Thread是什么？Thread可以与Wi-Fi、以太网等通信吗？

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Thread规范概况

看了下面这张图，便可大概了解Thread是干什么的。图中橙色区域的部分便是Thread所涉及的内容：

首先，它无关乎底层（物理层和MAC层），用它自己的话说，Thread采用了IEEE这个强大而成熟的标准做基础，而不需要重新发明轮子。其次，它无关乎应用层，Thread是基于 IPv6 的网络层解决方案。任何可以在 IPv6 上运行的低带宽应用层都可以在 Thread 上运行，而且多个应用层可以共享同一个网络。总的说来：

Thread 是一种低功耗无线网状网络协议，基于普遍支持的互联网协议 (IP)，采用开放和成熟的标准构建。

Thread 可实现设备到设备和设备到云的通信，可靠地连接数百（或数千）种产品，并包含强制实施的安全功能。

Thread 网络没有单点故障，在添加或移除设备时可自我修复和重新配置，而且设置和使用都很简单。

Thread 基于广泛支持的具有极低功耗和低延迟的IEEE 802.15.4无线标准。

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Thread与IEEE802.15.4

我们曾在UWB的前世今生（一）中提到过IEEE 802.15.4的标准：2007年，UWB的新标准IEEE 802.15.4a出台，4a标准是在原有的WPAN网络IEEE 802.15.4标准的基础上增加的。那么，802.15.4到底定义了什么呢？

一是用于与固定、便携和移动设备进行低数据速率无线连接，且不需要电池或电池消耗非常有限的物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层规范；

二是针对超低复杂性、超低成本、超低功耗和低数据速率的廉价设备之间的无线连接，特别是针对物联网（IoT）的通信要求。

三是对于一些备用 PHY 还提供精确到1m的精密测距能力。

四是定义了多种物理层来支持各种频段，如下图所示：从100多MHz一直到10多GHz。

然而Thread规范使用的是IEEE 802.15.4 在2.4 GHz 频段以 250 kbps 的速率运行的物理和MAC层通信。

IEEE 802.15.4 被用作 Thread 规范的基础，在链路层为单个 Thread 设备之间提供可靠的信息传输。

IEEE 802.15.4 提供载波侦听多路访问-碰撞避免（Carrier Sense Multiple Access – Collision Avoidance：CSMA-CA）机制，允许多个Thread设备在传输前等待畅通信道，从而利用共享的 2.4GHz 带宽。

IEEE 802.15.4 采用链路层确认和重试，实现了单个信息的可靠传输。

此外，还提供加密、验证和重放保护，以确保通信安全。

对于低功耗设备，定义了可以从始终在线的节点提取缓冲信息的机制。

Thread 使用的 IEEE 802.15.4 MAC层信息包括：64 位扩展地址；16 位短地址；能力信息；PAN ID；发送和接收的数据包；发送或接收时丢弃的数据包；安全错误；MAC 重试次数。

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Thread可以与Wi-Fi、以太网等通信吗？

答案是可以的。我们来看下面这张图是一个Thread在企业网络环境中应用的例子：

橙色部分以下为Thread网络设备，橙色部分以上为传统的企业设备，例如有Wi-Fi接入设备，有以太网接入设备，等等。很显然，Thread网络设备之间可以互联互通，并且通过橙色实心圆代表的Border Router：边界路由器，可以实现传统网络设备与Thread的通信。在下图的家庭网络中亦是如此。

所以Thread的规范架构也可以这样来画：

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Thread设备类型

Thread的规范中定义了哪些设备类型呢？总的来说包括Full Thread Device（FTD）和Minimal Thread Device（MTD）两大类。FTD是在Thread网络中扮演角色最为多样化的一种设备类型，包括上面提到的边界路由器。而MTD 对设备硬件（如内存大小）和功耗的要求最低。

1. FTD又进一步分为路由功能的FTD和非路由FTD。

路由FTD：路由FTD为试图加入网络的设备提供加入和安全服务。而且路由FTD可以降低功能等级，成为 REED（Router-eligible End Devices：符合路由器条件的终端设备）。而领导者（Leader）FTD是Thread网络中一个路由器的附加角色。一个领导者由路由器选举产生，负责在Thread网络中做出某些决定，如允许 REED 升级为路由器。如果Thread网络的 "领导者 "失效，将动态选择另一个路由器来恢复这一角色。所有路由器都拥有所需的Thread网络数据，可以无缝地担任这一角色。

Border Router：边界路由器，也是一种FTD。是Thread网络的一个关键角色，负责将Threadmesh网络的流量路由到互联网。它提供从Thread网络到其他物理层上的相邻网络（如 Wi-Fi 或以太网）的连接。除此之外，边界路由器还为Thread网络内的设备提供服务，包括网络外操作的路由服务。一个Thread网络中可能有多个边界路由器。任何Full Thread Device（FTD） 都能提供边界路由器服务，即使该设备在 Thread 网络中不充当路由器也是如此。

非路由FTD：包括REED和FED。REED 有能力成为路由器，但由于网络拓扑结构或条件的原因，并没有充当路由器。Full End Device：（全终端设备：FED）是与 REED 类似的终端设备，但它们不具备成为路由器的能力，因此永远不会成为路由FTD或领导者。

2.MTD又分为最小终端设备（Minimal End Devices：MED）、休眠终端设备(Sleepy End Device：SED)和同步休眠终端设备（Synchronized Sleepy End Device：SSED）

最小终端设备（MED）：只能通过Parent 路由器进行通信，不能为其他设备转发信息。即使在空闲时，MED 也会打开radio。

休眠终端设备 (SED) ：只能通过Parent路由器通信，不能为其他设备转发信息。SED 在空闲期间关闭radio，并定期唤醒以与其Parent设备通信。

同步休眠终端设备（SSED）：只能通过Parent路由器通信，不能为其他设备转发信息。SSED 在闲置期间关闭radio，并定期唤醒，按预定时间间隔监听Parent设备的信息。

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Thread与IPv6

前面已经说了，Thread是基于 IPv6 的网络层解决方案。Thread Network 中的设备支持 [RFC4291：https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc4291.html] 中指定的 IPv6 寻址架构。如下表所示，Thread Network 默认为每个设备自动配置特定的 IPv6 地址。每个 Thread 设备还可根据应用需要配置其他地址。

例如在一个智能大厦中，采用Thread网络，由于Thread完全基于 IPv6，它不仅可以利用广泛认可的网络安全机制，还可以无缝集成到现有的楼宇网络基础设施中。传统的自动化系统通常将每个应用都孤立在不同的网络中，与此相反，多个基于不同标准的应用都可以通过 IPv6 实现无缝集成。

此外，Thread 设备使用 [RFC 4944] 和 [RFC 6282] 中定义的 6LoWPAN 标准，通过 IEEE802.15.4 网络传输 IPv6 数据包。

什么是6LoWPAN？

6LoWPAN：IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks；

6LoWPAN这个工作组已完成两份 RFC："IPv6 over Low-Power 无线个人局域网 (6LoWPAN)和"通过IEEE 802.15.4 网络传输IPv6 数据包"（RFC4949）。该文件定义了 IPv6 与 802.15.4 之间的适配格式。Thread网络内使用报头压缩，传输信息的设备尽可能压缩 IPv6 报头，以尽量减小传输数据包的大小。

审核编辑：刘清