硬核答疑 | Thread网络技术，究竟好在哪儿？
Thread是一种基于IPv6的网状网络协议，旨在将家庭和办公产品彼此连接、连接到互联网和云端。Thread网络易于安装，安全性高，可扩展至数百台设备，专为在低功耗的IEEE 802.15.4芯片组上运行而设计。
本文将从主要特性、低功耗技术应用、无单点故障健壮性，及其配网与安全机制几个方面，对Thread网络技术做一个全面的介绍。
Thread网络简介
总体来说，Thread是一种用于物联网产品的低功耗、高时效的网状网络技术，其主要特性包括：
基于IEEE-802.15.4的Mesh网络
6LoWPAN之上的IPv6通信
支持电池供电的低功耗设备联网
安全机制强大，确保网络可靠运行
无单点故障，失去云连接仍可独立运行
网络层上可灵活承载Matter、DotDot等多种应用
Thread网络结构
Thread网络中包括几类功能“角色”不同的节点设备，如终端或路由器、路由器、Leader、边界路由器等。
以下几张图对于Thread网络中不同节点设备的特性进行了更细致的说明。
无单点故障健壮性
与其他无线网络相比，Thread网络的一个突出的特点就是其具有无单点故障的健壮性。
Thread网络的健壮性的实现包括两个要点：
引入Trickle（涓流）机制，在相邻Router之间通过周期性的MLE Adv消息逐步收集并更新完整的网络数据，使得网内所有Router设备同步到最新的网络配置，当任何FTD设备失效后其它FTD设备自动代替之
引入低功耗及有损网络的组播协议MPL（Multicast Protocol for Low Power and Lossy Networks），Router设备通过重传消息确保可靠通信，同时也可以避免应用层多次处理重复收到的组播消息
Thread无单点故障的特性详解如下：
Leader失效后网络内某个Router设备自动升级为Leader设备
当有需要时，比如Router设备失效，网络自动将某个REED升级为Router设备代替失效的Router设备以增强网络内部互连的可靠性
对于单个Border Routers的网络，当BR失效，本地Thread网络内部节点工作不受影响；对于多个BR网络，当某个BR失效，可由其它BR自动代替之
低功耗技术应用
Thread网络的低功耗特性也是其备受青睐的原因之一。
具体来讲，Thread的低功耗技术包括：
极低的无线SOC射频收发功率
SOC支持多种MCU超低功耗模式
很短的工作期（active duty cycle）使得休眠设备使用电池供电也可以正常工作长达数年之久
网络结构限制FTD常电设备的数量而支持大量电池供电的休眠设备，使系统整体功耗大幅降低
IEEE 802.15.4和6LoWPAN
MAC层使用16位短地址使更多负载可用于传输上层应用数据，降低数据包被分段再重组的几率
IP包压缩使原来超过40字节的开销减为不到10字节
链路层包转发（link-layer packet forwarding）机制避免了在本地Mesh网络内的消息传输被提交到上面的网络层进行额外的处理
此外，Thread 1.2中还引入了以下低功耗新特性：
Enhanced Frame Pending（增强帧等待）
消除了SED额外的Poll Request
▲无EFP的休眠设备从父节点获取数据
▲支持EFP的休眠设备从父节点获取数据
Synchronized Sleepy End Devices（同步休眠终端）
IEEE 802.15.4-2015引入Coordinated Sampled Listening (CSL，协调采样侦听)特性，使得休眠设备与其父节点保持同步，在预定时刻接收父节点保存的数据。
Link Metrics Probe（链路指标侦测）
通过建立与父节点之间的链路指标侦测机制获取诸如LQI，RSSI和Link Budget等参数
根据与父节点之间的链路性能动态调整休眠节点的发射功率，接收器放大增益及天线分集等参数
Enhanced Keep Alive（增强的保持链路激活消息）
结合Enhanced Frame Pending，休眠设备无需通过向其父节点不断发送Data Poll Request来确保其自身是活跃设备，而仅仅上报数据就可以确保父节点不会删除该节点
Thread的低功耗特性使其非常适合于各类传感器应用，比如：
大量上报数据
利用定时器周期性唤醒并通过父节点上报数据，如温度传感器
IO口触发事件唤醒并通过父节点上报数据，如PIR传感器
配网与安全机制
Commissioning角色（Role）
Commissioner
作为身份认证服务器和授权者提供网络的 credentials
Border Agent
任何具备在Commissioner和Thread网络节点之间中继转发消息能力的设备
Commissioner Candidate
具有成为Commissioner能力且准备向Leader申请成为Commissioner的设备
Joiner
等待加入Thread网络的设备节点
Joiner Router
Thread网络内距离Joiner一跳的路由器或REED设备
Commissioning类型
Out-of-band Commissioner
Commissioner并不一定具有802.15.4的接口，而是带有WiFi / BLE等其它接口，能够向border agent发MGMT_GET命令
On-mesh Commissioner
Commissioner具有802.15.4的接口,且拥有Thread网络credentials
Native 802.15.4
Commissioner拥有802.15.4的接口但没有Thread网络的credentials
Commissioner
Border Router注册登记（Registration）
Discovery：Commissioner (如带WiFi的手机) 通过某个Border Router发现了Thread网络
Authentication：Commissioner通过commissioning credential安全连至Thread网络
Registration：Commissioner向Border Router注册了其ID
Thread网络管理
申请Petitioning： Border Router向Leader单播请求其将候补Commissioner批准为正式的Commissioner
Management commissioner可以读取或设置诸如commissioner credential, 网络名称, 安全策略等参数
JOINER
Joiner Protocol
Discovery：Joiner加网设备使用802.15.4的主动扫描active scan机制，在所有频道Channel广播发送信标请求beacon request消息以发现存在的Thread网络
Provisional Join：unsecure不安全的至Joiner Router的本地链接
Joiner Authentication：发给Joiner Router的DTLS 握手handshake消息
Joiner Finalization
Entrust：移交（handoff）网络credentials给 Joiner
Provisioning： 若Joiner请求特殊的 commissioning方式,则需要引入特定供应商（ vendor-specific）认定的provisioning
Close Session：使用DTLS Alert机制结束当前会话
安全配网（Secure Commissioning）
配网Commissioning 基于节点和Commissioner之间的端到端安全和加密信道，端到端之间其它参与中继转发的节点使用DTLS方式传输但并不会对报文内容进行解密
Shared secret一般通过扫描加网节点上印的QR码建立起来
Elliptic Curve J-PAKE用于生成高强度秘钥，实现消息保护和安全配置数据的分发
Commissioning session 可用于更新网络配置参数
OPENThread NXP解决方案
恩智浦可以提供全面的OPENThread应用解决方案，相关技术信息如下：
▲ 本文作者潘健，恩智浦半导体无线互连产品线系统应用工程师
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