Wireless IoT Funknetz mit IP als Basis

Mit Threads ein neuer Standard für die Internetprotolle.
Mit Thread wurde ein neuer Standard auf der Basis von 6LoWPAN und IEEE 802.15.4 geschaffen.

Die Erfolgsgeschichte des Internetprotokolls soll sich im Internet der Dinge fortsetzen. Auf der Basis des 6LoWPAN-Standards und IEEE 802.15.4 wurde mit Thread ein neuer Standard für die Vermittlungsschicht geschaffen, um unterschiedliche Applikationsprotokolle in einem Funknetzwerk zu vereinen

Im Gegensatz zu anderen Funk-Netzwerkprotokollen basiert das Thread-Protokoll auf IPv6, sodass jedes Gerät im Netzwerk direkt angesprochen werden kann. Die Vorteile liegen darin, dass sich damit alle möglichen Geräte im Haushalt, z.B. Thermostate, Leuchten, Türschlösser, Alarmanlagen, Videokameras und Waschmaschinen, rasch und unkompliziert vernetzen lassen.

Thread stellt ein IPv6-basiertes Funkprotokoll für Mischnetzwerke bereit, mit dem sich Geräte untereinander, mit dem Internet und der Cloud vernetzen lassen. Mit Hilfe der im Standard 6LoWPAN (IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Network) definierten Kompression des Header und der Fragmentierung von IP-Paketen können IPv6-Pakete mit der kleineren Datenrate der Bitübertragungsschicht des IEEE-802.15.4-Standards übertragen werden. Damit läuft Thread auch auf den bereits existierenden Funk-ICs und -Modulen für IEEE 802.15.4. Es genügt ein Firmware Upgrade, um sie Thread-kompatibel zu machen.

Die Thread-Spezifikation bezieht sich einzig und allein auf die Vermittlungsschicht und arbeitet vollkommen unabhängig von der Applikationsschicht. Derzeit sind viele Applikationsschichten erhältlich, die sich alle theoretisch so anpassen lassen, dass sie auf Thread-Netzwerken laufen - z.B. Nest Weave, AllJoyn und ZigBee. Ähnlich wie bei WLAN oder Ethernet haben die Gerätehersteller auch bei Thread die Freiheit, das Protokoll für die Applikationsschicht auszuwählen und die Protokoll-Software in ihr Produkt zu integrieren, die ihren speziellen Anforderungen am besten entspricht.

Thread nutzt weder eine Flood- noch eine Repeater-Architektur. Fällt ein Verbindungsweg aus, so kann stets ein neuer Verbindungsweg hergestellt werden - die dafür benötigte Kommunikation ist minimal.

In ein Thread-Netzwerk eingebundene Geräte können unterschiedliche Rollen übernehmen. Ein Thread-Router koordiniert die Datenpakete zwischen den Geräten im Netzwerk. Darüber hinaus muss ein Router natürlich auch seine eigenen Produktdaten übermitteln können. Bei mehreren Thread-Routern im gleichen Netzwerk wird einem Router eine Führungsrolle zugewiesen. Dieser Leit-Router koordiniert den Netzwerkverkehr und bestimmt, wie viele Router für die Kommunikation aller Geräte untereinander benötigt werden. Endknoten können, müssen aber nicht fähig sein, die Funktion eines Router zu übernehmen, wenn das Netzwerk erkennt, dass ein weiterer Router erforderlich ist.

Ein Border Router übersetzt die Datenpakete zwischen dem 802.15.4-basierten Thread-Netzwerk und der Cloud bzw. dem Internet - typischerweise WLAN oder Ethernet. Es können durchaus mehrere Border Routers zum Einsatz kommen. Sie benötigen kein dediziertes Gateway. Ein Border Router kann zusätzlich per WLAN auch eine direkte Verbindung mit Smartphones, Tablet-PCs oder anderen Geräten in der Wohnung herstellen, um eine lokale Steuerung ohne Internet- oder Cloud-Verbindung zu ermöglichen. Arbeitet der Border Router nicht korrekt oder fällt ganz aus, so funktioniert das Thread-Netzwerk trotzdem nahtlos weiter.

Kommissionierung und Sicherheit

In der Entwicklung von Thread wurde besonderes Augenmerk auf die beiden kritischsten Bereiche gelegt: Kommissionierung und Sicherheit. Anwender von Endgeräten müssen Produkte einfach in ein Funknetzwerk einbinden und ebenso einfach wieder entfernen können. Gleichzeitig muss aber auch jeder nicht autorisierte Zugang zum Funknetzwerk unterbunden werden. Anwender können ein Gerät am Netzwerk anmelden, indem sie es per Smartphone, Tablet-PC oder Computer autorisieren. Es können aber auch beliebige Endgeräte mit einem grafikfähigen Display im Bedienteil, das bereits Teil des Netzwerks ist, für die Kommissionierung neuer Geräte herangezogen werden. Eine sehr einfache Methode für die Einbindung neuer Geräte ins Thread-Netzwerk bieten z.B. Kommissionierungs-Apps. Sie können anhand eines QR-Codes oder eines alphanumerischen Schlüssels, der z.B. auf dem neuen Gerät angebracht ist, eine temporäre Sicherheitssitzung mit dem Thread-Netzwerk herstellen. Anschließend werden Netzwerk- und Autorisierungsdaten ausgetauscht, um das neue Gerät sofort ins Netzwerk aufzunehmen. Die über das Thread-Netzwerk gesendeten Nachrichten sind immer verschlüsselt. Darüber hinaus kann - wenn ein bestimmtes Produkt dies verlangt - auch die Applikationsschicht geschützt werden.