スレッド – シンプル、安全、スケーラブルなホームオートメーション

 スタートアップ企業であれ大企業であれ、新しい ホームオートメーション用スマートデバイス が考案される際には、解決すべき技術的な課題があり、製品の市場投入を早めることが困難になり、成功と失敗の違いとなる可能性があります。

接続性は、解決する必要がある技術設計の重要かつ中心的な部分です。すべてのテクノロジーが スマートホームデバイスに適しているわけではありません。確かに最もよく知られ、使用されているのは Wi-Fi® と Bluetooth®ですが、これらのテクノロジーは、この種のデバイスを開発する際に最も一般的に発生する課題に対して限定的であったり、部分的な解決策しか提供していないため、ギャップが存在することは明らかです。

スレッドスマートホームとは何ですか?

Thread Groupは、まさにこの課題に対処するために7つの企業によって結成された業界連合です。現在、会員数は220社を超えています。

彼らの解決策は糸—は、大規模な導入をサポートするために設計されたネットワーク技術です。 IoT 家庭内外で。さまざまなIoTアプリケーション向けのスマート ソリューションを作成するには、センシング、処理、接続のための適切なテクノロジが必要です。強力なインフラストラクチャにより、革新的な製品を迅速に市場に投入できるようになります。

この記事では、ネットワークアーキテクチャ、コミッショニングとセキュリティ、製品認証など、Threadの基礎について説明します。最後に、 NXPの 7つのグループ創設メンバーの1つであるThread Platformは、完全なエンドツーエンドのThreadシステムを設計できるようにし、製品の市場投入までの時間を短縮します。

IoT接続の現状

Wi-Fi以外にも® およびBluetooth®、 IEEE® 802.15.4規格 低速ワイヤレス パーソナル エリア ネットワーク向けに設計された別の接続テクノロジです。IEEE 802.15.4は、低コスト、低複雑性、低消費電力、低データ レート伝送をサポートするように設計されたOSIネットワーク モデルのMAC層とPHY層を実装しており、これらはすべて制御および監視アプリケーションに最適な特性です。

IEEE 802.15.4チップセットは信頼性が高く、この規格が最初に承認されて以来、何億個ものユニットが出荷されています。これらは、Threadを含む多くの メッシュ ネットワーキング レイヤーのハードウェア基盤として機能し、デバイス間通信のための堅牢で信頼性の高いソリューションを提供します。

ThreadプロトコルはIPベースなので、ネットワーク内のすべてのデバイスを直接アドレス指定できます。ネットワーク層の上にはアプリケーション層があります。Thread上で実行できるアプリケーション層オプションは多数あります (例: Nest Weave、HomeKit、AllJoyn、 ZigBee)®。ネットワーク層はデバイスの接続と通信の方法を定義し、アプリケーション層はユーザー エクスペリエンスを定義します。

新しい無線規格の必要性 

IoT分野では既存のネットワーク標準が使用されていますが、多くの市場セグメントとアプリケーションには独自のニーズがあります。家庭内のデバイス（サーモスタット、照明、ドアロック、安全とセキュリティ、ビデオカメラ、大型家電など）を接続する利点が急速に発展する中、Threadは、主要な市場要件すべてに対応するネットワーク プロトコルを提供することで、この市場の成長を加速するために作成されました。

• IPアドレス指定可能 – デバイス間/デバイスとクラウド間の直接通信
• 消費者に優しい – ネットワークへの追加/削除が簡単
• 常に安全 – ネットワークへの参加とデータの暗号化のための安全な方法
• 堅牢で信頼性の高いメッシュ ネットワーク – 家全体/建物全体に拡張可能
• 極めて低消費電力 – 小さなバッテリーで何年も動作可能

Threadは、多くの一般的なアプリケーション層プロトコルとプラットフォームをサポートしています。ソフトウェア アップグレードにより、現在出荷されている802.15.4製品にThreadを追加できます。

図1: スレッドプロトコルスタック

Threadは、製品を相互に、インターネットに、クラウドに接続するためのIPv6ベースのメッシュ ネットワーク プロトコルを提供します。6LoWPANヘッダー圧縮とフラグメンテーションを使用することで、802.15.4プロトコルのより小さなPHYペイロードを使用してIPv6パケットを送信できるようになります。既存のシリコン (802.15.4無線) 上で実行されるため、同じ無線テクノロジを使用する製品では、完全な互換性を実現するためにファームウェアのアップグレードのみが必要です。

開発中に最も重点を置いた2つの領域は、コミッショニングとセキュリティでした。あらゆる種類の不正なネットワーク アクセスを完全に防止しながら、消費者が製品を簡単にネットワークに追加したり、ネットワークから削除したりできる必要があります。 

コネクテッドホーム向け製品の堅調な成長予測をサポートするため、Threadネットワークは250台を超えるデバイスを含むように拡張できます。電球や窓センサーなどの接続製品の場合、建物の規模に応じてノードの数が多くなることがあります。ドアロックなどのバッテリー駆動製品の場合、Threadの低電力動作により、製品のパフォーマンスを損なうことなく何年ものバッテリー寿命が実現します。 

Threadはオープンでグローバルなプロトコルであり、Thread Groupに参加する企業であれば誰でも自社製品に実装できます。Threadは、既存の実証済みのオープン スタンダードを利用することで、迫りくる期限に間に合わせる必要があるメーカーの市場投入までの時間を短縮します。 

スレッド互換デバイス

Threadネットワーク内のデバイスはさまざまな役割を果たすことができます。Threadルーターは、ネットワーク上のデバイス間でパケットを送信します。これらの役割に加えて、ルーティング デバイスには送信する独自の製品データも含まれる場合があります。Threadルーターの中から、ネットワークによってリーダーとなるデバイスが1つ選択されます。このリーダーはネットワーク トラフィックを管理し、すべてのデバイス間の効率的で信頼性の高い通信に必要なルーターの数を決定します。エンド ノードには、ルーティング機能の有無にかかわらず、任意の数のデバイスが付属します (つまり、ネットワークでより広い範囲のカバレッジが必要であると判断された場合、デバイスはルーターとして機能するように昇格される可能性があります)。 

図2: スレッドネットワークアーキテクチャ

境界ルーターは異なる役割を果たし、デバイスは802.15.4ベースのThreadネットワークとクラウドまたはインターネット (通常はWi-Fiまたは イーサネット を使用) の間でパケットを変換します。境界ルータは複数存在でき、専用のゲートウェイは必要ありません。境界ルーターは、ホーム ネットワーク内の電話、タブレット、その他のデバイスに直接Wi-Fi接続を提供することもできるため、Webやクラウドに接続できない場合でもローカル制御が可能になります。境界ルーターが故障して動作を停止した場合でも、Threadネットワークはシームレスに動作し続けます。

ThreadはWi-FiやBluetoothに代わるものではなく、それらを補完するものです。Threadは、デバイスが相互に確実に通信できるようにする真のメッシュ ネットワークを提供します。スレッドは洪水でも繰り返しアーキテクチャでもありません。1つのルートに障害が発生した場合、新しいルートを確立できるため、通信を最小限に抑えながら、データを目的の宛先に効率的に送信できます。

スレッドの クラウド接続 居住者が外出しているときに家を制御および監視したり、インターネット接続が利用できないときでも電話やタブレットを使用してネットワーク上のデバイスに直接通信したりする重要な機能を提供します。

スレッドのコミッショニングとセキュリティ

デバイスは、「コミッショニング」と呼ばれるプロセスを通じてネットワークに参加します。すでにネットワークの一部となっているGUIインターフェイスを備えたエンド デバイスを使用して、新しいデバイスをコミッショニングできます。ユーザーは、スマートフォン、タブレット、またはコンピューター経由でデバイスを認証して、ネットワークに追加することもできます。

Threadコミッショニング アプリは、新しい製品を追加するための簡単な方法を提供します。アプリは、QRコードまたはキー コード (製品自体にラベルが貼られています) を使用して、ネットワークとの一時的なセキュリティ セッションを作成します。ネットワーク情報とセキュリティ資格情報が共有され、委託されたデバイスがオンラインになります。ネットワーク内で送信されるメッセージは常に暗号化されます。特定の製品要件に基づいて、アプリケーション層のセキュリティも組み込まれる場合があります。

スレッド仕様はネットワーク層にのみ焦点を当てており、アプリケーション層には依存しません。現在、Nest Weave、AllJoyn、HomeKit、ZigBeeなど、理論的にはThread上でシームレスに実行するように設計できる、機能豊富で実績のあるアプリケーション レイヤーが数多く存在します。Wi-Fiやイーサネットと同様に、製品メーカーは特定のニーズに最適なアプリケーション層を自由に選択して統合できます。

製品認証

ネットワーク層での相互運用性を保証するために、Thread認定ロゴを使用する前に、すべてのThreadデバイスを認定する必要があります。認定プロセスでは、コミッショニング、ネットワーク機能、相互運用性、およびネットワーク内での操作を検証します。このプログラムは、商用製品だけでなく、ソフトウェア スタックやモジュールなどのコンポーネントもサポートします。

スポンサーおよび貢献者メンバーは、このプロセスを支援するために、標準テスト ハーネスとサンプル コミッショニング アプリの両方にアクセスできます。すべての認証は、Thread認定のサードパーティ テスト ラボによって実行されます。 

NXPのスレッドプラットフォーム

Thread Groupの創設メンバーの1社として、NXPはこれまでも、そしてこれからも、仕様の定義と相互運用可能なスタックの開発に積極的に参加し続けます。NXPは、Threadルーター、境界ルーター、エンド デバイスに必要なすべての構成要素を提供するさまざまなプラットフォームを提供しており、顧客が完全なエンドツーエンドのThreadシステムを開発できるよう支援します。

NXPは、Kinetis WシリーズMCUを使用して、Threadエンド ノードおよびルーター向けのシングル チップ ソリューションを提供します。これらのデバイスにはARM® 皮質™- 802.15.4接続が統合され、スレッド スタックとアプリケーション コードを実行するのに十分な組み込みメモリを備えたM4コア。

より多くのメモリや異なる機能セットを必要とするThreadシステム向けに、NXPは、数百のKinetis Cortex-MベースのMCUのいずれかとペアリングできるスタンドアロンの802.15.4無線 (MCR20) も提供しています。このアーキテクチャは、スレッド エンド ノード、ルーター、境界ルーターの構築に使用できます。

Threadネットワークでは、単一の境界ルーターまたは複数の境界ルーターが存在し、アプリケーションとその全体的な要件に応じて2つの異なる方法で実装できます。境界ルータには、1) FreeRTOSを実行するMCUベースのシステムと2) FreeRTOSを実行するMPUベースのシステムの2種類があります。 リナックス®。Linuxベースのシステムでは、データ管理と分析、イベント処理、クラウド接続などの機能が追加されます。スケーラブルなKinetis MCUポートフォリオでは、イーサネットを統合したKinetis K64 MCUをRTOSベースの境界ルーターとして使用できます。より高性能なLinux境界ルータには、ARM Cortexをベースにしたi.MX 6ULアプリケーションプロセッサが採用されています。™ -A5コアは理想的なソリューションです。 NXPソリューションごとに、より迅速な設計を可能にするさまざまな開発プラットフォーム オプションが提供されています。

次の表は、NXP認定のThreadソリューションをまとめたものです。

NXPは、ハードウェア プラットフォーム オプションに加えて、完全なソフトウェア ソリューションも提供します。Thread仕様のNXP実装には、Threadネットワークに必要なすべてのコンポーネントが含まれており、利用可能な最初の認定スタックの1つです。このKinetis Threadソフトウェア スタックは、低消費電力、スケーラビリティ、堅牢性を実現するように最適化されています。Threadネットワークの内外でデータを確実に転送するための、COAPベースのアプリケーションが事前に用意されています。COAPはソフトウェアプロトコルである スマートホーム環境などの小型低電力デバイスを対象に、インターネットを介した双方向通信を可能にします。

Thread + NXP、スマートホームとその先を実現

開発者が新しいアイデアやデザインでモノのインターネットを構築する中、Threadは、製品を簡単に接続できる低電力のワイヤレス メッシュ ネットワーク プロトコルを提供し、既存のネットワーク テクノロジーを補完しながら、シンプルで安全かつスケーラブルなソリューションを提供します。

Threadの創設メンバーの1つであるNXPは、想定される製品の複雑さに関係なく、完全なエンドツーエンドのThreadシステムを構築するために必要なすべての構成要素を提供する包括的なプラットフォームを提供しています。

ThreadとNXPが協力することで、あらゆるスマート ホーム デバイスをより早く市場に投入し、成功の可能性を高めることができます。

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