Thread 和 ZigBee 协议的差异

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在物联网（IoT）的世界里，通信协议的选择对于设备的互操作性、可靠性和性能至关重要。Thread和ZigBee是两种非常流行的协议，但它们在很多方面都存在显著的差异。今天，我们将深入探讨这两种协议的区别，帮助您了解它们各自的优势和适用场景。

1.Thread 协议概述
Thread 是一种专为家庭设备联网而设计的无线 Mesh 网络标准，具有自组网、低成本、低功耗、高容量、高安全性、原生支持 IPv6 等特性，其协议体系如图所示。

在Thread 协议体系之上可构建符合标准五层结构的网络协议混合模型，即物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。Thread 基于 IEEE 802.15.4 PHY/MAC 层标准之上，工作在 2.4GHz 公用频段，最高速率为 250kbit/s，适用于短距离、低速率的应用场合；Thread 在 MAC 层和 IPv6 网络层之间加入 6LowPAN 适配层，在承载能力有限且不可靠的物理链路之上实现对 IPv6 的高效支持，使其具备全IP化特性；Thread 要求在传输层至少实现 UDP，而 TCP 是可选的，并且没有定义应用层。


2.ZigBee
ZigBee 基于 IEEE802.15.4 PHY/MAC 标准，具有自组网、低功耗、高容量、高安全性等特点，被认为是目前最适用于家庭传感网络的无线通信技术。近年来，ZigBee联盟在规范标准和 IP 支持方面不断突破。2012 年推出了 ZigBee Smart Energy 2.0（Smart
IP），首次在 ZigBee 之上支持 IP 协议，然而其主要应用在智能电网领域而非物联网；2013 年推出了支持 IPv6 的 ZigBee IP 协议；2015 年发布了 ZigBee 3.0，通过规范应用层尝试为物联网应用提供统一标准，但 ZigBee 3.0 目前仍未能支持 IPv6


3.Thread 与 ZigBee 协议对比分析
Thread 和 ZigBee 都基于 IEEE 802.15.4 标准之上，使用完全相同的物理介质和通信链路，因此具有相似的网络特性，并且可通过软件升级相互替换。但在 MAC 层以上，两者的协议架构完全不同，如图所示。ZigBee 是定制化的专有协议，不兼容 IP，且定义了较复杂的应用层，开发者在应用框架中设计和添加具体应用对象。

ZigBee 面向更为广泛的应用场景，包括了智能楼宇、工业控制等多个领域。而Thread 专为家庭网络设计，能够更好地满足智能家居应用场景的特殊需求，在鲁棒性（无单点故障）、IPv6 支持等方面独具优势。Thread 与 ZigBee 技术特性的对比如下：

（1）低功耗、低成本
Thread 与 ZigBee 使用完全相同的通信介质，因此具备相近的低功耗、低速率特性。此外，Thread 边界路由器只需工作在网络层转发 IP 包，无须像 ZigBee 应用网关那样先解析应用层数据并封装成对应的 IP 包才能转发。因此，Thread 在接入设备方面实现更简单，所需的软硬件成本更低。


（2）自组网、多跳路由、无中心结构
两者都具有网络自组织功能。节点能够自主发现附近设备的存在，确定连接关系并组成网状网络，节点之间以多跳中继方式实现通信。网络中不存在绝对中心，网络拓扑结构可动态调整以适应自身和外界因素的变化，具备良好的动态性能。


（3）无单点故障
Thread 网络的任意节点失效都不会造成系统出现重大故障，即无单点故障。ZigBee同样具备较强的鲁棒性，但还无法实现无单点故障。如 ZigBee 网络中有且只有一个指定的协调器（Coordinator）和网关，若协调器出现故障将导致网络瘫痪，而网关出现故障则会导致与外部网络的连接中断。而在 Thread 网络中，主导节点并不固定也无须指定，将由网络自行选出合适的路由设备作为主导节点。Thread 边界路由器具有和 ZigBee网关相似的作用，但 Thread 允许设置备用边界路由器，通过冗余备份排除了边界路由器的单点故障。


（4）全 IP 化
对 IPv6 的原生支持是 Thread 与 ZigBee 的最大区别所在。IP 网络技术成熟且应用广泛，而 IPv6 更是被称为下一代互联网的核心技术。Thread 采用 6LoWPAN 适配层技术实现对 IPv6 协议的原生支持，可实现无线传感网络的全 IP 化。


（5）高安全性
Thread 和 ZigBee 均使用了 IEEE 802.15.4 MAC 层提供的 AES 安全加密机制。但在 MAC 层以上，ZigBee 只能使用专门为其定制的安全算法。而 Thread 还可以应用IP 协议族已有的、非常成熟的安全机制，如 DTLS（Datagram Transport Layer Security），使得网络安全更有保障。

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