Zigbee vs. Matter over Thread：理解物联网协议在实际中的性能表现

# Zigbee 与 Matter over Thread：理解物联网协议在实际中的性能表现
来源：https://arxiv.org/html/2603.04221

###### 摘要

物联网（IoT）的广泛普及使智能家居成为分布式自动化系统的典型范例，而这些系统的可靠性、效率和互操作性在很大程度上取决于底层通信协议。在可用于此类场景的低功耗无线技术中，Zigbee 和 Matter over Thread 已成为两大主要竞争者。Zigbee 是一种成熟的、非 IP 的网状网络解决方案，而 Matter over Thread 则引入了基于 IP 的架构，旨在统一不同生态系统之间的设备互操作性。然而，尽管其设计原理已有大量文档说明，但在真实网络条件下进行的实证对比性能数据仍然缺乏。本文基于商用硬件搭建的测试平台，对两种协议进行了全面的实验比较。所提出的方法聚焦于可扩展性、响应性和容错性等关键性能维度。结果表明，Zigbee 具有更低的基线开销和更快的路由恢复速度，因此在静态的小规模部署中响应更迅速。相比之下，Matter over Thread 表现出更优的可扩展性和鲁棒性，在多跳场景中能保持稳定的吞吐量和可预测的延迟。总体而言，我们强调 Zigbee 与 Matter over Thread 在敏捷性、效率和可扩展性之间体现了不同的权衡。

## I 引言

物联网（IoT）已成为现代自动化与控制工程的基石，智能家居则是其中最为成熟且发展最快的应用领域之一。当代智能家居环境由众多异构设备、传感器、执行器和控制器组成的复杂分布式系统构成，这些设备必须在严格的能耗和延迟约束下可靠、高效且安全地通信。此类系统的整体性能和鲁棒性从根本上取决于底层无线通信协议的特性，这些协议直接影响延迟、吞吐量、可扩展性、容错性和能效等关键工程维度。因此，通信协议的选择是一项核心设计决策，它强烈影响着智能家居生态系统的可靠性、响应性和长期可维护性。

在住宅部署中，通信技术必须满足与传统数据网络截然不同的要求。设备通常采用电池供电，需要在无人看管的情况下长时间运行，并且部署在节点可能频繁加入、离开或失效的动态拓扑中。因此，低功耗无线网状网络协议已成为智能家居中感知、执行和控制任务的主导解决方案。其中，Zigbee 在过去十年中获得了广泛采用，并已深度嵌入商业上成功的生态系统中，包括飞利浦 Hue 等照明系统、宜家的智能家居设备，以及集成到主流自动化平台中的各类传感器和执行器。近年来，Matter over Thread 作为一种变革性标准出现，由大型行业联盟支持，其目标是通过定义运行在基于 IPv6 的低功耗 Thread 网状网络之上的通用应用层，来解决长期存在的互操作性挑战。因此，Zigbee 和 Matter over Thread 日益代表着智能家居环境中面向基础设施级低功耗通信的两大主流范式。

其他连接技术也存在于消费级物联网部署中。基于 Wi-Fi 的解决方案通常用于带宽密集型设备，如摄像头、多媒体系统和语音助手。然而，Wi-Fi 通常能耗更高，会增加家庭网络上的争用，并且在支持大量受限设备时可扩展性有限。此外，Wi-Fi 部署通常基于星型拓扑，缺乏泛在感知和执行所需的原生、低功耗、自愈网状网络机制，因此消费级 Wi-Fi 不太适合作为该场景下的主要通信基板。低功耗蓝牙（BLE），包括 BLE Mesh，在物联网生态系统中也发挥着重要作用，特别是在设备配置、基于邻近度的控制和以智能手机为中心的交互方面。虽然 BLE Mesh 支持多对多通信，但它依赖于受管洪泛而非结构化路由，并且通常针对零星流量模式和有限网络规模进行了优化。因此，基于 BLE 的解决方案较少被用作始终在线、基础设施级智能家居自动化的骨干，而这类自动化需要持久的设备可用性、多跳路由以及大规模操作（如协调固件更新）。

因此，本工作将范围限定于面向持久智能家居基础设施的基于路由的低功耗网状协议，重点关注 Zigbee 和 Matter over Thread，作为该领域具有代表性且被广泛采用的技术。

尽管 Matter over Thread 的相关性日益增强，且 Zigbee 已长期部署，但对其真实性能进行全面实证比较的研究仍然很少。现有研究往往侧重于架构差异、理论能力或孤立的性能指标，而在同等条件下进行系统性实验评估的则有限。这种对比分析的缺乏使得系统设计者和实践者很难在为可扩展且可靠的智能家居部署选择协议时做出明智决策。

本工作通过在受控智能家居测试平台上对 Zigbee 和 Matter over Thread 进行严格的实验比较来弥补这一空白。两种协议在等效的硬件和网络条件下进行评估，以回答以下研究问题：

- **可扩展性与稳定性**：随着连接设备数量及网络深度的增加，哪种协议能保持更强的稳定性和响应性？
- **响应性与效率**：哪种协议在与用户直接相关的操作（如远程设备激活）中提供更优的响应性，并能更高效地处理诸如组固件更新等高要求任务？
- **容错性**：在设备或节点发生故障时，哪种协议能最大限度地减少中断并确保网络在无需人工干预的情况下保持连续运行？

为回答这些问题，本工作收集了 Matter over Thread 和 Zigbee 流量的标注数据集，并对两种协议进行了数据驱动的对比分析。我们使用相同的硬件为两种技术设计和部署了实验测试平台，并定义了一种方法，使其能够在逼真的智能家居场景中对可扩展性、效率和容错性进行全面评估。

实验结果显示两种生态系统之间存在明显的权衡。Zigbee 表现出较低的基线开销和更快的路由恢复速度，因此非常适合中小规模且相对静态的网络。相比之下，Matter over Thread 在重载和不断增长的网络条件下表现出更优的可扩展性和更稳定的性能。这些发现表明，两种协议之间的选择并非绝对优劣，而是工程上在敏捷性与稳定性、以及效率与可扩展性之间的权衡。

本文的其余部分组织如下。第[II](https://arxiv.org/html/2603.04221#S2)节概述了 Zigbee 和 Matter over Thread 之间的架构差异。第[III](https://arxiv.org/html/2603.04221#S3)节回顾了有关物联网通信协议性能评估的相关工作。第[IV](https://arxiv.org/html/2603.04221#S4)节描述了实验测试平台和方法。第[V](https://arxiv.org/html/2603.04221#S5)节展示并讨论了对比性能结果。最后，第[VI](https://arxiv.org/html/2603.04221#S6)节对全文进行总结并展望未来研究方向。

## II 背景

Zigbee 和 Matter over Thread 协议栈在网络层、传输层和应用层设计上存在显著差异。Zigbee 于 2005 年首次标准化[1](https://arxiv.org/html/2603.04221#bib.bib38)，是一种成熟的、垂直集成的无线通信协议栈。相比之下，Thread 于 2015 年标准化[22](https://arxiv.org/html/2603.04221#bib.bib37)，是一种较新的、基于 IP 的网络协议，其首要设计目标是灵活性和互操作性。

尽管存在这些架构差异，图1（https://arxiv.org/html/2603.04221#S2.F1）中两种协议的协议栈图表明，两者的物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC）均基于 IEEE 802.15.4 标准[7](https://arxiv.org/html/2603.04221#bib.bib15)所定义的相同基础。两种协议都在 2.4 GHz ISM 频段工作，原始数据速率为 250 kbps，均面向低功耗、电池供电设备进行了优化。因此，两种系统之间观察到的任何性能差异都不能归因于无线电硬件特性，而应归因于上层协议层的设计选择和行为。

参见图注 图1：两种被分析协议栈的示意图

### II-A 网络层与路由策略

Zigbee 采用专有网络层，基于非 IP 的 16 位短地址。其架构强制采用以单个协调器（Coordinator）为中心的层次化拓扑，该协调器负责个人区域网络（PAN）的形成、安全密钥分发以及与外部网络的桥接[19](https://arxiv.org/html/2603.04221#bib.bib35)。Zigbee 的路由基于源自 AODV 的按需反应式协议：当节点缺少到目的地的路由时，它会发起全网络范围内的路由请求（RREQ）广播，该广播一直传播到目的地并建立返回路径。虽然这种方法能够实现快速路由发现，并且通常能产生最少跳数路径，但在大型、密集或不稳定的网络中，尤其是在拓扑变化期间，可能导致显著的控制开销和广播风暴。

Thread 则采用了根本不同的方法。通过使用 Thread 边界路由器（TBR），网状网络与外部 IP 连接解耦，且同一网络中可以共存多个边界路由器，以提供冗余和无缝故障转移[21](https://arxiv.org/html/2603.04221#bib.bib33)。路由由具备路由器能力的节点使用 Mesh Link Establishment（MLE）协议主动处理。Thread 路由器定期交换包含链路质量指标（如链路余量）的路由通告，并据此计算累积路径成本。这种基于指标的路由策略使 Thread 能够优先选择更稳定的多跳路径，而不是较短但不可靠的路径，从而将网络鲁棒性和一致性置于 Zigbee 按需路由所特有的即时反应性之上。

### II-B 适配层与传输层

在适配层和传输层还存在影响效率和可靠性的进一步差异。Zigbee 将其传输功能封装在专有的应用支持子层（APS）中，该子层提供了专门针对 Zigbee 协议栈定制的轻量级确认和重传机制。

Thread 作为一种原生 IP 协议，必须在 IEEE 802.15.4 受限的帧大小内容纳相对较大的 IPv6 报头。这一挑战通过 6LoWPAN（IPv6 低功耗无线个人区域网络）适配层解决，该层执行积极的报头压缩，将标准 40 字节的 IPv6 报头减少到仅 6–7 字节，并管理数据包的分片和重组[12](https://arxiv.org/html/2603.04221#bib.bib29)。通过向上层暴露标准传输协议，Thread 支持使用用户数据报协议（UDP）和传输控制协议（TCP）。在实践中，大多数应用流量（包括 Matter 命令）依赖 UDP，因其延迟低且开销最小。TCP 支持则保留给需要保证交付的场景，例如空中（OTA）固件更新，在这些场景中，额外的控制开销因可靠性的需求而变得合理。

### II-C 应用层

应用层最终决定了设备如何解释消息以及在智能家居生态系统中如何交互。Zigbee 定义了自己的专有应用框架——Zigbee 集群库（ZCL），后称为 Dotdot，它规范了设备模型和命令语义，但将互操作性限制在 Zigbee 生态系统内部。

Thread 本身与应用层无关，并有意不定义这一层，从而允许任何基于 IP 的应用协议在其网络之上运行。这种设计选择使得 2022 年发布的 Matter[2](https://arxiv.org/html/2603.04221#bib.bib39)能够作为统一的应用层部署，跨越包括 Thread、Wi-Fi 和以太网在内的多种物理层和链路层技术。Matter 采用了一种概念上源自 ZCL 的数据模型，保留了集群和属性等概念，同时将应用逻辑与底层无线电技术解耦。这种架构能够在异构供应商生态系统之间实现端到端的互操作性，而无需历史上导致智能家居部署碎片化的专有转换网关。

### II-D 架构对性能和韧性的影响

上述架构差异对 Zigbee 和 Matter over Thread 部署的性能和容错特性具有直接影响。Zigbee 的按需、基于广播的路由策略能够实现快速路径发现，但在拓扑变化期间，尤其是在密集或不稳定的网络中，可能会增加控制流量和恢复延迟。其对单一协调器的依赖进一步引入了潜在的单一故障点，可能影响全网络的可用性。

相比之下，Thread 的主动路由机制，结合基于指标的路由选择和多个边界路由器支持，明确旨在增强网络稳定性和韧性。6LoWPAN 的使用以额外的适配层处理为代价实现了 IP 互操作性，而标准化的传输协议则引入了延迟与可靠性之间明确的权衡。在应用层，Matter 的原生 IP 设计优先考虑互操作性和跨异构生态系统的统一设备行为，同时与垂直集成协议栈相比引入了额外的协议开销。

综合来看，这些设计选择表明，在路由开销、恢复行为、延迟和鲁棒性之间存在固有的权衡，而这些在 PHY 层或 MAC 层是无法观察到的。要量化这些权衡在真实部署条件下的实际影响，需要系统性的实验评估，这正是本工作所进行的分析的动力所在。

## III 相关工作

鉴于 Matter 协议标准化和商业推广的时间非常近，当前文献在范围和实验深度上仍然有限。现有工作主要集中于架构方面的讨论。