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Thread網路協定加持 智慧家庭應用如虎添翼
新通訊 20179 月號 199 期《 封面故事 》
文.Sally Ward-Foxton
Thread加速聯網家庭的發展步伐。低功耗無線連線家庭自動化網路用的開放標準Thread,兼具可擴充性、可靠性,以及智慧手機級別的身分驗證和AES加密安全功能,提供終端裝置低功耗與安全的優勢,為智慧家庭注入強勁發展動能。
隨著更多用於家庭自動化應用的物聯網(IoT)裝置進入市場,有效和高效的互通性變得越來越重要。今日的許多商用通訊協定是專有的,意味著只有來自同一供應商的裝置才具有互通性。更糟糕的是,專有協定的配置是棘手複雜的,不但效率降低,而且安全性未達到應有的強度。許多專有系統利用單一節點連上網路,例如家庭Wi-Fi路由器,這意味著如果路由器失效,整個網路將完全癱瘓。 

開放標準的通訊協定可解決專有協定的缺點,例如低功耗藍牙和ZigBee等既有技術非常受歡迎。此外,Thread技術亦開始受到智慧家庭感測器製造商的廣泛注意。  

Thread正逐漸受智慧家庭採用,它具備低功耗、易於使用且安全的優勢。Google在2014年初收購了提供智慧家庭用恆溫器的知名公司Nest。自此,Google就開始使用Nest提出的Thread協定作為其智慧家庭連線產品的基礎。  

Google接著設立了Thread群組(Thread Group),成員包括三星(Samsung)、安謀國際(ARM)和高通(Qualcomm)等廠商,一起開發和維護Thread作為低功耗無線連線家庭自動化網路用的開放標準。第一個Thread標準於2015年7月發布,具有可擴充性和可靠性,以及智慧手機級別的身分驗證和AES加密安全功能。 

結合WPAN和IPv6 

包括ZigBee和Wireless HART在內的一些其他智慧家庭標準建立在IEEE 802.15.4標準上,Thread技術也是如此,這有助於支援其低功耗性能。自2003年以來,電機電子工程師協會(IEEE)開發並維護了這個實體層(PHY)和媒體存取層(MAC)標準。它是設計用於低功耗及低傳輸率的無線個人區域網路(WPAN),允許最高達250kbit/s的數據傳輸,但可以透過降低速率以降低功耗。其有效距離約為10公尺。 

圖1 Thread定義了傳輸層和網路層(包括IPv6和使用者數據協定),以6LoWPAN為基礎形成IEEE 802.15.4 PHY和MAC用的適配層。
低功率無線區域網路(IPv6 over low power WPAN, 6LoWPAN)的適配層不僅橋接了IEEE 802.15.4 PHY和MAC(主要用於家庭網路中輕量級封包傳輸),也橋接了Thread上層和應用(用於處理較大封包和IPv6協定的IP位址表頭)。請見圖1。  

透過支援網路協定(IP),Thread裝置可以和其他IP位址裝置利用IoT進行通訊,而不需要依賴昂貴和複雜的閘道器。Thread網路使用相對便宜的「邊界路由器」(Border Router)來代替複雜的閘道器裝置,從而可適切地將短距的WPAN訊號連接到網際網路。IP的支援同時也意味著Thread裝置能利用已經用於其他IPv6裝置之既有的、經驗證的安全性和傳輸協定。 

Thread網路 

Thread的第二項優勢在於其採用Mesh的網路連接方式來支援高達250個裝置。在單一節點失效時,Mesh網路能重新導向數據封包傳送路徑來達到自我修復,以冗餘方式提供保護。網狀拓撲還支援可擴充性,能簡單地增加更多節點,以擴充網路的覆蓋範圍。  

然而,並不是所有Thread裝置都能夠作為Mesh節點來運行。終端裝置,例如智慧家庭的恆溫器,只能透過親節點(Parent)的路由器傳輸數據並檢查訊息。這樣的感測器大部分時間都處於休眠模式,並且透過限制終端裝置的網路功能和工作週期,從而提高效率(和電池壽命)。 

路由器透過網路流量和促進新裝置的指派,在Thread的Mesh聯網中扮演了重要的角色。新的裝置需要使用者透過智慧手機或平板電腦來進行安全驗證,然而這種驗證只需要幾個步驟。建構網路的第一個裝置被指定為主導路由器(Lead Router),並代表網路做決定。網路中的其他裝置則是可以擔任「符合路由器條件的裝置」(Router Eligible)或終端裝置;如果有需要,「符合路由器條件的裝置」也可以擔任路由器。與終端裝置不同,路由器並不設有休眠功能,因此無可避免地會使用更多的電池電量。  

圖2 Thread採用Mesh網路結構,由路由器裝置和終端裝置組成(例如 恆溫器、監控攝影機等)。
邊界路由器可作為Thread網路和外部網路之間的橋樑。Border Router可以是特定的Thread閘道器裝置,或者可以是能和別的協定進行通訊的其他裝置,例如具有內建Thread功能的家庭Wi-Fi閘道器。如果網路中的一個Border Router發生故障,另一個則可以進行接管(見圖2)。 

採用Thread技術的產品 

Nest在2016年發布了一個名為「OpenThread」的Thread開放原始碼軟體。該聯網協定公開於GitHub平台,而且可在多平台上支援和無線通訊抽象層無關的操作系統和平台。此舉是為了讓更多開發人員可採用Thread技術,以鼓勵他們將該協定整合到新產品中。但是,公司必須加入Thread群組才能獲得使用這個協定的智財權。產品還必須能經過該組織的批准,才得以標示為「Thread認可」(Thread-certified)的認證產品。 

Thread正和無線晶片供應商一起成長。例如,Nordic是低功耗藍牙、ANT+和2.4GHz專有解決方案的既有供應商,在其nRF52840系統單晶片上添加了對IEEE 802.15.4 PHY和MAC的支援。對希望在Thread裝置上採用系統單晶片的802.15.4功能的開發人員,Nordic提供採用OpenThread的軟體開發工具套件,可幫助他們進行產品開發。  

由於Thread在智慧家庭領域中具有關鍵優勢,而且建立於IEEE 802.15.4的產品在軟體升級方面相對簡單,從而促使了這些產品採用Thread協定,而OpenThread的推出可保證快速實現Thread技術的採用。當Thread流行後,像智慧恆溫器這樣的家庭自動化裝置,將可真正成為物聯網組成的一部分。 

(本文由ULP Wireless Q提供)

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