为什么说Thread协议是智能家居和智能建筑实现的基础

本文编译自EDN，作者Silicon Labs射频工程师ASEM ELSHIMI

Thread有潜力将Internet协议（IP）无缝地引入到智能家居和智能建筑环境中的低功耗，受限和网状设备中，意味着开发人员可以在资源受限的物联网设备上运行成熟的Internet应用程序，在安全方面，它也变得极为有用。

Thread是基于IP的标准，它具有赋能智能家居监控摄像头和门锁的潜力，其安全解决方案与工程师使用并信任的DTLS和UD等信用卡交易相同。Thread的实现——OpenThread是一个开放源代码平台，这意味着当设计工程师使用Thread时，他们将获得开发人员社区的力量，他们可以共同努力完善软件堆栈。

考虑到物联网网络的规模，我们需要信任的安全解决方案。由于Thread基于IP，因此直接连接到Internet不需要在Thread网络和Internet之间使用转换器或映射网关。这简化了Thread网络结构，并使开发人员的体验更易于管理。

无缝的Internet连接还为Thread网络增加了另一个重要的安全功能：端到端加密。数据将进行加密，然后遍历Thread网络，然后遍历Internet的主干网，直到到达云服务器，同时一直进行加密。工程师可以为物联网消费者提供的隐私和安全优势，因为数据在家里打包，而在云数据中心才解包。

Thread将自身定位为具有网络特性，并将所有应用程序层事务抽象为IP流量。因此，Thread开发人员可以构建或使用他们喜欢的任何应用程序，从而保持相当大的自由度，而不必担心网络特性。物联网网络的应用层就是人类使用的语言，而网络相当于大脑。OpenThread为不同甚至并发的应用程序（语言）设置了可靠的平台（大脑）。

认为Thread是一个非常聪明的多语言朋友。通过使用Thread，开发人员可以随时修改其应用程序，甚至可以在Thread之上运行多个应用程序，从而使其无缝适合IoT App层融合。由于这种激励措施以及与基于IP的DSL和Wi-Fi等通信标准的兼容性，智能家居和智能建筑领域也采用Thread。

OpenThread无线电实现

Thread基于IEEE 802.15.4低功耗，自我修复的Mesh网络协议。从硬件的角度来看，芯片提供商可以为Thread终端节点提供可靠，低成本，小批量和高能效的SoC。半导体供应商正在OpenThread中维护其SoC驱动程序，从软件的角度来看，这是Thread的开源实现。Thread的成长和发展，加上社区的力量，可以减少专利使用费，许可成本和总体设计工作量。

图1 Thread在其实现中利用了成熟的无处不在的技术来将IP引入低功耗Mesh网络。资料来源：Silicon Labs

Thread可以通过将无单点故障方案引入IEEE 802.15.4自愈Mesh网络来解决此问题。Thread网络始终可以到达服务器，并将可靠性提高到一个新的水平。这意味着消费者不必担心使用Thread网络的产品无法可靠地打开/关闭。

Thread Group还将Thread升级到Thread 1.2，集成了多个扩展和功能，同时显着改善了Thread 1.2与智能建筑的兼容性。如果更容易安装Thread网络，则可以启用多播，从而增加Thread 1.2中可能的节点数。

Thread还通过集成其他技术来扩展其范围。例如，Thread1.2可以启用使用蓝牙设备的调试。用户可以使用手机上的蓝牙来首次调试新的Thread设备进入网络。这使Thread成为将蓝牙设备连接到Internet的粘合剂。未来的智能建筑可能会将Thread作为低功耗设备的基本IP层，同时利用蓝牙的普遍性和实时定位服务等功能。

多项协议共同工作

智能家居和智能建筑细分市场均配备了Wi-Fi，蓝牙和Zigbee等网络协议。这些协议中的每一个都有一个优势，使其适合于特定的解决方案或设备。Wi-Fi是家庭和商业环境中的通用无线连接协议，可提供可靠且快速的RF通信。另一方面，蓝牙和Zigbee为资源有限，电池供电的设备（例如智能恒温器和智能灯）提供可靠的RF通信。

图2可以将Thread概念化为Wi-Fi，以用于功耗受限的Mesh网络设备。资料来源：Silicon Labs

在智能家居协议范围的一端，存在具有无处不在，可靠性和安全性的Wi-Fi。Wi-Fi由于是基于IP的，因此会立即将其节点连接到Internet。因此，任何Wi-Fi交易都可以端到端完全加密。但是，Wi-Fi占用大量资源和能源，这限制了其对于部分家庭应用的实用性需求。可以将Thread视为Wi-Fi的替代方案，重点放在受限的低功耗网状设备上。它将许多Wi-Fi功能（安全性，可靠性和无缝Internet）扩展到了可以在IEEE802.15.4无线电上运行的低功率节点。

在频谱的另一端，有一系列低功耗无线网状协议，例如Bluetooth Mesh，Zigbee和Z-Wave。这些技术可以为您的网络节省大量的功耗。但是，它们都不是基于IP的。它们的节点需要特殊的网关才能连接到Internet。网关使实施设备到云的加密变得有些麻烦。路由器剥夺了端到端加密功能，这增加了安全风险，并使智能生活变得有些复杂，尤其是对于已经不堪重负的IoT消费者而言。Thread填补了这一空白。

Thread通过IP设计的灵活性完善了低功耗Mesh网络协议系列。您能想到如何使用Wi-Fi操作打印机，发送电子邮件以及执行许多其他操作吗？另一方面，Thread允许运行多个应用程序，从而帮助数字中心切换灯和控制门锁。

表1Thread对具有IP功能的电池供电的无线协议进行了补充。资料来源：Silicon Labs

OpenThread和IoT融合

从消费者的角度来看，购买新的物联网小产品后，发现它与现有系统不兼容可能会很痛苦并且令人沮丧。为了避免这种情况，进而显着改善IoT消费者的体验，业界一直在寻求统一的IoT平台。此外，IoT开发人员和供应商之间达成共识，即IoT平台的统一将简化开发周期并实现更大的互操作性和兼容性。避免将平台的统一与单一协议适用于所有的解决方案混淆也很重要。

平台的统一在于协调不同的协议，并利用其真正的潜力来解决物联网领域的不同问题。另一方面，不可能构建一个适合物联网领域每个用例的协议。协议的多样性源于工程师正在解决的各种问题。

因此，亚马逊，苹果，谷歌和Zigbee联盟共同推动了推动IP互联家庭项目的工作组的成立。Zigbee联盟的成员IKEA，Legrand，恩智浦半导体，Resideo，三星SmartThings，施耐德电气，Signify（以前是飞利浦照明），Silicon Labs，Somfy和Wulian也加入了工作组并为该项目做出贡献。

IP互联家庭项目的目标是简化制造商的开发并提高消费者的兼容性。该项目基于共同的信念，即智能家居设备应该安全，可靠并且可以无缝使用。通过建立在IP之上，该项目旨在实现智能家居设备，移动应用程序和云服务之间的通信，并为设备认证定义一套特定的基于IP的网络技术。

图3 IP家庭互联项目通过构建统一的基于IP的平台来实现IoT融合。资料来源：Zigbee联盟

该项目将为设备认证定义一套特定的基于IP的网络技术。第一个规范版本的目标将是针对低功耗蓝牙（BLE）的Wi-Fi，Thread和IP实现。

对于那些希望通过IP联网家庭项目启动开发周期的热情开发人员，一个名为“如何使用Project CHIP建造门锁”的演示可作为有用的资源。

IP-BLiS中的Thread

BACnet International，KNX协会，OCF，Thread Group和Zigbee联盟正在共同努力，以使商业建筑与用户的连接需求更好地保持一致，并改善智能建筑产品的集成。楼宇自动化领先技术标准背后的组织现在正在就IP楼宇和照明标准（IP-BLiS）计划进行合作。

他们共同促进了安全的，基于IP的多标准基础架构，将其作为楼宇自动化的骨干，以取代效率低下，仍然广泛使用的孤立解决方案。为此，要统一领先技术标准的运作，减少智能建筑连接中的分散性，并促进对共存解决方案的广泛接受。

图4 Thread有机会证明其在楼宇自动化应用中的相关性。资料来源：Silicon Labs

接下来，Thread1.2提供了一些扩展和改进，使其无缝地适合建筑自动化应用程序。Thread1.2及其商业扩展对调试过程，能够在网络上连接的设备数量以及这些网络的配置和管理方式进行了一些重要的改进。

采用OpenThread

尽管使用Thread有许多用例和成功案例，但它仍处于市场早期采用过程中。但是，Thread是一项面向未来的技术，因此，现在采用Thread的开发人员应该感到安全。

作为物联网开发人员，我们应该牢记在开发酷炫的技术时，首先要满足消费者的价值。Thread将IP带入物联网网络，从而简化了开发并改善了用户体验。Thread还可以在低功耗设备网络中实现前所未有的安全性和融合。Thread的开源实现OpenThread利用社区支持来确保无忧的开发人员体验。

IP已经将互联网粘合在一起了数十年，现在是时候使具有IP的物联网网络释放可扩展性和安全性的新视野了。凭借其基于IP的基础，OpenThread可以运行成熟且经过测试的应用程序。