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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 

為何選擇Thread?為何要現在使用?

Thread Group成立於2014年7月15日,目的在於促進協同合作、共享專業技術知識以及開發滿足需求的解決方案。成立1年後,Thread Group發佈了Thread規範。該組織的創始成員包括Silicon Labs、Nest Labs、Yale Security、Samsung Electrics、Freescale Semiconductor、Big Ass Fans和ARM。

Thread著重於為「things」與網際網路之間的無縫互連實現低功耗以及本機IP支援。它不僅可在以電池供電的低成本裝置之間提供有效通訊,也簡化了雲端到行動裝置之間的連接。Thread提供具有吸引力的全新無線網狀網路解決方案,專為滿足連網家庭的需求而設計:

基於標準的協議:基於開放標準的協議,帶來了技術同業再次檢閱以及跨廠商之間互通與競爭的好處。Thread以現有的IEEE與IETF標準為基礎(包括IEEE 802.15.4)。正式的Thread Specification已經在2015年7月13日由Thread Group發佈。

簡化的配置:Thread可消弭之前網狀網路標準的某些複雜性,只保留兩種不同的節點類型:Router Eligible和 End Device。

•Router Eligible節點在需要支援網狀網路時成為路由器。構建網路的第一個Router Eligible節點將自動被指定為路由器並作為Leader。Leader執行其他網路管理任務並代表網路制定決策。網路中其他的Router Eligible節點也能自動擔任Leader的角色,但是在一定時間內每個網路中僅能有一個Leader。

•End Device節點並不支援任何路由功能,而是將訊息傳送至指定為「父節點」(parent)的路由器,代表其「子節點」(child)執行路由作業。End Device透過父節點進行路由通訊,並且可加以編程進入「休眠」(Sleepy)狀態來降低功耗。無法與其父節點通訊的End Device在多次嘗試後將自動搜尋並連接到新的父節點。圖3顯示包括REED (Router Eligible End Device)、Leader和Thread Router的Thread節點網路。


圖3:Thread節點類型

基於IP的訊息傳遞:Thread提供本機IP支援。Thread網路中的所有裝置都有一個IPv6位址,可使用具備Thread網路IP路由器(稱為Border Router)的本機裝置,在家用區域網路(HAN)或離線網路時直接存取。圖4顯示典型的Thread網路設置。


圖4:Thread網路設置

網路上的節點由邊界路由器指定的首碼形成IPv6全域位址,或由本機自行指定首碼以形成ULA(唯一本機位址)。網路中使用的路由ID由Leader指定。Thread使用UDP進行訊息傳送,而非較繁複的TCP(傳輸控制協議)。相較於TCP,UDP是一種不需連線的協議,它摒棄了一些TCP特性,例如錯誤檢測、封包排序和重傳以換取更快速和更高效的傳輸。

這種效率相當於減少了傳輸成本,因而對於以電池供電且資源受限的裝置來說是極其重要的。Thread搭配使用CoAP(限制性應用通訊協議)與UDP,以維持輕量的高效率,同時克服UDP的一些限制。CoAP可重新整合,支援重傳與封包排序,進一步為可輕鬆轉譯為HTTP的GET、POST、PUT和DELETE等方法的輕量級版本提供支援,從而簡化與網路的整合。利用離線網路的CoAP到HTTP代理,Thread可直接從瀏覽器中查詢IoT裝置!

低功耗作業:Thread利用休眠終端節點,為低功耗作業提供廣泛支援。這些可休眠的終端裝置大部份時間都處於低功耗的休眠狀態。在Thread協議中,不必檢測處於休眠狀態的裝置,因而延長了電池壽命。傳送給可休眠終端裝置的訊息由其父節點進行緩存。訊息傳輸僅在休眠終端裝置被喚醒以及查詢父節點時才被觸發。

可擴展性和彈性:Thread的網路設計目標在於支援250+個節點。在此限制條件下,必須為多種特性和功能實現最佳化,以便徹底發揮最大傳輸量和最小化資源需求。在Thread網路中,主動路由器的最大數量是32,由此造成的一個重要結果是路由資訊能夠有效地透過網路發送,而且所有的路由器都能直接檢視維護網路中的所有路由。當節點添加到網路且拓撲結構改變時,網路透過交換MLE(網狀網路連接建立)訊息進行調整。如果有Router Eligible裝置可作為終端裝置,就能自動添加額外的路由器。這種Router Eligible終端裝置或REED將聆聽路由訊息,並可在需要提升網路的整體性能時,向網路中的Leader申請成為路由器。

Thread是一種穩健、強大且能自我修復的網狀網路,不存在單點故障問題。如果一個路由器發生故障,網路將會自動重新路由故障節點周圍的傳輸流量。如果一個Leader失效了,網路中的另一個路由器將被自動被選為新的Leader。多個邊界路由器可用於為離線網路通訊提供故障保護。

互通性:Thread Group已經發佈了標準測試工具,可用於認證所有Thread協議堆疊和最終Thread產品。這種測試工具可提供給所有Thread成員公司,在Thread認證測試之前先進行高品質的軟體開發和測試。

所有的Thread元件(IC、軟體協議堆疊或模組)在作為終端產品提供給客戶之前必須先取得Thread認證。所有貼上Thread標識的終端產品裝置都必須先提交其裝置到認可的實驗室進行認證。

安全和人性化:Thread網路易於使用且極其安全,在MAC層使用AES-128保護所有網路傳輸,並利用ECC和J-PAKE演算法,將裝置安全地加入網路中(例如委任)。應用程式則可選擇利用基於標準的IP安全協議(如DTLS),實現更多的安全應用負載。

Thread網路設定使用者可指定可用的委任(Commissioning)裝置,以便將新裝置添加到Thread網路。Thread可指定離線網路裝置(如智慧型手機和電腦)和連線網路Thread裝置作為委任裝置。離線網路裝置必須利用符合Thread指定的安全DTLS認證交握機制,先請求Thread Border Router註冊成為委任裝置。一旦註冊完成,Border Router將代表備選的委任裝置與Leader協商成為授權的委任裝置。連線網路裝置不需要註冊,但是可能需要與Leader協商取得授權(Leader確保網路中同一時間僅啟動一個委任裝置)。一旦取得授權,啟動的委任裝置將會通知整個Thread網路。

在加入Thread網路時,使用者通知委任裝置即將新增加一個裝置,並輸入一組與加入裝置相關的唯一通行碼。這種通行碼可用於建立安全的DTLS會話,以認證並授權加入的裝置。僅僅在那時裝置才有權限存取Thread網路。一旦裝置加入網路後,委任裝置不再處於啟動狀態。

加速產品上市:隨著物聯網裝置的快速普及,對於產品來說,更重要的是儘快從概念階段進展到產品上市。Thread有助於加速產品上市。

應用開發:Thread並未指定應用層,而是為其提供基本的訊息傳遞服務,例如使用UDP和CoAP的單播和群播訊息服務。如同Wi-Fi一樣,Thread著重於安全且可靠的訊息傳輸,並使用低功耗網狀網路取代高功耗星狀網路。使用像芯科實驗室(Silicon Labs)AppBuilder等工具,可透過易於使用的回呼(callback)和外掛程式提取協議堆疊層細節,從而簡化IP訊息傳輸。在此架構中開發的應用程式碼是高度可移植的,可在支援的802.15.4裝置之間重覆利用。AppBuilder提供簡單的GUI來設定裝置和網路參數,例如裝置類型、指令、連網與加入行為,以及安全模式和作業。Silicon Labs提供易於客製和可擴展的Thread範例應用,協助用戶快速啟動專案開發。

網路除錯:在為網狀網路開發應用時,理解、配接和調整網路層是重要的開發階段。傳統的解決方案使用無線監聽器在遠端擷取空中網路傳輸封包。Silicon Labs網路IC在晶片中整合了這種能力,建立Packet Trace專用雙線介面,輸出由裝置發送接收的每個資料封包與鏈路品質資訊。這些資訊能夠透過Desktop Network Analyzer工具,匯聚網路上的所有

節點,提供完整且視覺化的網路資訊。Desktop Network Analyzer聯繫事件與所有通訊活動,並且解碼Thread訊息。相關網路活動可在長時間中進行記錄,從而辨識網路中極少或間歇性發生的問題。

結語

我們正進入一個網路互連的新時代。物聯網將使桌上型電腦、筆記型電腦和智慧型手機等組合的歷史榮景相形色。這些小型且資源受限的裝置將驅動廣泛的應用成長,從家庭自動化到建築物安全感測器,從農業灌溉到工業加工自動化,從醫療保健到個人衛生,這些都將觸及日常生活的洛方面,並改變我們與周遭環境的互動方式。

這些裝置大多都是無線連接的。目前有多種無線技術可提供IP連接,但預期Wi-Fi、Bluetooth Smart和802.15.4網狀網路協議將會是主導家庭互連的重要解決方案。Thread是網狀網路的未來。它提供安全、可靠和可擴展的IP網狀網路解決方案,以及最佳化的低功耗作業。


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