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Thread網路協議擁抱家庭萬物互連

上網時間: 2015年10月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:IoT  IP  Thread  Zigbee 

Thread是無線網狀網路的未來,並已準備好成為「萬物」(things)連接至網際網路的關鍵技術。這個「things」可以廣泛地為其定義為對功耗敏感且空間受限的裝置,其中通常結合了微控制器(MCU)、感測器、RF技術和軟體。這些裝置透過無線連接橋接至網際網路,從而能夠被遠端控制與自動化執行。市場上目前已經存在多種能夠支援這種互連的無線技術,但是,Thread是專為滿足連網家庭的特定需求而設計的。藉由提供低功耗、安全以及基於現有標準的可擴展IP無線網狀網路通訊協議,Thread正成為接軌物聯網(IoT)差距的關鍵技術。

為什麼選擇IP

網際網路協議(IP)是網際網路的主要通訊協議。IP為IP網路之間的資料中繼提供核心機制,並透過其路由能力實現連網。在網際網路經過數十年的快速發展後,IP已經變得無處不在了。

不支援本機IP(NIP) 的網路技術必須先在閘道中配接IP。這項程序涉及對應本機網路位址,並將網路層的負載重新封包到IP資料封包。如圖1所示,已加密的本機封包必須在閘道中解密,然後再重新在IP資料封包中加密。


圖1:不支援本機IP的網路

相形之下,支援本機IP的網路(例如Thread和Wi-Fi)能夠在不干預處理的情況下轉寄和路由應用的有效負載。在本機網路中加密的封包能夠安全地實現端到端傳輸。如圖2所示。


圖2:支援本機IP的網路

IPv6與IPv4

IPv4支援32位元定址。但是自從1990年代起,大約43億的位址空間越來越無法滿足網際網路連接能力提高的期待。IPv6把位址長度增加到128位元,使位址空間達到240澗位(1澗=10的36次方)!具有IPv6全域單播位址(GUA)的本機裝置可直接透過廣域網路(WAN)定址。

6LoWPAN

6LoWPAN是「IPv6低功耗無線個人區域網路」的縮寫,可在802.15.4鏈路上有效傳輸IPv6資料封包,從而讓資源受限的裝置(如「things」)自然地加入IoT。它支援三項主要功能:

調整封包大小:IPv6支援的最小MTU(最大傳輸單元)是1,280位元組。使用UDP(用戶資料封包協議)和DTLS(資料封包層安全)的802.15.4封包中,典型應用的有效負載大小是63位元組。6LoWPAN提供分段和重組機制,從而將IPv6資料封包導入這些更小的802.15.4有效負載中。大小不符合的IPv6封包將被分成片段,並透過802.15.4在空中發送。並非所有的片段都以正確的順序進行接收。然而,6LoWPAN僅要求接收到所有片段,就能按照需要重新排序分段。

壓縮封包標頭:為了儘量減少在802.15.4訊框中傳送IPv6訊息的開銷,6LoWPAN利用協議間的跨層冗餘(例如來源和目標定址、負載長度、傳輸類型和流量標籤等)為IPv6和傳輸標頭提供透明的壓縮機制。Thread使用IPHC(改進的標頭壓縮)和NHC(下一個標頭壓縮)。IPHC用於壓縮IPv6標頭,而NHC的作用在於壓縮UDP標頭。

第二層轉發:Thread使用IP路由轉發封包。透過每一個目的及其下一跳躍(hop)來維護IP路由表。6LoWPAN網狀標頭根據IP路由表資料連接下一層跳躍轉發。

實現互連

網路市場中存在多種無線技術。從長遠來看,連網家庭和IoT領域中存在三種主要的協議方案:Wi-Fi、Bluetooth Smart以及802.15.4網狀網路通訊協議。

Wi-Fi是家用網路中傳輸音訊、視訊和資料的骨幹無線技術。它支援較高的資料率和輸出功率,然而功耗也較大。因此在以電池供電的應用中經常受到限制。

Bluetooth Smart是連接智慧型手機的理想點對點解決方案,也適合在電池供電的裝置上進行大量資料傳輸。雖然目前的解決方案本身不支援IP,但是Bluetooth Core Specification 4.2已透過支援IPv6和6LoWPAN奠定了基礎。

網狀網路技術(例如ZigBee PRO和Thread)構成了連網家庭的骨幹。這些自恢復網路已經被最佳化,而可支援低頻寬的控制與自動化應用,在這類應用中,可支撐多年的長電池壽命至關重要。

過去10年來,ZigBee PRO一直在802.15.4網狀網路解決方案中佔據主導地位。它提供可靠、安全且可擴展的網狀網路,支援超過250個節點,同時也為可休眠終端裝置提供廣泛支援的以電池供電作業。

Thread建立在ZigBee的基礎上,具有安全、可靠和可容錯的優點。它還能滿足市場長久以來對於網狀網路技術的期待:支援IPv6和6LoWPAN,為IoT的每一個終端節點帶來亟需的IP連接能力。表1列出不同網路通訊協議的特性。


表1:適用IoT的無線技術

(下一頁繼續:為何選擇Thread?)


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