新的无线线程网络协议

最近的开始

Thread是一种新的无线网络协议标准，针对家庭互联进行了优化。它的历史并不长……Thread集团创始成员(ARM、Big Ass Fans、飞思卡尔半导体、Nest实验室、三星电子、硅实验室和耶鲁安全)于2014年提出了该标准，并于2015年7月发布。Thread有一个特定的设计目标:家庭连接到物联网(IoT)。它使用internet protocol version 6 (IPv6)在IEEE标准802.15.4无线个人区域网络(PAN)内路由设备到设备的通信。由于这是一个最近发布的初始版本，本文中的信息可能会发生变化。

的线程组是负责教育，营销，认证和促进线程的非营利组织。beplay网页版本从线程组：
“我们设计的Thread有以下重要的功能:

• 方便消费者使用
• 总是安全的
• 功率高效
• 一种本地携带IPv6的开放协议
• 基于强大的网状网络，没有单点故障
• 运行现有的802.15.4无线硅

Thread被设计用来支持家庭中的各种应用:电器、访问控制、气候控制、能源管理、照明、安全和安保。”

自开通会员以来，线程组一直在稳步增长。一声“谢谢”向线程组发出，感谢他们的支持。

线程介绍

Thread的设计是为了解决在家中连接智能设备的问题。快速浏览一下目前的产品，就会发现有许多不同的设备在不同的网络上运行，它们的应用程序可能一起工作，也可能不一起工作。书房里的智能吊扇很容易安装，可以通过智能手机使用制造商的应用程序进行控制。另一家制造商的智能恒温器也可以安装在书房，并向智能手机报告……但是，如果房主想让吊扇在恒温器指示环境空气温度超过75华氏度(F)时运转怎么办?如果书房的智能窗户打开时风扇不工作怎么办?恒温器是如何告诉风扇是时候开始工作了呢?风扇怎么知道窗户开着?处理每个制造商的细节并尝试连接设备会变得很复杂。即使所有的设备都是基于ip的，如果使用不同的网络协议，它们也可能无法一起工作。

这就是线程设计用来处理的场景。它构成一个基于ip的网络，每个启用ip的智能设备充当主机。如图1所示(来自线程组)，网络通过路由器连接主机。设备有一个唯一的IPv6地址，网络中的路由器可以在设备之间转发消息。Thread网络上的设备还可以通过边界路由器连接到互联网，因此所有设备都可以通过智能手机和平板电脑进行控制，或者转发存储在云端的数据。不像其他一些网状网络，自动发现和adhoc网络添加是不允许的。添加到线程网络中的所有设备都是网络所有者发起连接的结果，只有经过身份验证的设备才能添加到网络中。

图1所示。线网络。

线程地址打开系统互连（OSI）模型的网络层。OSI模型使用底部的硬件和物理组件标准化通信系统和顶部的应用。线程协议栈（来自线程组）如图2所示。

图2.线程协议栈

线程使用IEEE标准802.15.4用于物理(PHY)和媒体访问控制(MAC)级别，而不指定最高的应用层。它的工作频段为工业、科学和医疗(ISM) 2.4GHz，可以运行在目前支持802.15.4的同一无线电模块上，如ZigBee和WirelessHART。表1提供了一些关于线程的信息。

线程组表示软件升级可能允许线程在ZigBee网络上运行。微控制器目前有线程和ZigBee堆栈。这些双PAN设备使用相同的无线电和应用程序开发人员可以专注于他们的程序，其中决定在设计周期稍后运行的网络。与其他标准一样，线程产品产品将不得不经过认证过程，所有线程认证产品将互连。有与成员资格和认证有关的费用。

图2显示Thread指定的网络层基于现有标准，为家庭连接环境进行了优化，增加了安全性和调试(验证设备的过程)。Thread使用Internet Engineering Task Force (IETF)标准6LoWPAN(低功耗无线个人区域网络上的IPv6)、IP路由和用户数据报协议(UDP)。

6LOWPAN通过IEEE 802.15.4网络实现高效的IPv6通信，使得可以通过低功耗，低速链路发送IPv6数据包。请注意，线程使用具有IP路由的UDP，而不是更熟悉的传输控制协议（TCP），TCP / IP网络套件的TCP部分。UDP提供更快的数据包传送，可具有可靠性，提供包装处理机制外部。

除了可靠性之外，线程还增加了安全性，网状网络拓扑，电源管理和简单的方法来调试并加入设备到网络。结果是一种安全，强大的网状家庭网络，处理IOT连接，因此房主可以轻松监控，配置和控制各种智能设备。

认证

虽然线程规范将由线程组维护，但是认证和测试将由UL（承销商实验室）和花岗岩河实验室（GRL）完成。线程组的技术任务组正在使用UL来管理认证过程，而GRL提供测试线束，则由硬件和软件组成的平台，以验证线程协议栈。只有经过认证的线程产品将承担线程标识。

应用程序层

Thread不指定应用程序层，也不关心在其上运行的应用程序。正如Wi-Fi网络可以运行各种应用程序一样，线程网络也可以运行各种应用程序。Thread保证经过线程认证的设备将相互连接。应用可以解决照明，温度控制，安全，烟雾探测;随着Thread进入市场的成熟，预计应用程序将开发出来，方便地控制家里的所有智能设备。

2015年4月，线程集团和无线个域网联盟宣布协作，可以使ZigBee控件库（ZCL）能够在线程网络上运行。已经熟悉ZCL的开发人员从基于ZigBee的堆栈编写应用程序可以利用他们的知识来编写基于线程堆栈的应用程序。ZCL定义了连接设备通信的标准框架：如何识别它们是什么以及它们具有的功能。

尽管有一个IPv6版本的ZigBee, ZigBee IP, Thread的设备到设备通信的IP路由针对物联网和联网家庭的更广泛的应用。

线网络组件

线程网络如图1所示，由主机设备、路由器和边界路由器组成。

主机设备是单独的启用ip的功能设备，如灯泡、风扇或恒温器，是网络中的端点。设备也可以被称为瞌睡节点或瞌睡子;路由器是(不休眠的)父路由器。休眠术语表示设备大部分时间处于休眠模式，低占空比是低功耗工作所需要的。设备只通过父路由器通信，不转发消息给其他设备。由于设备在睡眠模式下不能接收数据，父设备将保存它们的消息，直到设备苏醒来轮询数据或发送数据。

设备的典型发送周期可能是：

1. 从睡眠模式中醒来。
2. 执行任何需要的启动和无线电初始化。
3. 进入接收模式，检查是否可以发送。
4. 进入传输模式。
5. 传输数据。
6. 适当的时候得到认可。
7. 睡眠。

路由器为网络设备提供路由。它们还负责处理加入网络并提供安全性的设备;它们可以在领导者角色中运行并启动线程网络。始终处于活动状态，它们维护邻居，儿童和路由表并彼此连接，以便网格保持完整。如果路由器关闭，则剩余的线程路由器更新其路由信息，因此仍然可以使用现有节点转发消息。如果父路由器衰竭，则另一个路由器将用作设备的父级。线程的网状拓扑提供了一种自我修复的通信框架。路由器还可以将路由器降级为路由器符合条件的终端设备（REEDS），如果条件要求不转发消息;没有用户干预的线程网络管理簧片和路由算法。

边界路由器作为简化网关，处理线程网络和非线程网络之间的连接，如图1所示。他们有能力处理802.15.4和Wi-Fi(802.11)或以太网(802.3)连接。边界路由器可以是独立的通信设备，就像接入点或包含线程和Wi-Fi接口的线程网络中的主机设备。一个线程网络可以有一个以上的边界路由器。

图3显示了一个部分线程网络。通过线程认证的风扇和恒温器，每一个都是网络中的端点，通过父路由器进行通信。

图3。部分线程网络

包括风扇和恒温器的螺纹网络如图4所示。这个网络视图假设一个合适的应用程序正在运行，它控制着智能设备:

• 当恒温器指示环境空气温度高于75华氏度时，风扇启动。
• 当地时间晚上8点以后，如果门打开，灯就会打开
• 如果窗口打开，则风扇在运行时停止

房主可以通过智能手机或平板电脑随时启动风扇。来自智能手机的消息由线程边界路由器处理，并将其转发到线程网络。在线程网络中，路由器使用特定的风扇设备的IP地址获取消息。(如果风扇处于睡眠模式，也可以发送到它的父路由器)。当从睡眠中醒来并轮询父母时，风扇将被转发消息。作为回应，它将启动。

图4。一个线程网络

加入设备

将设备添加到线程网络和验证网络凭证是处理路由器或边界路由器的领导和专员角色。线程网络识别负责某些网络功能的领导者，如分配路由器地址和处理新的路由器请求。如果当前的leader down，另一个路由器或边界路由器自动承担这个角色。专员作为新线程设备的身份验证服务器和提供加入网络所需的网络凭证的授权代理。

如果房主购买了一个新的线程认证的设备，他们会发起连接，让设备发现网络并提供安全密码。只有当凭据被验证时，设备才加入到网络中。一旦加入，该设备被配置到父路由器，并可以参与网络。更新路由表和其他网络信息以反映添加的内容。

总结

线程是一个专注于连接的家庭和物联网的网络协议。专为低功耗和基于IP的通信而设计，它为启用IP的智能家居设备提供安全，强大的网状网络。线程认证设备可保证互连。房主或网络管理员可以轻松地将设备添加到网络，应用程序开发人员可以确保设备将在一起工作。