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Thread mesh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