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Funkstandard im Fadenkreuz: Was ist eigentlich Thread?

Das Funkprotokoll Thread legt gerade eine steile Karriere hin. Bis vor wenigen Wochen war es fast nur Insidern bekannt. Inzwischen taucht der Name aber regelmäßig in Produktankündigungen auf. Apple stattet seinen HomePod mini damit aus. Eve Systems und Nanoleaf haben Unterstützung zugesagt. Höchste Zeit, den „Faden“ – so die deutsche Bedeutung des Wortes Thread – einmal zurückzuverfolgen und zu erklären, was es damit auf sich hat. Denn so viel ist sicher: Von Thread werden wir in Zukunft noch öfter hören.

Basis für einen universellen Smarthome-Standard

Thread geht auf eine Initiative des Smarthome-Herstellers Nest zurück. Zusammen mit anderen Firmen gründete die heutige Google-Tochter 2014 ihre Thread Group (LINK). Ziel der gemeinsamen Aktivität, an der auch Samsung, Osram und Chiphersteller wie Qualcomm oder Silicon Labs beteiligt sind: ein herstellerübergreifendes Funkprotokoll für das Smarthome zu schaffen.

Als ob es davon nicht schon genügend gäbe. Thread trat quasi vom ersten Tag an in Konkurrenz zu Zigbee, Z-Wave, Bluetooth, EnOcean und anderen Funkstandards, die eine drahtlose Gebäudesteuerung ermöglichen. Entsprechend verhalten war zunächst der Erfolg. Außer in Googles eigenen Smarthome-Produkten musste man die Technik mit der Lupe suchen. Und selbst diese knüpften ihre Fäden reichlich lose. So nehmen zum Beispiel die Rauchmelder Nest Protect per Thread miteinander Kontakt auf. Der Nest Thermostat funkt seine Anschlussbox neben der Heizung (Heat Link) damit an. Nest Cameras dagegen verwenden ausschließlich WLAN.

Logos von Amazon, Apple, Google und der Zigbee Alliance.
Amazon, Apple, Google und andere haben sich auf Thread verständigt. Bild: digitalzimmer

Dass sich etwas tut, zeigte 2018 der Beitritt von Apple zur Thread Group. Ein Jahr später kündigten Amazon, Apple, Google & Co. ihr gemeinsames Standardisierungsprojekt Connected Home over IP (CHIP) an. Darin spielt Thread eine wichtige Rolle – weil es neben WLAN und Bluetooth das dritte Funkprotokoll ist, mit dem künftige CHIP-Geräte miteinander in Kontakt treten können. Fürs Smarthome hat es gleich mehrere Vorteile:

  • Thread ist energiesparend, weil der Funkchip die meiste Zeit im Tiefschlaf schlummert. Nur bei Bedarf – etwa, wenn ein Sensor etwas entdeckt – wacht er für Millisekunden auf, setzt sein Signal ab und kehrt dann in den Ruhezustand zurück.
  • Thread ist Mesh-fähig. Das heißt: Geräte, die mit dem Stromnetz verbunden sind, arbeiten automatisch als Funkverstärker (Router) und vergrößern so die Reichweite.
  • Thread ist robust. Es gibt keinen zentralen Vermittler oder Koordinator, der die Organisation des Netzwerks übernimmt. Fällt ein Verteilknoten (Router) im Mesh aus, springt automatisch ein anderer ein. Das Netzwerk „heilt“ sich quasi von selbst.
  • Thread ist IP-basiert. Über das Internetprotokoll IPv6 sind die Geräte direkt adressierbar. Das vereinfacht ihre Kommunikation. Eine Thread-Basis muss die Adressen nur durchreichen und nicht übersetzen wie die Funk-Bridge in anderen Systemen.
Thread: verwandt mit Zigbee und doch anders

Manche Eigenschaften von Thread erinnern an den Zigbee-Standard. Und in der Tat haben die Protokolle viel gemeinsam. Beide funken im freien Frequenzband um 2,4 Gigahertz. Beide bauen ein vermaschtes Funknetz auf (Mesh). Und beide basieren auf dem Übertragungsprotokoll IEEE 802.15.4, das für Netzwerke mit geringem Energieverbrauch und langer Batterielebensdauer gedacht ist.

Der schichtweise Protokollaufbau von Thread und Zigbee. Bild: Texas Instruments.

Allerdings gehört zum Zigbee-Standard auch ein Application Layer. Als zusätzliche Softwareschicht sorgt er dafür, dass die Geräte sich miteinander verstehen und Daten austauschen können. Er teilt dem Netzwerk mit, um welchen Gerätetyp es sich handelt (Sensor, Lampe, Thermostat, Steckdose, Schalter etc.) und welche Funktionen das Produkt beherrscht (Schalten, Dimmen, Szene wechseln etc.). Der Application Layer liegt als oberste Schicht auf dem Funkprotokoll und dient quasi als gemeinsame Sprache.

Thread dagegen beschränkt sich auf den Unterbau. Der Standard organisiert das Netzwerk und sorgt dafür, dass neue Geräte beitreten können. Welche Applikationsschicht darüber liegt, definiert er nicht. Nest verwendet für seine eigenen Smarthome-Produkte einen Application Layer namens Weave. Im Falle von Connected Home over IP (CHIP) könnte es etwas wie Dotdot werden (LINK). Zumindest bringt die Zigbee Allianz diese Technologie in das gemeinsame Projekt mit Amazon, Apple und Google ein. Dotdot enthält die Informationen der Zigbee-Bibliothek und macht sie auf anderen Übertragungsprotokollen verfügbar. Zusammen mit Dodot kann Thread also ungefähr dasselbe wie der klassische Zigbee-Standard.

Dotdot liegt als sogenannte Anwendungsschicht auf dem Thread-Protokoll. Bild: Zigbee Allianz

Aber warum braucht man Thread dann überhaupt? Weil der traditionelle Zigbee-Ansatz für IP-Netzwerke und die Verbindung ins Internet nicht besonders gut geeignet ist. Jedes Gerät in einem Zigbee-Mesh hat seine eigene 16 Bit lange Adresse, die zur Kommunikation nach draußen übersetzt werden muss. Diese Aufgabe übernimmt normalerweise ein Gateway, auch Bridge genannt. Im Lichtsystem Philips Hue fällt sie der Hue Bridge zu. Ohne Bridge keine Steuerung per Smartphone-App, keine Fernbedienung über die Cloud und keine Sprachsteuerung mit Alexa & Co.

Thread macht IP-Verbindungen einfacher. Mit seiner IPv6-Technologie hat es den Zugang zum Heimnetz und ins Internet quasi eingebaut. Zwar ist auch hier ein Gateway nötig – in der Thread-Welt Border Router genannt. Es zeichnet sich jedoch ab, dass diese Funktion künftig in andere Geräte integriert sein wird.

Beispiel WLAN-Router: Das Mesh-System Eero Pro hat laut einem Support-Dokument die Technik an Bord (LINK), taucht bislang aber nicht in der Liste zertifizierter Produkte auf. Nest Wifi bringt die Funktion ebenfalls mit, jedoch muss Google sie noch freischalten (LINK). Eventuell passiert das erst, wenn das CHIP-Konsortium seinen offenen Application Layer definiert hat.

Apple wartet nicht so lange und spinnt mit Thread bereits sein eigenes Fadenwerk für HomeKit – mit dem HomePod mini als Border Router. Im Application Layer läuft dabei das hauseigene HomeKit Accessory Protocol (HAP). Darum arbeitet der HomePod mini auch nicht mit allen möglichen Thread-Produkten zusammen. Nur mit solchen, die gleichzeitig auch HomeKit unterstützen.

Im Unterschied zum Zigbee-Netz, das immer nur eine Bridge als Vermittler haben kann (siehe: Zigbee-Netzwerk optimal einrichten), sind mehrere Border-Router für Thread übrigens kein Problem. Im Gegenteil: Sie erhöhen die Ausfallsicherheit. Das Netzwerk entscheidet selbst, welcher davon zum Einsatz kommt. Verabschiedet sich dieser aus irgendwelchen Gründen aus dem Netzwerk, springt automatisch der Nächste ein.

Thread nachrüsten – mit einem Firmware-Update

Dass Zigbee und Thread auf demselben Übertragungsstandard basieren (IEEE 802.15.4), hat noch einen weiteren Vorteil. Sie können theoretisch dieselben Mikrocontroller zum Senden und Empfangen nutzen. Chiphersteller wie Texas Instruments oder STM bieten sogenannte MCUs an, die wahlweise mit Thread oder Zigbee arbeiten. Je nachdem, welche Software der Hersteller eines Sensors oder Aktors auf das Gerät lädt. Auch ein nachträglicher Wechsel des Protokolls ist auf diese Weise möglich.

Manche Chips nehmen noch Bluetooth (IEEE 802.15.1) als weiteren Übertragungsstandard hinzu und eignen sich damit für alle gängigen Smarthome-Protokolle, die energiesparend auf 2,4 Gigahertz funken. Seit 2019 und der Spezifikation 1.2 ist Bluetooth in Thread sogar ausdrücklich vorgesehen (LINK). Geräte mit einem entsprechenden Funkchip können darüber zum Beispiel direkt mit dem Smartphone kommunizieren, ohne Umweg über einen Border Router.

Was per Update möglich ist, zeigt Eve Systems mit seinen HomeKit-Produkten: Die jüngste Generation aus dem Jahr 2020 wird neue Firmware bekommen. Sie soll den Geräten, die bislang mit Bluetooth kommunizieren, nachträglich das Thread-Protokoll beibringen.

Der aktuelle Eve Door & Window erhält ein Software-Update für Thread. Bild: Eve Systems

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