Thread (Funkprotokoll)

Thread ist ein Funkstandard für die Hausautomation, der 2014 von der Thread Group veröffentlicht wurde. Er bildet die Netzebene, auf der Matter in seiner Funkvariante aufsetzt, und ist damit neben WLAN und Ethernet einer von dessen drei Übertragungswegen.

Der Name ist mehrdeutig — in der Programmierung bezeichnet ein Thread einen Ausführungsstrang, in Foren einen Beitragsverlauf. Gemeint ist hier ausschließlich das Funkprotokoll.

Dieselbe Funkschicht wie ZigBee

Thread nutzt IEEE 802.15.4 auf 2,4 GHz mit 250 kbit/s — exakt die Funkschicht, auf der auch ZigBee arbeitet. Die Hardware ist dieselbe, und viele Funkbausteine lassen sich per Firmware von einem auf das andere umstellen.

Darüber unterscheiden sich beide grundlegend. ZigBee setzt eine eigene Netz- und Anwendungsschicht auf. Thread setzt IPv6 auf, komprimiert für Funk nach dem Verfahren 6LoWPAN.

Daraus folgt die prägende Eigenschaft: Jedes Thread-Gerät hat eine eigene IP-Adresse und ist aus dem Heimnetz heraus unmittelbar erreichbar. Es gibt keine Übersetzung zwischen zwei Protokollwelten, wie sie ein ZigBee-Gateway leisten muss — die Pakete werden geroutet, nicht umgesetzt.

Weil beide dasselbe Band teilen, gilt für Thread dieselbe Vorsicht gegenüber WLAN wie für ZigBee: Ein Router mit 40 MHz Kanalbreite kann ein Thread-Netz empfindlich stören.

Border Router statt Zentrale

Die Verbindung zwischen dem Thread-Netz und dem übrigen Heimnetz stellt ein Border Router her. Er hängt mit einem Bein im Funknetz und mit dem anderen an WLAN oder Ethernet und leitet IPv6-Pakete zwischen beiden weiter.

Der entscheidende Unterschied zum ZigBee-Coordinator: Ein Thread-Netz kann mehrere Border Router haben, und sie vertreten einander. Fällt einer aus, läuft das Netz über die übrigen weiter. Ein ZigBee-Netz hat genau einen Coordinator, und mit ihm fällt das Netz.

In der Praxis stecken Border Router in Lautsprechern, Fernsehgeräten und Hubs verschiedener Hersteller. Wer mehrere davon im Haus hat, betreibt ohne Zutun ein redundantes Netz.

Rollen und Selbstheilung

Innerhalb des Netzes nehmen die Geräte verschiedene Rollen ein:

• Router — leiten weiter, müssen dauerhaft empfangsbereit und damit netzbetrieben sein.
• Leader — ein Router, der zusätzlich Adressvergabe und Rollenverteilung verwaltet.
• REED (Router-Eligible End Device) — ein Endgerät, das bei Bedarf zum Router befördert wird.
• End Device — sendet nur für sich; als Sleepy End Device darf es schlafen und jahrelang mit einer Batterie auskommen.

Die Rollen werden selbsttätig vergeben. Fällt der Leader aus, bestimmt das Netz einen neuen, ohne dass jemand eingreift. Wird ein Bereich schlecht angebunden, befördert sich ein REED zum Router. Thread kennt damit keinen Punkt, dessen Ausfall das Netz stilllegt.

Auch hier gilt die Regel aus der ZigBee-Welt: Batteriegeräte leiten nichts weiter. Reichweite entsteht durch netzbetriebene Geräte.

Ein Netz umfasst bis zu 511 Geräte, von denen gleichzeitig höchstens 32 als Router arbeiten.

Was Thread nicht leistet

Thread transportiert Pakete — mehr nicht. Es legt nicht fest, wie ein Schaltbefehl aussieht oder wie ein Temperaturwert übertragen wird.

Das unterscheidet es von ZigBee und Z-Wave, die beide eine Anwendungsschicht mitbringen. Zwei Thread-Geräte können einander im Netz erreichen und trotzdem nichts miteinander anfangen, solange sie nicht dieselbe Sprache darüber sprechen.

Diese Sprache liefert in der Regel Matter. Thread und Matter werden deshalb meist in einem Atemzug genannt, sind aber zwei getrennte Dinge: Thread ist das Netz, Matter die Verständigung darüber.

Sicherheit

Der Funkverkehr ist mit AES im 128-Bit-Modus verschlüsselt, abgeleitet aus einem Netzwerkschlüssel, den alle Teilnehmer gemeinsam haben.

Der Beitritt läuft nicht über einen allgemein bekannten Standardschlüssel, wie es ZigBee lange tat, sondern über ein abgesichertes Verfahren: Ein beitrittswilliges Gerät baut eine verschlüsselte Verbindung zu einer Instanz auf, die den Beitritt freigibt, und weist sich dabei mit einem gerätespezifischen Geheimnis aus. Erst danach bekommt es den Netzwerkschlüssel.

Abgrenzung

ZigBee nutzt dieselbe Funkschicht, bringt aber eigene Netz- und Anwendungsschichten mit und braucht deshalb ein übersetzendes Gateway. Es hat die weit größere Geräteauswahl.

Z-Wave arbeitet unterhalb von 1 GHz und hat kein WLAN-Problem, ist aber regional gebunden und geschlossener.

WLAN erreicht jedes Gerät ohne Zusatzhardware, verbraucht aber zu viel Strom für Batteriegeräte und belastet das Netz mit vielen Teilnehmern.

Bluetooth Low Energy dient bei Thread-Geräten dem Anlernen, nicht dem Betrieb.

Quellen

• IEEE 802.15.4 – Low-Rate Wireless Personal Area Networks, Funkschicht und Medienzugriff
• Thread Specification – Thread Group