Thread 概述

Thread 是一种基于 2.4GHz (IEEE 802.15.4) 和 IPv6 的无线自组织网络协议，通常称为无线个域网（WPAN）。Thread 专为低功耗、低延迟的物联网（IoT）设备而设计。它解决了物联网的复杂问题，解决了互操作性、范围、安全性、能效和可靠性等挑战。

本节概述了 Thread 协议的网络拓扑结构、OpenThread 和无线电协处理器（RCP）模式。

网络拓扑

线程网络拓扑设计为强健、自愈和可扩展的，提供设备在网状网络中安全可靠的通信。以下是线程网络拓扑关键组件的概述。

设备类型

OpenThread根据设备在线程网络中可以承担的角色，区分了各种设备类型。

  1. 全线程设备 (FTD)

    FTD可以在线程网络中同时作为路由器和终端设备运行。其无线电持续保持活跃。

  2. 最小线程设备 (MTD)

    MTD始终是终端设备，依赖其父设备转发所有消息。

    MTD有两个重要的子类型：

    • 最小终端设备 (MED)

      此类型设备无线电始终保持开启，可以及时接收来自父设备的消息。MED适合需要更高响应速度、并且能够承受较高能耗的设备，例如有持续电源或可充电电池的设备。

    • 睡眠终端设备 (SED)

      此类型设备通过大部分时间关闭无线电来节省能量，仅在定期唤醒与父设备通信时才开启。SED适合不需要频繁发送或接收数据的电池供电设备。

关键组件

  1. 领导路由器

    领导设备负责管理网络，分配路由器ID并处理网络配置变更。领导是动态选举的，如果当前领导失效，其他路由器会接替以确保网络操作的连续。

  2. 路由器

    路由器在线程网络中路由数据包，帮助扩展网络范围并增强可靠性。路由器可以直接与其他路由器和领导通信。

    如果当前领导失效，路由器也可以成为领导。

  3. 可成为路由器的终端设备 (REED)

    这些终端设备在网络需要时有潜力成为路由器。只有在被领导提升为路由器时，它们才执行路由功能，从而保持资源的高效利用。

  4. 终端设备

    终端设备，也称为睡眠终端设备 (SED)，主要与单个父路由器或REED通信。它们不转发其他设备的数据包。SED节能效率高，因为大部分时间都处于低功耗状态。

  5. 全终端设备 (FED)

    全终端设备类似于终端设备，但它们保持唤醒以更频繁地接收数据包。它们不路由数据包，只与其父路由器通信。

  6. 睡眠终端设备 (SED)

    这些设备定期唤醒与父路由器交换数据，大部分时间都处于低功耗睡眠模式，适合电池供电的应用。

  7. 专员 (Commissioner)

    专员负责对网络中新设备进行认证和配置。它处理安全的加入过程，确保只有授权设备才能加入网络。专员可以是嵌入线程网络内部(本地)或在外部操作（外部）。

  8. 边界路由器

    边界路由器将线程网络连接到其他网络，如Wi-Fi、以太网或互联网。它提供外部连接并在线程网络和外部网络之间路由数据。

外部线程配置

在外部线程配置过程中，使用一个连接到不同网络（如Wi-Fi或以太网）的专员设备，而非线程网络。这个外部专员，例如手机，利用线程边界路由器作为中介，促进新设备加入线程网络。

以下是使用手机进行外部线程配置的过程:

  1. 使用手机 APP 扫描 Thread 终端设备发出的 BLE 广播并进行 BLE 连接。

  2. 手机 APP 通过 BLE 连接将 OTBR 网络的凭证同步到 Thread 终端设备。

  3. Thread 终端设备使用凭证加入 Thread 网络。

示例网络拓扑

下图展示了一个线程网络拓扑示例，并演示了使用手机进行外部配置的过程。

../../../../../_images/network_topology.png

线程网络拓扑示例

Openthread

OpenThread 是一个开源实现的 Thread 网络协议。 它由 Google 开发，并免费提供给开发者，以加速连接家庭和商用建筑的产品开发。

GitHub

OpenThread 以 BSD 3-Clause 许可证发布，并在 GitHub 上可用： https://github.com/openthread/openthread

设置和使用 OpenThread CLI 进行设备仿真

这个示例应用程序通过一个简单的命令行界面公开 OpenThread 的配置和管理 API。 以下步骤将带你完成从一个仿真 Thread 设备 ping 另一个仿真 Thread 设备所需的最少步骤。

从一个仿真 Thread 设备 ping 另一个的步骤

  1. 设置环境。

    • 安装编译 OpenThread 所需的依赖项和工具（例如，GNU Autotools、GCC 和 CMake）。

    • 克隆 OpenThread 仓库。

    git clone https://github.com/openthread/openthread.git
cd openthread

  2. 构建 OpenThread。

    • 配置并构建 OpenThread CLI 应用程序。

    ./script/bootstrap
./script/cmake-build simulation

  3. 运行 Thread 仿真器。

    • 为每个仿真设备打开单独的终端窗口。

    • 使用不同的节点 ID 启动 OpenThread 仿真。

    ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 1

这将启动带有节点 ID 1 的全功能 Thread 设备（FTD）CLI。

  4. 配置并形成 Thread 网络。

    • 将第一个设备配置为领导者。

    > dataset init new
Done
> dataset
Active Timestamp: 1
Channel: 24
Channel Mask: 0x07fff800
Ext PAN ID: b7d261da17292918
Mesh Local Prefix: fd74:3bcf:ba49:f9ba::/64
Network Key: a0d75caa58cf2fb0b91d5da586adda3a
Network Name: OpenThread-2373
PAN ID: 0x2373
PSKc: 483459904e7b84b098c6b2626ec3cf2c
Security Policy: 672 onrc 0
Done
> dataset commit active
Done
> ifconfig up
Done
> thread start
Done
(稍等片刻)
> state
Leader
Done

设备状态最终应显示 `leader`。

    • 配置第二个设备并让它加入网络。

    ./build/simulation/examples/apps/cli/ot-cli-ftd 2
> dataset networkkey a0d75caa58cf2fb0b91d5da586adda3a
Done
> dataset panid 0x2373
Done
> dataset commit active
Done
> ifconfig up
Done
> thread start
Done
(稍等片刻)
> state
Router # 或 Child
Done

设备状态最终应显示 `router` 或 `child`。

  5. 获取 IPv6 地址。

    • 在领导设备上，获取 IPv6 地址列表。

    > ipaddr

标识一个合适的 IPv6 地址（例如，一个 `fd00::` 地址）。

    • 在第二个设备上执行相同的操作以确认它已加入网络。

  6. 在设备间 Ping。

    • 从一个设备使用其 IPv6 地址 ping 另一个设备。

    > ping <IPv6-address-of-other-device>

OpenThread RCP 模式

在协处理器设计中，应用程序运行在主处理器上，另一个控制处理器提供 Thread 无线电。这两个处理器通过带有标准协议（Spinel）的串行连接进行通信。在 RCP（无线电协处理器）设计中，OpenThread 的核心运行在主处理器上，控制处理器仅实现带有 Thread 无线电的最小 MAC 层。RCP 和主处理器之间的通信通过串行接口上的 Spinel 协议由 OpenThread Daemon 管理。RCP 设计的优势在于 OpenThread 可以利用更强大主处理器的资源。为了确保 Thread 网络的可靠性，主处理器通常不会睡眠。对于对电源不太敏感的设备，这种设计非常有用。

../../../../../_images/rcp_mode.png

RCP 模式

主要组件

  1. 主处理器

    • 运行 OpenThread 堆栈的上层，包括 Thread 网络、网格路由和应用逻辑。

    • 通常运行 POSIX 兼容的操作系统，如 Linux。

  2. 无线电协处理器 (RCP)

    • 处理 OpenThread 堆栈的低层，特别是 802.15.4 PHY 和 MAC 层。

    • 执行时间关键的无线电操作。

    • 通过串行接口（如 UART、SPI）与主处理器通信。

使用 OpenThread 设置 RCP 模式

这个示例应用通过简单的命令行界面公开 OpenThread 配置和管理 API。以下步骤将带您完成通过 RCP 从一个 Thread 设备向另一个 Thread 设备 ping 所需的最低步骤。

通过 RCP 从一个 Thread 设备 Ping 另一个 Thread 设备的步骤

  1. 构建 OpenThread Daemon。

    • 配置并构建 OpenThread Daemon。

    cd openthread
./script/bootstrap
./script/cmake-build posix -DOT_DAEMON=ON

  2. 连接主机和 RCP dongle。

    • 主机和 RCP 通过 USB 或 UART 进行通信。

    • RCP dongle 应该被识别为 /dev/ttyACMx 或 /dev/ttyUSBx。（例如，/dev/ttyACM0）

    • 确保串行连接设置（波特率）在两端正确配置。（通常，RCP dongle 波特率设置为 2000000）

  3. 运行 Thread RCP 模式。

    • 启动 ot-daemon 以启动 RCP 设备。

    ./build/posix/src/posix/ot-daemon -v 'spinel+hdlc+uart:///dev/ttyACM0?uart-baudrate=2000000'

    • 打开另一个终端窗口并运行 ot-ctl 命令。

    ./build/posix/src/posix/ot-ctl

这将启动命令行界面（CLI）以配置 Thread 设备

  4. 配置并形成 Thread 网络。

    • 将第一台设备配置为领导者。

    > dataset init new
Done
> dataset
Active Timestamp: 1
Channel: 24
Channel Mask: 0x07fff800
Ext PAN ID: b7d261da17292918
Mesh Local Prefix: fd74:3bcf:ba49:f9ba::/64
Network Key: a0d75caa58cf2fb0b91d5da586adda3a
Network Name: OpenThread-2373
PAN ID: 0x2373
PSKc: 483459904e7b84b098c6b2626ec3cf2c
Security Policy: 672 onrc 0
Done
> dataset commit active
Done
> ifconfig up
Done
> thread start
Done
(稍等片刻)
> state
Leader
Done

设备状态应最终显示为 `leader`。

    • 获取另一个主机和 RCP dongle。

    • 配置第二台设备并使其加入网络。

    ./build/posix/src/posix/ot-daemon -v 'spinel+hdlc+uart:///dev/ttyACM0?uart-baudrate=2000000'
./build/posix/src/posix/ot-ctl
> dataset networkkey a0d75caa58cf2fb0b91d5da586adda3a
Done
> dataset panid 0x2373
Done
> dataset commit active
Done
> ifconfig up
Done
> thread start
Done
(稍等片刻)
> state
Router # 或 Child
Done

设备状态应最终显示为 `router` 或 `child`

  5. 获取 IPv6 地址。

    • 在领导设备上，获取 IPv6 地址列表。

    > ipaddr

确认设备已加入网络并识别合适的 IPv6 地址（例如，`fd00::` 地址）

  6. 设备间的 Ping。

    • 从一个设备 ping 另一个设备的 IPv6 地址。

    > ping <IPv6-address-of-other-device>