā)送給可休眠終端設(shè)備的消息由它們的父節(jié)點緩存。消息傳輸僅僅在休眠終端設(shè)備被喚醒并查詢父節(jié)點時才被觸發(fā)。

· 可擴展性和彈性

Thread的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標是支持多于250個節(jié)點。在此約束下，多種特性和功能被優(yōu)化用以提供最大化的吞吐量和最小化資源需求。在Thread網(wǎng)絡(luò)中，活動路由器的最大數(shù)量是32個。這樣產(chǎn)生的一個重要的直接結(jié)果是路由信息能夠被有效的通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)，并且所有路由器能夠直觀的維護網(wǎng)絡(luò)中的所有路由。當節(jié)點添加到網(wǎng)絡(luò)并且拓撲結(jié)構(gòu)改變時，網(wǎng)絡(luò)通過交換MLE(Mesh Link Establishment)消息做調(diào)整。如果有作為終端設(shè)備操作的Router Eligible設(shè)備，能夠自主添加額外的路由器。這種Router Eligible終端設(shè)備或者REED，聆聽路由信息，并且在需要提升網(wǎng)絡(luò)的整體性能時，向網(wǎng)絡(luò)中的Leader申請成為路由器。

Thread是強大的、能自我修復(fù)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，提供無單點故障能力。如果一個路由器發(fā)生了故障，網(wǎng)絡(luò)將動態(tài)變向發(fā)送傳輸，繞過故障節(jié)點。如果一個Leader失效了，網(wǎng)絡(luò)中的另一個路由器將被自動的選擇成為新的Leader。多個邊界路由器能夠為離線網(wǎng)絡(luò)通信提供故障失效安全的冗余。

· 互操作性

Thread Group已經(jīng)發(fā)布了標準的軟件測試工具用于所有Thread協(xié)議棧和最終Thread產(chǎn)品認證。這種測試工具將被提供給所有Thread成員公司以便在Thread認證測試之前獲得高質(zhì)量的軟件開發(fā)和測試。

所有Thread組件(IC、軟件協(xié)議?；蚰＝M)在作為終端產(chǎn)品提供給用戶之前必須獲得Thread認證。所有想要攜帶Thread標識的終端產(chǎn)品設(shè)備必須提交他們的設(shè)備到批準的實驗室進行認證。

· 安全和人性化

Thread網(wǎng)絡(luò)易于使用并極其安全。Thread在MAC層使用AES-128保護所有網(wǎng)絡(luò)傳輸，并且利用ECC和J-PAKE邏輯組合安全添加設(shè)備到網(wǎng)絡(luò)(即Commissioning)。應(yīng)用有能力選擇利用基于標準的IP安全協(xié)議(例如DTLS)以實現(xiàn)額外的、安全的應(yīng)用載荷。

Thread網(wǎng)絡(luò)假定用戶有一個可用的Commissioning設(shè)備用于添加新設(shè)備到Thread網(wǎng)絡(luò)。Thread可以指定離線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(例如智能電話和計算機)和在線網(wǎng)絡(luò)Thread設(shè)備成為Commissioner。離線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須首先請求Thread Border Router以成為注冊Commissioner，符合Thread指定的安全DTLS認證。一旦注冊，Border Router將代表Commissioner候選人與Leader協(xié)商成為授權(quán)的Commissioner。在線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不需要注冊，但是可能需要與Leader協(xié)商以被授權(quán)。(Leader確保網(wǎng)絡(luò)中同一時間僅僅有一個Commissioner被激活)。一旦得到授權(quán)，激活的Commissioner將會以廣播方式通知到整個Thread網(wǎng)絡(luò)。

在加入Thread網(wǎng)絡(luò)時，用戶通知Commissioner設(shè)備有個新設(shè)備將要加入，并且輸入一個唯一的與加入設(shè)備相關(guān)的密碼。這種密碼被用于建立安全的DTLS會話來認證并授權(quán)給加入的設(shè)備。僅僅在那時設(shè)備有權(quán)訪問Thread網(wǎng)絡(luò)。一旦設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)，Commissioner設(shè)備不再處于激活狀態(tài)。

· 加速產(chǎn)品上市

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的快速普及，對于產(chǎn)品來說，越來越重要的是盡快從概念階段進展到產(chǎn)品上市。Thread和Silicon Labs有助于加速產(chǎn)品上市。

· 應(yīng)用開發(fā)

Thread沒有規(guī)定應(yīng)用層，而是為其提供基本的消息傳送服務(wù)，例如使用UDP和CoAP的單播和組播消息服務(wù)。類似Wi-Fi，Thread關(guān)注消息的安全和可靠傳輸，使用低功耗的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)代替高功耗的星狀網(wǎng)絡(luò)。使用Silicon Labs AppBuilder工具，利用易于使用的回調(diào)函數(shù)(callback)和插件(plug-in)使協(xié)議棧層細節(jié)不再抽象化，以簡化IP消息傳輸。在框架中開發(fā)的應(yīng)用代碼是高度可移植的，并且可以在支持的802.15.4設(shè)備之間重用。AppBuilder提供簡單的GUI去配置設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，例如設(shè)備類型、命令、組網(wǎng)和加入行為，以及安全模式和操作。Silicon Labs提供容易定制和擴展的Thread示例應(yīng)用幫助用戶快速啟動項目開發(fā)。

· 網(wǎng)絡(luò)調(diào)試

在為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)開發(fā)應(yīng)用時，理解、適配和調(diào)整網(wǎng)絡(luò)層是重要的開發(fā)階段。傳統(tǒng)的解決方案使用無線sniffer去遠程捕獲空中網(wǎng)絡(luò)傳輸包。Silicon Labs網(wǎng)絡(luò)IC在芯片內(nèi)部集成了這種能力，使用Packet Trace專用的雙線接口，輸出被設(shè)備發(fā)送接收的每個數(shù)據(jù)包以及鏈路質(zhì)量信息。這些信息能夠通過Desktop Network Analyzer工具收集起來，將完整的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸可視化。Desktop Network Analyzer通過事件聯(lián)系所有通信活動并且解碼Thread消息。網(wǎng)絡(luò)活動可以被記錄很長時間，從而識別網(wǎng)絡(luò)中極少發(fā)生或間歇性發(fā)生的問題。

結(jié)論

我們正在進入Internet連接的新時代。物聯(lián)網(wǎng)將大大超越臺式機、筆記本電腦和智能手機組合的歷史連接規(guī)模。憑借難以置信的、廣泛的應(yīng)用，小型、資源受限的設(shè)備能夠驅(qū)動這一增長。從家庭自動化到建筑安防傳感器，從農(nóng)業(yè)灌溉到工業(yè)加工自動化，從醫(yī)療保健到個人衛(wèi)生。這將觸及我們生活的方方面面，并改變我們與周圍環(huán)境的互動方式。大多數(shù)這些設(shè)備將會是無線連接的。現(xiàn)有的多種無線技術(shù)可以提供IP連接，但是我們認為三種解決方案將主導(dǎo)家居互聯(lián)，即Wi-Fi、Bluetooth Smart和802.15.4網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。Thread是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的未來。它提供安全、可靠和可擴展的基于IP的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)解決方案，以及優(yōu)化的低功耗操作。

作者：Silicon Labs IoT無線產(chǎn)品行銷總監(jiān)Greg Fyke