Kommunikation Thread - Interoperabilität per IPv6

Bei verschiedene Funkstandards gestaltet sich die Vernetzung im IoT schwierig.
Bei verschiedene Funkstandards gestaltet sich die Vernetzung im IoT schwierig.

Alle sprechen vom Internet der Dinge (IoT), aber noch ist offen, wie sich die Dinge denn überhaupt vernetzen sollen. »Wireless« soll es funktionieren, aber weil die unterschiedlichen »Dinge« verschiedene Funk-Standards nutzen, ist die Vernetzung im Rahmen des IoT alles andere als trivial.

Mit dem Namen „Thread“ – zu Deutsch: Gewinde, Faden oder Gedankengang – wird ein neuer Funk-Kommunikationsstandard bezeichnet, der als eine Art Klammer dienen soll. Er ermöglicht es, die bisher unabhängig eingesetzten Funk-Standards – z.B. Bluetooth, WLAN oder WPAN (IEEE 802.15.4) und 6LoWPAN – parallel innerhalb eines Steuerungssystems zu nutzen. Dabei kann jedes einzelne Ding sowohl individuell angesprochen und gesteuert werden als auch mit dem Internet und einer Cloud verbunden werden. Thread stellt eine Form von Evolution dar, die auf den bereits existierenden Standards ZigBee, 6LoWPAN, WLAN und Bluetooth – inklusive Bluetooth Low Energy – aufbaut, aber rein prinzipiell betrachtet auch mit anderen Datenübertragungsstandards zusammenarbeiten könnte.

Das Vermittlungsprotokoll von Thread (Bild) bildet eine standardisierte Autobahn zwischen den einzelnen Datenübertragungsstandards. Thread basiert rein auf Software, die sich auf die Vermittlungsschicht (Schicht 3) konzentriert und hierfür das Internetprotokoll IPv6 verwendet. Wenn beispielsweise eine Leuchte oder ein Energiemessgerät auf Basis eines ZigBee Energy Profile arbeitet, dann ermöglicht Thread die Kommunikation mit den anderen Teilnehmern im Heimnetzwerk: bis hin zu Geräten wie Laptop, Tablet oder Smartphone, die meist als Ein-/Ausgabeeinheit dienen. Dabei nutzt die Leuchte oder das Energiemessgerät in diesem Beispiel ausschließlich ihre ZigBee-Umgebung. Für die übergeordnete Kommunikation mit Geräten jenseits von ZigBee kommt Thread als Vermittlungsprotokoll für die Verbindung mit der Welt jenseits der ZigBee-Umgebung zum Einsatz.

Da Thread mit IPv6 arbeitet, kommt kein neues Protokoll ins Spiel. Vielmehr stellt Thread nur die Vermittlungs-Infrastruktur zur Verfügung, auf deren Basis unterschiedliche Applikationen und andere Standards miteinander kommunizieren können. Thread sorgt somit für die Interoperabilität auf Basis von IPv6. Auch andere Protokolle wie AllJoyn oder das vom Google-Tochterunternehmen Nest genutzte Weave stellen für Thread keine Barriere da. Thread ermöglicht es, die Daten von unterschiedlichen Einzelgeräten wie Fitness-Armbändern, Tablet-PCs, Leuchten, Rauch- und Bewegungsmeldern, Thermostaten, Überwachungskameras, Glasbruchsensoren, Schließanlagen und Haushaltsgeräten in einer einheitlichen Datenumgebung zu nutzen. Mit der Vermittlungsfunktion hat Thread das Potenzial, die Entwicklung des Internet der Dinge voranzutreiben.

Punkt-zu-Punkt-Verbindungen

Dank IPv6 ist es mit Thread möglich, eine Verbindung über das Internet zu Geräten im Haus aufzubauen – zum Beispiel per Smartphone oder PC. ­Thread sorgt dabei für die entsprechende logische Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Jedes einzelne IoT-fähige Gerät, Sensor etc. hat hierfür seine eigene Adresse.

Im Vergleich zu anderen Protokollen, die sich in diesem Segment tummeln, lässt sich Thread einfach implementieren, weil die Entwickler lediglich IPv6 nutzen müssen: Hierfür programmieren sie nur, dass sie eine Datenbotschaft an eine bestimmte Adresse schicken. Entwickler von IoT-Applikationen benötigen keinerlei Know-how rund um die Funktechnik oder die spezifischen Kommunikationseigenschaften der einzelnen internetfähigen Dinge. Dank IPv6 konzentrieren sie sich ausschließlich auf ihre Applikations-Software. Thread sorgt in diesem Rahmen dafür, dass die Kommunikation mit den jeweils adäquaten Protokollen erfolgt. Falls ein Gerät dabei keine IPv6-kompatible Adresse hat, führt Thread wie ein Router die entsprechende Protokollumsetzung durch. Zur Datensicherheit verfügt Thread über eine neue Sicherheits-Architektur. Sie ermöglicht es Entwicklern, die erforderlichen Sicherheitselemente in ihrer IoT-Applikation auf einfache Art und Weise von Anfang an zu verankern.

Thread-Pionier: NXP

Durch die Übernahme von Freescale zählt NXP nun zu den Pionieren, die von Anfang an bei der Entwicklung von Thread dabei waren. Dementsprechend hat NXP einen zeitlichen Vorsprung und kann bereits einen funktionstüchtigen Thread-Protokoll-Stack anbieten – für jede Art von Netzwerkknoten (Node) auf der Basis von Mikrocontrollern der Kinetis-Reihe oder geeigneten i.MX6-Applikationsprozessoren. Mit Hilfe des Thread-Protokoll-Stack können die NXP-Mikrocontroller und -Prozessoren die zuvor beschriebenen Aufgaben in vollem Umfang abdecken. Die Mikrocontroller und Prozessoren sorgen für die Kommunikation zwischen verschiedenen Datenendpunkten, die mit unterschiedlichen Datenübertragungsstandards arbeiten, sodass Entwickler von IoT-fähigen Geräten sofort mit der Entwicklung ihrer konkreten Produkte beginnen können.

Der Thread-Protokoll-Stack ist kein unabhängiges Software-Modul, das die Entwickler komplett neu kennenlernen müssen. Vielmehr hat NXP den Protokoll-Stack komplett in seine Software-Entwicklungsumgebung für die Kinetis-Mikrocontroller integriert, sodass Entwickler sich von Anfang an auf die Applikationsschicht konzentrieren können, weil sie als Grundlage einen robusten und zertifizierten Protokoll-Stack haben, der für die benötigte Interoperabilität sorgt. Diese Konstellation spart viel Entwicklungszeit, zumal alle Elemente exakt aufeinander abgestimmt sind. Auch die Software-Programmierer können sich von Anfang an auf ihre Applikation konzentrieren, weil sie direkt auf IPv6 aufsetzen können und sich nicht um die unteren Schichten kümmern müssen. Wenn die Entwicklung für eine ­Thread-Anwendung steht, bietet die Thread Group (siehe Kasten: „Thread Group“) weitere Unterstützung und Zugang zu allen Protokollen, die für eine Zertifizierung notwendig sind.