Thread: всегда рядом с Matter

1. THREAD - НОВАЯ ГЛАВА В ИСТОРИИ БЕСПРОВОДНЫХ СИСТЕМ

2. THREAD - САМОБЫТЕН ИЛИ НАСЛЕДИЕ ZIGBEE?

Thread - это беспроводной протокол сетевого уровня для устройств умного дома, который предлагает новый уровень надежности, безопасности и удобства. Thread был разработан специально для интернета вещей (IOT), чтобы объединить все устройства в единую быстродействующую и стабильную сеть на базе универсальных стандартов, вроде Matter. Thread, как "транспортная" сеть умного дома, во многом схож с Zigbee, являясь его идейным наследником и дальнейшим этапом эволюции, поэтому при разборе будем часто сравнивать с ним. Thread вобрал в себя лучшее от уже существующих беспроводных протоколов умного дома и предлагает ряд своих фишек и преимуществ.

Вообще, Thread был придумал в Google, но на данный момент разработчиками Thread является ассоциация Thread Group, в которую входят такие гиганты, как тот же Google, Apple, Amazon и другие. Эти же ребята активно участвуют в разработке стандарта Matter, поэтому Thread изначально тесно интегрирован с Matter, являясь одним из основных "транспортных" протоколов для устройств Matter наряду с Wi-Fi.

3. КАК РАБОТАЕТ THREAD

На физическом уровне Thread использует стандарт IEEE 802.15.4. Это тот же стандарт, который использует Zigbee. Он работает на частоте 2,4 ГГц и обеспечивает энергоэффективность и скорость передачи данных до 250 Кбит/сек. Данные передаются надежно и с минимальным энергопотреблением, что идеально для устройств умного дома с автономным питанием, вроде датчиков или кнопок.



Сетевой и транспортные уровни - это то, что определяет Thread. Он базируется на интернет-протоколе IPv6, что позволяет устройствам Thread напрямую подключаться к сети интернет и взаимодействовать с другими протоколами и экосистемами умного дома без дополнительного IP-шлюза, на основе Matter. А использование технологии 6LoWPAN оптимизирует IPv6 для сетей с низким энергопотреблением, сжимая данные для экономии ресурсов. На транспортном уровне используются протоколы UDP, они проще, чем TCP и менее ресурсоемки, поэтому отлично подходят для низкоскоростных сетей.

На прикладном уровне Thread не предлагает собственных приложений или протоколов верхнего уровня. Он тесно интегрирован со стандартом Matter, выступая в роли "транспортной сети" для передачи данных через IP. Matter добавляет общий прикладной уровень поверх Thread, что позволяет обеспечить управление и взаимодействие между устройствами. Это делает устройства совместимыми друг с другом, независимо от их типа, бренда или базовой экосистемы. Поэтому большинство Thread устройств на рынке умного дома являются Matter-over-Thread устройствами.

Еще раз: если натянуть Matter и Thread (что мы, по сути, и сделали) на упрощенный вариант OSI-модели, которая описывает, как данные передаются между устройствами в сетях, то Thread можно отнести к уровню сетевого и транспортного протокола, а Matter - к уровню приложения. Подробнее про стандарт Matter мы уже писали ранее, в этой статье.

3.1. ТОПОЛОГИЯ СЕТИ THREAD

В Zigbee сеть формируется и координируется одним главным устройством - хабом. Если его убрать, вся система перестанет функционировать (опустим технологию прямой связи устройств Zigbee, так как на рынке их не так много). В сети Thread устройства могут связываться друг с другом автоматически, без координатора, что делает её более устойчивой. То есть, одно из основных отличий сети Thread от Zigbee - децентрализованная маршрутизация данных.

Топология сети Thread, если изобразить ее схематично, схожа с топологией Zigbee. При взгляде на представленную схему некоторые могут подумать: "Где-то я такое уже видел" (например, в нашей статье про Zigbee).

Как и в Zigbee, все устройства Thread с точки зрения их ролей в сети можно глобально разделить на 3 типа: устройства-роутеры, конечные устройства и пограничный маршрутизатор Thread (Thread Border Router).

УСТРОЙСТВА-РОУТЕРЫ Основные узлы, имеющие постоянное электропитание и обеспечивающие маршрутизацию данных между устройствами. Устройства-роутеры поддерживают стабильность и масштабируемость сети. Такие устройства имеют высокую вычислительную мощность в контексте своей роли в сети и никогда не уходят в спящий режим. В сети Thread одновременно может быть до 32 роутеров. Устройства-роутеры способны обслуживать до 250 конечных устройств, а всего держать теоретически до 511 подключений, что значительно расширяет возможности сети. Кроме того, любое устройство-роутер может быть автоматически произведено в "устройство-лидер" - именно оно будет отвечать за управление сетью. Лидер назначает роли другим устройствам и координирует структуру сети. При этом, вся информация, необходимая для управления сетью, помимо устройства-лидера синхронизирована и с другими устройствами-роутерами. Поэтому, если текущее устройство-лидер вдруг выйдет из строя, сеть автоматически выберет другое устройство на роль лидера. В сети Thread одновременно может быть только одно устройство-лидер. Настоящая демократия на уровне сети.

КОНЕЧНЫЕ УСТРОЙСТВА Устройства умного дома, выполняющие роль конечных пользователей сети. Не участвуют в маршрутизации данных, а только отдают свои данные в сеть. К таким устройствам относятся, например, датчики и беспроводные выключатели с автономным питанием. При этом, автономные устройства могут большую часть времени находиться в "спящем режиме" для экономии энергии, выходя в сеть только в определенный промежуток времени или для срочной отправки данных (например, при сработке датчика). Также к числу конечных устройств можно отнести устройства-роутеры, которые в процессе оптимизации сети были "понижены" устройством-лидером до роли конечных устройств.

THREAD BORDER ROUTER Особое место занимает пограничный маршрутизатор Thread - устройство, способное подключаться как к сети Wi-Fi или Ethernet, так и к сети Thread. Оно выполняет особую роль: служит для соединения сети Thread с интернетом и экосистемами умного дома. Thread Border Router также позволяет добавлять новые устройства в сеть Thread. Пограничные маршрутизаторы Thread могут быть интегрированы в различные устройства, такие как умные колонки (например, Apple HomePod уже имеет эту функцию), хабы умного дома или Wi-Fi роутеры.  Но если Thread это IP-сеть, то зачем ей посредник в виде Thread Border Router для подключения к другим IP-сетям? Разберемся.

3.2. THREAD BORDER ROUTER И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ THREAD С ВНЕШНИМИ СЕТЯМИ

Thread представляет собой изолированную сеть. Для подключения к локальной сети (LAN), интернету и экосистемам умного дома требуется Thread Border Router. Он обеспечивает несколько важных функций.

В контексте IPv6 применение технологии 6LoWPAN делает необходимым использование Thread Border Router для преобразования сжатых пакетов 6LoWPAN в стандартные пакеты IPv6, позволяя устройствам Thread взаимодействовать с внешним окружением. Кроме того, Thread Border Router обеспечивает взаимодействие IPv6-сети Thread с IPv4-сетями через преобразование адресов и маршрутизацию (DNS64 и NAT64). Стоит отметить, что у вас дома, с большой вероятностью, именно IPv4 сеть.

Проще говоря, Thread Border Router служит мостом между Thread сетью и другими сетями. Он маршрутизирует траффик и позволяет добавлять новые устройства в сеть Thread, но не управляет ею (как Zigbee хабы), оставляя управление децентрализованным. В сети может быть несколько Thread Border Router'ов, что нивелирует фактор "единой точки отказа" и повышает надежность связи.

3.3. ПОДКЛЮЧЕНИЕ УСТРОЙСТВ MATTER-OVER-THREAD

Устройства Matter-over-Thread подключаются к экосистеме умного дома через механизм, описанный в Matter, с использованием QR-кодов или ПИН-кодов. Чтобы начать настройку, необходимо инициализировать подключение нового устройства Matter в совместимой экосистеме (например, Apple HomeKit). На данном этапе устанавливается прямое соединение через Bluetooth между вашим смартфоном и устройством Thread. По этому каналу связи передаются параметры для подключения и происходит авторизация устройства с использованием защищенных механизмов шифрования. После успешной настройки устройство становится частью сети Thread, получает уникальный сетевой адрес и роль в сети: конечное устройство или устройство-роутер.

Как мы уже выяснили, для того чтобы устройство Matter-over-Thread могло взаимодействовать с другими устройствами Matter, а также подключаться к интернету и управляться удалённо, в домашней сети должен быть Thread Border Router. Однако даже без него устройство Matter-over-Thread всё равно будет доступно для управления, но только в режиме «точка-точка» через прямое Bluetooth-подключение (да, устройства Matter-over-Thread это умеют). Также мы знаем, что функция Thread Border Router уже встроена в некоторые устройства, например, в некоторые умные колонки. Поэтому достаточно просто подключить такую умную колонку к Wi-Fi и экосистеме умного дома, и она автоматически начнёт взаимодействовать с устройствами Thread, взяв на себя функции Thread Border Router.

3.4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УСТРОЙСТВ И ДЕЦЕНТРАЛИЗАЦИЯ

Важное отличие Thread от Zigbee состоит в том, что Thread в нашем случае использует на прикладном уровне стандарт Matter для взаимодействия устройств. А вернее будет сказать, что это Matter использует Thread в качестве "транспортной сети". Из-за отсутствия собственного прикладного уровня к устройствам Matter-over-Thread применяется модель работы экосистемы Matter. Это означает, что все автоматизации и сценарии с устройствами создаются в рамках экосистемы, совместимой с Matter, и зависят от центрального компонента - Matter-контроллера. Zigbee, в свою очередь, предлагает встроенные функции автоматизации и собственную библиотеку кластеров на прикладном уровне, однако его работа как сети в целом, так и взаимодействие устройств внутри неё также зависят от центрального узла - хаба.

Thread децентрализован только в плане маршрутизации данных, но такая частичная децентрализация сети Thread все равно полезна: она делает сеть Thread более устойчивой, надежной и быстрой (при нагруженной сети), чем Zigbee. А возможность использования нескольких Thread Border Router'ов кратно повышает надежность связи Matter-over-Thread устройств с интернетом и экосистемами умного дома, ведь в таком случае, как мы упомянули ранее, нет единой потенциальной точки отказа в виде хаба, как у Zigbee.

4. THREAD - СИЛЬНЫЕ СТОРОНЫ

Теперь, когда мы познакомились с протоколом Thread, копнули в его технические особенности и выяснили, как он работает, пришло время объяснить, почему, на наш взгляд, этот протокол в сочетании с Matter может стать основой для умных домов будущего.

MESH ТОПОЛОГИЯ Использование ячеистой структуры - всегда плюс для беспроводных сетей: она повышает стабильность и масштабируемость сети. С помощью Thread устройств легко создавать эффективные, включающие 250+ узлов на больших объектах. Сеть Thread является самоорганизующейся и самовосстанавливающейся: пользователю не думать о том, как создать наиболее оптимальную сеть. А в случае выхода отдельных узлов сети из строя протокол Thread автоматически перестроит сеть так, чтобы работать оптимально в текущих условиях. Mesh топология в беспроводных сетях - синоним надежности и быстродействия!	ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННАЯ МАРШРУТИЗАЦИЯ Устройства Thread способны обмениваться данными напрямую, не требуя центрального узла для формирования и поддержки сети. А использование нескольких Thread Border Router кратно повышает планку надежности соединения Matter-over-Thread устройств с интернетом и экосистемами умного дома. Thread - устойчивая сеть!
IPv6 СОВМЕСТИМОСТЬ Thread работает на основе IPv6, что делает его совместимым с другими IP-сетями и упрощает подключение устройств Matter-over-Thread к интернету. Каждое устройство в сети имеет уникальный глобальный IPv6-адрес и доступ к облачному подключению. Благодаря прямой адресации, повышается качество удаленного управления, упрощается интеграция с экосистемами умного дома и улучшается взаимодействие между устройствами. Кроме того, IPv6 оснащён встроенными протоколами безопасности, такими как IPsec, что обеспечивает надёжное шифрование данных на сетевом уровне.	БЕЗОПАСНОСТЬ Передача данных в сети Thread осуществляется с использованием шифрования AES, что обеспечивает высокий уровень защиты. Новые устройства, подключаемые к сети, проходят строгую аутентификацию, что исключает возможность подключения посторонних узлов. Для доступа к сети Thread применяется DTLS и уникальные ключи шифрования, которые динамически обновляются. А протоколы безопасности IPv6 еще больше дополняют уровень защиты. Thread - защищенная сеть!
MATTER Протокол Thread является неотъемлемой частью экосистемы Matter. Данный стандарт использует IP-адресацию, что делает Thread с его IPv6-основой полностью совместимым без дополнительных конвертеров "с протокола на протокол". Это минимизирует узкие места во взаимодействии Thread с другими сетями и экосистемой умного дома. Thread - всегда рядом с Matter.	ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ Наследие Zigbee и использование в сочетании с IPv6 технологии 6LoWPAN делает Thread отличным решением для автономных устройств с низким энергопотреблением. Устройства Matter-over-Thread на батарейках, вроде датчиков или беспроводных выключателей, могут функционировать годами без замены элемента питания, при этом поддерживая IP-протокол!

5. THREAD - НЕ БЕЗ ИЗЪЯНОВ?

Thread - это относительно новый протокол в сфере беспроводных решений для умного дома, который только начинает обживаться на рынке. А новеньким - всегда тяжело. В этом разделе мы постараемся рассмотреть возможные слабые стороны этого протокола на сегодняшний день.

ТРЕБУЕТ THREAD BORDER ROUTER Thread сеть сама по себе не умеет соединяться с Wi-Fi или Ethernet, хоть и является де-факто IP-сетью. Для соединения Matter-over-Thread устройств с интернетом и умным домом требуется Thread Border Router. Впрочем, на сегодняшний день Thread Border Router уже встроен в некоторые колонки и контроллеры умного дома (типа Aqara M3), а это означает, что с высокой вероятностью, вам не понадобится выделенное устройство с функционалом только пограничного маршрутизатора Thread.

ОГРАНИЧЕННАЯ ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ Наследие Zigbee паровозом тянет и слабые места. А именно: Thread - сеть с низкой пропускной способностью. Для ресурсоемких задач вроде воспроизведения мультимедиа или трансляции видеопотока с камер не подойдет. Если вам после нашего материала полюбился Thread, то не тешьте себя мыслью собрать полноценный умный дом только на устройствах Matter-over-Thread. Хотя, так как Thread является частью экосистемы Matter, есть возможность обеспечить бесшовное взаимодействие Matter-over-Thread устройств с Matter-over-Wi-Fi устройствами (а уж среди последних как раз есть девайсы для ресурсоемких задач).

ЧАСТИЧНАЯ ДЕЦЕНТРАЛИЗАЦИЯ Безусловно, децентрализованная маршрутизация данных делает Thread как "транспортную" сеть более устойчивой и надежной, чем Zigbee. Однако отсутствие у Thread собственного прикладного уровня мешает ему стать по-настоящему самостоятельным и децентрализованным протоколом умного дома, делая связки и автоматизации между устройствами зависимыми от стандарта Matter. Впрочем, фактор централизации относится, скорее к недостаткам Matter и не является явным недостатком технологии связи Thread.

6. THREAD vs ZIGBEE: ФИНАЛЬНАЯ БИТВА

Чтобы закрепить и подытожить, подготовили сравнительную таблицу по характеристикам Thread и Zigbee в рамках беспроводных систем умного дома. В таблице зелёным цветом выделены те параметры, которые, на наш взгляд, являются более привлекательными в сравнении.

Характеристика	Thread	Zigbee
Базовая технология	IEEE 802.15.4, рабочая частота 2.4 ГГц	IEEE 802.15.4, рабочая частота 2.4 ГГц
Адресация	IPv6	Внутренняя адресация Zigbee
Маршрутизация и управление сетью	Динамически (децентрализовано)	Управляется координатором (централизованно)
Топология сети	MESH с самоорганизацией и самовосстановлением	MESH с самоорганизацией и самовосстановлением
Скорость передачи данных	До 250 кбит/сек.	До 250 кбит/сек.
Оптимальное количество узлов	до 300 (теоретически до 16000)	до 200 (теоретически до 65000+)
Интернет-доступ	Прямой, по IP-протоколу	Через Zigbee-шлюз
Совместимость с Matter	Полная поддержка	Зависит от реализации устройств и шлюзов
Доступный функционал устройств	Зачастую базовый, ограничен стандартизацией Matter	Широкие возможности настройки
Задержки отклика устройств	Низкие	Умеренные
Энергопотребление	Низкое	Низкое
Безопасность	AES-128, IPsec, DTLS, Авторизация при помощи QR-кодов через мобильное устройство	AES-128, Авторизация через единый центр доверия (координатор), Default Link Key
Адаптация к рынку	Растущий	Распространенный
Доступность устройств	Высокая цена	Низкая цена
Практическая эффективность	Молодая технология, мало данных о практическом применении	Существует более 20 лет, проверенное рынком и временем решение

7. THREAD: ИТОГИ

Мы стремились глубоко и подробно рассмотреть все особенности и преимущества протокола Thread в рамках экосистемы Matter. Надеемся, что наш материал будет полезен. Мы часто сравнивали Thread с Zigbee (ведь они такие похожие и такие разные), чтобы понять что особенного может предложить пользователям каждый из них. И нельзя однозначно выявить лучшего. В заключение, мы хотели бы поделиться своими прогнозами о том, какие перспективы ожидают оба протокола в будущем.

Thread имеет огромный потенциал. Это современный протокол, который задает новые стандарты в безопасности, масштабируемости и совместимости, особенно в связке с Matter. Унификация умного дома:  Matter тесно связан с Thread, что делает его одним из основных протоколов для экосистем будущего, где устройства разных типов от разных вендоров сосуществуют вместе бесшовно и едино. Вопрос совместимости, актуальный в сообществе вскоре может быть окончательно закрыт на базовом уровне. Рост популярности: С запуском Matter спрос на устройства Matter-over-Thread будет только расти. Этот протокол станет основой для современных умных домов на базе IOT устройств, где стабильность и безопасность играют ключевую роль. Популярность и широкое использование Thread приведут к тому, что он будет развиваться и избавляться от недостатков.

Старичок Zigbee не сдается: это проверенный временем протокол, который прост в настройке, имеет огромную базу устройств и большое сообщество. Переход на Matter: CSA активно продвигает Matter, и многие устройства Zigbee будут адаптированы к этому стандарту через шлюзы. Устойчивость в своей нише: Zigbee будет сохранять свою популярность благодаря своей простоте для пользователей, доступности и широкой распространенности. Это протокол с хорошей репутацией, которая работает в его пользу. Долгий переходный период: Учитывая широкую распространённость устройств, масштабное сообщество и развитую экосистему, Zigbee ещё долго будет оставаться востребованным в сфере умных домов.

Если строить экосистему умного дома и идти в ногу с технологиями, то устройства Matter, в том числе и Matter-over-Thread - это очевидный шаг в будущее. Но если твоя текущая инфраструктура уже отлажена на Zigbee, менять ее на что-то новое не обязательно. Zigbee остается актуальным и надежным решением. С точки зрения стандартизации будущее за Matter, уж этот парень сможет подружить всех вместе и выжать из каждого лучшее. Со временем.