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新的无线线程网络协议

2020-10-9 07:29:04  155 网络协议
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最近的开始
Thread是针对连接家庭进行了优化的新无线网络协议标准。它的历史不长...由Thread组的创始成员(ARM,Big Ass Fans,Freescale Semiconductor,Nest Labs,三星电子,Silicon Laboratories和Yale Security)于2014年提出,该标准于7月发布2015年。Thread具有特定的设计目标:到物联网(IoT)的家庭连接。它使用Internet协议版本6(IPv6)在IEEE标准802.15.4无线个人局域网(PAN)网络中路由设备到设备的通信。使用这种最新的初始版本,本文中的信息可能会更改。
该线程组 是不以营利为目的组织,负责教育,市场营销,认证和推广主题的。来自线程组:
“我们将线程设计为具有以下重要功能:
  •      方便消费者使用
  •      永远安全
  •      高效节能
  •      一种开放协议,可本地承载IPv6
  •      基于健壮的网状网络,无单点故障
  •      在现有的802.15.4无线电芯片上运行
Thread旨在支持家庭中的各种应用:家用电器,访问控制,气候控制,能源管理,照明,安全性和安全性。”
自会员开放以来,线程组一直稳定增长。非常感谢线程组的支持。

线程简介
线程旨在解决家庭中连接智能设备的问题。快速浏览一下现有产品,就会发现有许多不同的设备在各种网络上运行,而这些应用程序可能一起工作,也可能无法一起工作。使用制造商的应用程序,可以通过智能手机轻松安装和控制书房中的智能吊扇。也可以将其他制造商的智能恒温器安装在书房中并向智能手机报告...但是,如果恒温器指示周围空气温度高于75度(F),房主希望吊扇工作,该怎么办?如果打开书房中的智能窗口时风扇不运转怎么办?温控器如何向风扇传达以下信息:该开始营业了吗?风扇如何知道窗户是打开的?从每个制造商处获取详细信息并尝试链接设备可能会变得很复杂。即使所有设备都是基于IP的,如果使用不同的网络协议,它们也可能无法一起工作。
这是线程旨在处理的场景。它与每个启用IP的智能设备充当主机,形成基于IP的网络。如图1所示(来自线程组),网络通过路由器连接主机。这些设备具有唯一的IPv6地址,并且网络内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Internet,因此可以从智能手机和平板电脑控制所有设备,也可以转发要存储在云中的数据。与某些其他网状网络不同,不允许自动发现和临时网络添加。所有添加到Thread网络的设备都是网络所有者发起加入的结果,并且只能将经过身份验证的设备添加到网络。
HREAD.png
图1.线程网络。

线程处理开放系统互连(OSI)模型的网络层。OSI模型使通信系统标准化,底部是硬件和物理组件,顶部是应用程序。线程协议栈(来自线程组)如图2所示。

IEEE.png
图2.线程协议栈

线程将IEEE标准802.15.4用于物理(PHY)和媒体访问控制(MAC)级别,并且未指定顶层应用程序层。它在工业,科学和医学(ISM)2.4GHz频带上运行,并且可以在当前支持802.15.4的相同无线电模块上运行,例如ZigBee和WirelessHART。表1提供了有关线程的一些信息。
线程表.png
线程小组说,软件升级可能允许线程在ZigBee网络上运行。当前,Thread和ZigBee堆栈均可使用微控制器。这些Dual PAN设备使用相同的无线电,应用程序开发人员可以将精力集中在他们的程序上,并在设计周期的后期决定运行哪个网络。与其他标准一样,线程产品必须经过认证过程,并且所有线程认证的产品都将互连。与会员资格和认证相关的费用。
图2显示了Thread指定的网络层基于现有标准,并针对家庭连接环境进行了优化,增加了安全性和调试(对设备进行身份验证的过程。)Thread使用Internet工程任务组(IETF)标准6LoWPAN(低IPv6无线个人局域网),IP路由和用户数据报协议(UDP)。
6LoWPAN支持在IEEE 802.15.4网络上进行有效的IPv6通信,从而可以通过低功耗,低速链路发送IPv6数据包。请注意,线程使用带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提供了更快的数据包传送速度,并且在数据包处理机制之外提供了可靠性。
除了可靠性之外,Thread还增加了安全性,网状网络拓扑,电源管理以及将设备调试和加入网络的简单方法。结果是一个安全,强大的网状家庭网络,可以处理IoT连接,因此房主可以轻松地监视,配置和控制其各种智能设备。
资质认证
线程规范将由线程组维护,而认证和测试将由UL(保险商实验室)和Granite River Labs(GRL)完成。线程组的技术任务组正在与UL合作管理认证过程,而GRL提供了测试工具,该工具是一个由硬件和软件组成的平台,用于验证线程协议栈。只有经过认证的Thread产品才会带有Thread徽标。

应用层
线程不指定应用程序层,也不在乎正在运行什么应用程序。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。线程保证经过线程认证的设备将互连。应用程序可能涉及照明,温度控制,安全性,烟雾检测;随着Thread进入市场的成熟,预计将开发应用程序以轻松控制家庭中的所有智能设备。
2015年4月,线程组与ZigBee联盟 宣布了一项合作,这将使ZigBee控制库(ZCL)能够在线程网络上运行。已经为基于ZigBee的堆栈编写应用程序而熟悉ZCL的开发人员可以利用他们的知识为基于Thread的堆栈编写应用程序。ZCL为连接的设备如何通信定义了一个标准框架:它们如何识别它们是什么以及它们具有什么功能。
尽管ZigBee是ZigBee IP的IPv6版本,但用于设备到设备通信的Thread IP路由针对的是IoT和连接家庭的各种应用。

线程网络组件
线程网络(图1)由主机设备,路由器和边界路由器组成。
主机设备是单个启用IP的功能设备,例如灯泡,风扇或恒温器,并且是网络中的端点。设备也可以称为困节点或困孩子;路由器是父节点(不处于睡眠状态)。昏昏欲睡的术语表示设备大部分时间都处于睡眠模式,并具有低功耗操作所需的低占空比。设备仅通过父路由器进行通信,而不会转发其他设备的消息。由于设备在睡眠模式下无法接收数据,因此父设备会保留其消息,直到设备唤醒以轮询数据或发送数据为止。
设备的典型发送周期可能是:
  • 从睡眠模式中唤醒。
  • 执行任何必需的启动和无线电初始化。
  • 进入接收模式并检查是否清除发送。
  • 进入传输模式。
  • 传输数据。
  • 获得确认(如适用)。
  • 睡觉。

路由器为网络设备提供路由。他们还负责处理加入网络的设备并提供安全性;他们可以充当领导者角色并启动线程网络。它们始终保持活动状态,维护邻居表,子表和路由表并相互连接,因此网格保持完整。如果路由器出现故障,其余的线程路由器会更新其路由信息,以便仍可以使用现有节点转发邮件。如果父路由器出现故障,则另一台路由器将充当设备的父路由器。线程的网状拓扑提供了一种自我修复的通信框架。路由器也可以降级为符合路由器条件的终端设备(REED),如果条件需要,这些设备不转发消息。REED和路由算法由Thread网络管理,无需用户干预。
边界路由器充当简化的网关,处理线程网络和非线程网络之间的连接,如图1所示。它们具有处理802.15.4和Wi-Fi(802.11)或以太网(802.3)连接的能力。边界路由器可以是单独的通信设备,例如结合了线程和Wi-Fi接口的线程网络中的接入点或主机设备。线程网络可以具有多个边界路由器。
图3显示了部分Thread网络。网络中的每个端点均经过线程认证的风扇和恒温器通过父路由器进行通信。
SLEEPY.png
图3.部分线程网络

图4中显示了一个包含风扇和恒温器的Thread网络。该网络视图假定正在运行合适的应用程序来控制智能设备,因此:
  • 当恒温器指示周围空气温度高于75度(F)时,风扇启动
  • 如果门打开并且当地时间晚上8点以后,指示灯会亮起
  • 如果打开窗口,则风扇在运行时停止
房主可以随时通过使用智能手机或平板电脑来启动风扇。来自智能手机的消息由线程边界路由器处理,该路由器将其转发到线程网络。在Thread网络中,路由器使用其IP地址将消息发送到特定的风扇设备。(或者,如果风扇处于睡眠模式,则为其父路由器)。从睡眠中唤醒并轮询父母之后,将向风扇转发该消息。作为响应,它将开始。

图4.线程网络

连接设备
将处理的路由器或边界路由器添加到Thread网络中并对其进行身份验证,这些路由器或边界路由器以领导者和委托人的角色运行。线程网络确定了负责某些网络功能(例如分配路由器地址和处理新路由器请求)的负责人。如果当前领导者掉线,则其他路由器或边界路由器将自动担任该角色。专员充当新Thread设备的身份验证服务器,并充当提供加入网络所需的网络凭据的授权代理。
如果房主购买了新的经过Thread认证的设备,则他们将启动连接,让设备发现网络并提供安全密码。仅在对凭据进行身份验证时,设备才会加入网络。加入后,该设备将配置为父路由器,并且可以参与网络。路由表和其他网络信息将更新以反映添加的内容。

概要

Thread是一种网络协议,专注于连接的家庭和物联网。它专为低功耗和基于IP的通信而设计,可为启用IP的智能家居设备提供安全,强大的网状网络。保证线程认证的设备可以互连。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可以一起使用。

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