Sieben Schlüssel zum Verständnis des Thread-Protokolls

A Show of Scrutiny | Critical Role | Campaign 2, Episode 2 (Juli 2019).

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Anonim

Low-Power-Mesh-Netzwerk sorgt zuverlässig für nahtlose Konnektivität

Thread ist ein vereinfachtes IPv6-basiertes Mesh-Netzwerkprotokoll, das entwickelt wurde, um Produkte rund um das Haus miteinander, mit dem Internet und mit der Cloud zu verbinden. Thread ist einfach zu installieren, hochsicher und skalierbar für Hunderte von Geräten. Er verwendet 802.15.4-Chipsätze mit niedriger Datenrate und niedrigen Kosten.
Der Fokus von Thread auf Mesh-Netzwerke, native Unterstützung für Internet Protocol (IP), extrem niedrige Stromaufnahme und Zuverlässigkeit sorgt für das Versprechen einer nahtlosen Verbindung zwischen "Dingen" im IoT. Thread ermöglicht eine effiziente Kommunikation zwischen verbundenen Geräten und eine einfache, aber robuste Schnittstelle zur Cloud. Das Thread-Protokoll bietet eine überzeugende Lösung für drahtlose Mesh-Netzwerke, indem es die folgenden sieben Vorteile für das vernetzte Zuhause bietet:

1. Standardisiertes Protokoll

Offene, auf Standards basierende Protokolle profitieren von technischen Peer Reviews, herstellerübergreifender Interoperabilität und Wettbewerb. Thread basiert auf einer Grundlage von IEEE- und IETF-Standards, einschließlich IEEE 802.15.4. Die offizielle Thread-Spezifikation wurde am 13. Juli 2015 von der Thread-Gruppe veröffentlicht und die Beta-Zertifizierung wurde eröffnet.
Da es sich um ein auf Standards basierendes Protokoll handelt, wurde auch eine Open-Source-Implementierung ermöglicht, z. B. der Nest OpenThread-Stack, mit dem Entwickler die Technologie anhand von Beispielcode bewerten können.

2. Vereinfachte Konfiguration

Thread beseitigt die Komplexität früherer Mesh-Netzwerkstandards, indem es zwei Knotentypen unterstützt: Router Zulässig oder Endgerät beenden. Router Berechtigte Knoten werden zu Routern, wenn sie benötigt werden, um das Netz zu unterstützen. Der erste Router-fähige Knoten zum Bilden des Netzwerks wird autonom als ein Router sowie der Leader bezeichnet. Ein Leader führt zusätzliche Netzwerkmanagementaufgaben durch und trifft Entscheidungen im Auftrag des Netzwerks. Andere Router Berechtigte Knoten können autonom die Rolle eines Leaders übernehmen, aber es gibt immer nur einen Leader pro Netzwerk.


Knoten, die als Endgeräte beitreten, senden Nachrichten an einen Router, der als "Eltern" bezeichnet ist, und der Vater führt Routing-Vorgänge im Namen seines "Kindes" durch. Endgeräte leiten die Kommunikation über die Eltern und können so programmiert werden, dass sie "schläfrig" sind Verbrauch. Endgeräte, die nach mehreren Versuchen nicht mit ihrem Elternteil kommunizieren können, suchen und verbinden sich selbstständig mit einem neuen Elternteil.

3. IP-basiertes Messaging

Da Thread native Unterstützung für IP bietet, haben alle Geräte in einem Thread-Netzwerk eine IPv6-Adresse und können direkt von lokalen Geräten in einem Heimnetzwerk (HAN) oder außerhalb des Netzwerks mithilfe von Thread-fähigen IP-Routern namens Border-Router zugegriffen werden.

Knoten im Netzwerk bilden globale IPv6-Adressen aus Präfixen, die von Border-Routern zugewiesen werden, oder lokal durch ein selbst zugewiesenes Präfix, um eine eindeutige lokale Adresse (ULA) zu bilden. Im Netzwerk verwendete Routing-IDs werden vom Leader zugewiesen. Thread nutzt das User Datagram Protocol (UDP) für Messaging anstelle der schwereren Alternative Transmission Control Protocol (TCP). Im Gegensatz zu TCP ist UDP ein verbindungsloses Protokoll, das auf TCP-Funktionen - wie Fehlerprüfung, Paketsequenzierung und erneute Übertragung - verzichtet und dafür eine schnellere und effizientere Übertragung ermöglicht. Diese Effizienz entspricht einem geringeren Overhead, der für batteriebetriebene Geräte mit begrenzten Ressourcen entscheidend ist.

4. Low-Power-Betrieb

Thread unterstützt Low-Power-Betrieb mit verschlafenen Endknoten, bei denen es sich um Geräte handelt, die den Großteil ihrer Zeit in einem energiesparenden Ruhezustand verbringen. Mit Thread müssen keine schläfrigen Geräte mit dem Netzwerk einchecken. Nachrichten für schläfrige Geräte werden von ihren Eltern gepuffert. Die Nachrichtenübertragung wird nur ausgelöst, nachdem ein Sleep-Gerät aufgewacht ist und den übergeordneten Server nach eingehenden Nachrichten abfragt.

5. Skalierbar und belastbar

Thread kann Netzwerke mit mehr als 250 Knoten unterstützen. In einem Thread-Netzwerk beträgt die maximale Anzahl aktiver Router 32. Routing-Informationen können effizient über das Netzwerk verteilt werden, und alle Router behalten die Sichtbarkeit aller Routen innerhalb des Netzwerks bei. Wenn Knoten zum Netzwerk hinzugefügt werden und sich die Topologie ändert, passt sich das Netzwerk durch den Austausch von Mesh Link Establishment (MLE) -Nachrichten an. Zusätzliche Router können autonom hinzugefügt werden, wenn Router Eligible-Geräte als Endgeräte arbeiten. Diese Geräte "hören" Routing-Nachrichten und fordern den Netzwerk-Leader auf, bei Bedarf Router zu werden, um die Netzwerkleistung zu verbessern.
Thread ist ein robustes, selbstheilendes Mesh-Netzwerk ohne Single Point of Failure. Wenn ein Router ausfällt, leitet das Netzwerk den Verkehr um den ausgefallenen Knoten dynamisch um. Fällt ein Leader aus, wird automatisch ein anderer Router zum neuen Leader gewählt. Multiple Border Router bieten eine ausfallsichere Redundanz für die Kommunikation außerhalb des Netzwerks.

6. Interoperabel

Die Thread-Gruppe hat eine Standard-Testumgebung definiert, die für die Zertifizierung aller Thread-Stacks und End-Thread-Produkte verwendet wird. Diese Testumgebung wird den Mitgliedsunternehmen der Thread-Gruppe zur Entwicklung und zum Testen von Software vor der Zertifizierung zur Verfügung gestellt.
Alle Thread-Komponenten (ICs, Software-Stacks oder Module) müssen vor der Verwendung in Endprodukten als Thread-konform zertifiziert sein. Alle Endprodukte, die das Thread-Logo tragen sollen, müssen zur Laborzertifizierung in einem zugelassenen Testlabor eingereicht werden.
Kürzlich haben die ZigBee Alliance und die Thread Group eine Zusammenarbeit angekündigt, um die ZigBee Cluster Library über Thread-Netzwerke laufen zu lassen. Diese Interoperabilität wird dazu beitragen, die Produktentwicklung zu rationalisieren und die Verbrauchererfahrung im vernetzten Zuhause zu verbessern.

7. Sicher und benutzerfreundlich

Thread-Netzwerke sind so aufgebaut, dass sie einfach zu verwenden und dennoch extrem sicher sind. Thread verwendet AES-128 zum Schutz von Netzwerktransaktionen auf MAC-Ebene und verwendet eine Kombination aus ECC- und J-PAKE-Algorithmen, um Geräte sicher zu einem Netzwerk hinzuzufügen. Anwendungen können standardbasierte IP-Sicherheitsprotokolle verwenden, um Anwendungs-Payloads zu sichern.
Das Thread-Netzwerk geht davon aus, dass ein Inbetriebnahmegerät für einen Benutzer verfügbar ist, um neue Geräte zum Netzwerk hinzuzufügen. Der Thread ermöglicht es, Geräte außerhalb des Netzwerks wie z. B. Smartphones, Computer und netzwerkbasierte Thread-Geräte als Commanders zu definieren. Um einem Thread-Netzwerk beizutreten, weist ein Benutzer das Kommissioniergerät an, dass ein neues Gerät hinzugefügt wird, und gibt eine eindeutige Passphrase ein, die dem verbindenden Gerät zugeordnet ist. Diese Passphrase richtet eine DTLS-Sitzung (Secure Datagram Transport Layer Security) ein, um das beitretende Gerät zu authentifizieren und zu autorisieren, und diesem Gerät wird dann Zugriff auf das Thread-Netzwerk gewährt. Nach dem Hinzufügen des Geräts wird das Inbetriebnahmegerät nicht mehr benötigt.

Thread-fähiges IoT: Ein Ausblick

Die Einführung des Thread-Protokolls trägt dazu bei, den Rollout des IoT-Markts zu ermöglichen, indem es zahlreiche Vorteile bietet, die das Entwerfen, Verwalten, Sichern und Erweitern von verbundenen Geräten erleichtern. Die Verwendung von Thread trägt dazu bei, die Fragmentierung bei der Bereitstellung von IoT-Geräten durch den Kunden zu reduzieren. Es gibt jetzt Hunderte von Unternehmen, die sich mit dem Bau von Thread-Produkten beschäftigen. Die ersten Produkte werden 2016 auf den Markt kommen, und wir werden 2017 ein stetiges Wachstum von Thread-basierten Produkten auf dem Markt sehen.

Von SKIP ASHTON, Vizepräsident von IoT Software, Silicon Labs