Thread协议基础

General Thread introduction

1.1 家用无线网络的要求

✔低功耗

✔弹性（网状）

✔基于IP

✔开放协议

✔安全和用户友好

✔快速上市

✔现有无线电芯片

关于弹性组网： Resilient (mesh)

• No single point of failure 无单点故障
• Self-healing 自我修复
• Interference robustness 干扰鲁棒性
• Self-extending 自我扩展
• Reliable enough for critical infrastructure 足够可靠，适用于关键基础设施

1.2 What is THREAD ？

• 为家庭及其连接产品提供安全的无线网状网络
• 基于久经考验的现有技术构建
  • 在现有 802.15.4 芯片上运行
  • 使用 6LoWPAN 和 IPv6 寻址
  • UDP Transport
• 新的强制性安全体系结构
• 添加/删除产品简单且安全
• 可扩展到每个网络 250 多个产品
• 设计用于超低功耗操作
• 适用于关键基础设施

1.3 THREAD target applocations

Thread专为家庭中的各种产品而设计

• Appliances
• Access control
• Climate control
• Energy management
• Lighting
• Safety
• Security

Thread networking architecture

2.1 网络拓扑

Many Border Router +

One Thread Leader +

Up to 31 Thread Active Router +

Up to 512 per Active Router End Device =

Thousands of Devices Per Network (16K)

可路由设备：

• Active Router : 当网络的连接性相对有限时，REED 请求领导者使其成为活动路由器。 例如：当现有活动路由器的总数小于 < 16
• Router Eligible End Device (REED) : 在最初通过现有的Active Routers加入网络后，或在网络有足够的连接性时，立即加入网络。
• Leader : 如果它是网络分区中的初始设备，或者当当前的领导者不可用时;

The Border Router :

• Usually is a subset of Router Eligible Device
• Has at least one more different interface than IEEE 802.15.4 (e.g.: Wi-Fi, Ethernet, USB)
• Facilitates IP packet forwarding to and from the Thread network to home LAN or upstream IP infrastructure
• Can be a specialized networking device:
  • wireless access point
  • home gateway
• Or can be embedded in a consumer product:
  • thermostat
  • appliance

2.2 flexible network

• Devices join as Router Eligible End Devices or End Devices;
• REED 可以成为一个Router，如果Leader确定需要更好的覆盖范围；
• 所有Router通过Trickle机制和MLE向所有其他路由器保持状态；
• 所有Router通过Trickle机制和MLE维持Border Router的状态；
• Sleeping End Devices route through parent Router
• Router Eligible Devices can also maintain state
• Leader used to make decisions within network；

2.3 No single point of failure 无单点故障

• 不需要识别网络中的专门设备；
• Leader作出决定，但一旦失败，另一个Router将成为Leader
• 网络将在需要时增加Active Routers以改善连接性。

2.4 Low-Power End Devices

• 睡眠设备轮询父母的信息（或远程设备，如果应用程序已配置）
• 睡眠设备不需要与父母设备check in，从而实现低功耗操作
• 父母为睡眠设备保留信息
• 睡眠设备在失去连接时自动切换parent

Thread IP addressing architecture

3.1 IP地址分配

• IP Addresses are assigned at the border between the IP layer and each specific Media Interface below the IP stack（IP地址是在IP层和IP堆栈下面的每个特定媒体接口之间的边界上分配的）
• Multiple IP address can be assigned to the same Media Interface（多个IP地址可以分配给同一个媒体接口）
• The same address can be assigned to the multiple Media Interfaces on the same device or on different devices（同一个地址可以分配给同一个设备上的多个媒体接口，也可以分配给不同设备上的多个媒体接口。）

3.2 IPV6地址符号基础

• An IPv6 address has 16 bytes (128 bits), represented as eight 2-byte groups:
  • 2001:3344:5566:7788:99AA:BBCC:DDEE:0000
• All 0000 groups can be represented as a single 0
• 每个group开头的0可以省略
• 所有0组的最长连续集合可表示为2个冒号:
  • 2001:0044:0000:0000:0000:BBCC:00EE:0000 is equivalent to 2001:44::BBCC:EE:0
• Addresses 分为 Network Prefix and Network Address 网络前缀和网络地址:
• Representing the length of the network prefix can be done with a /prefixlen notation
  • 2001:3344:5566:7788:99AA:BBCC:DDEE:FF00/64

3.3 IPV6 ADDRESS CLASSES

• Unicast –Identifies a single Media Interface on a single network host(识别单一网络主机上的单一媒体接口):
  • Network Prefix: 64 bits
  • Network Address = Interface Identifier (IID): 64 bits
• Multicast–Identifies all network hosts which have assigned a multicast group to one or more Media Interfaces(识别已将multicast group分配给一个或多个媒体接口的所有network hosts)
  • Multicast Prefix: 8 bits all 1s (multicast address format FF::)
  • Flags: 4 bits
  • Scope: 4 bits
  • Multicast Group: 112 bits
• Anycast–Identifies a unicast-like address assigned to multiple interfaces where the final destination of packets can be any of the nodes using the address(标识分配给多个接口的类似单播的地址，其中数据包的最终目的地可以是使用该地址的任何节点)

3.4 HOW MANY ADDRESSES DOES A THREAD DEVICE GET?

Once joined to a network, a Thread device will get:

• At least 3 Unicast IPv6 addresses to the Thread Interface:
  • Link local address (LL64):
  • Mesh local address (ML16, RLOC):
  • Mesh local address (ML64, ML-EID):
• Two All Thread Nodes multicast addresses:
  • Link local all Thread Nodes(Multicast):
  • Realm local all Thread Nodes(Multicast):
• Optional will also get:
  • Unique local address (ULA):
  • Global unique address (GUA):

3.5 THREAD SCOPES

• SCOPES在使用和转发地址的数据包时指定网络的边界;
• Link Local single-hop within radio range
• Mesh Local multi-hop within the PAN
• Unique Local multi-hop within the PAN and inter-PAN for the same network
• Global internet addressable

UNICAST LINK LOCAL ADDRESS LL64

• 允许在IEEE802.15.4无线电范围内的直接邻居之间进行通信，换句话说，就是那些相距一跳的链接。
• LL64接口标识符被设置为MAC扩展地址（$thr get randomaddr），universal/local bit被颠倒。

UNICAST MESH LOCAL ADDRESS ML16

• 到达 Thread 网络中的任何设备，供 Thread 堆栈内部使用。
• RLOC 嵌入了Router ID（分配了leader）和Child ID（分配了路由器）
• 每当 Thread Network 分区拓扑发生变化时，ML16 都会发生变化

UNICAST MESH LOCAL ADDRESS

• 到达 Thread 网络中的任何节点
• 强烈推荐application使用
• Mesh Local Endpoint Identifier (ML-EID)由 Thread Stack 随机生成，并在重启后保持不变

Multicast

Link local all Thread nodes

执行Multicast而不重试数据包，消息包将只被IEEE 802.15.4无线电范围内的邻居接收。

Realm local all Thread nodes

• 数据包可以到达网络的每个节点，只要节点距离请求者最多 2 个“跳”
• 每次到达路由器时，数据包都会被转发 3 次。