[论文解读] Zigbee vs. Matter over Thread: Understanding IoT Protocol Performance in Practice

Massimo Nobile, Fabio Palmese+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2026

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一句话总结

本论文在相同硬件测试平台上对 Zigbee 与 Matter over Thread 进行了实证比较，揭示 Zigbee 的局部路由更快但可扩展性较差，而 Matter over Thread 在多跳部署中提供更好的可扩展性和鲁棒性。

ABSTRACT

The widespread adoption of the Internet of Things (IoT) has positioned smart homes as paradigmatic examples of distributed automation systems, where reliability, efficiency, and interoperability depend critically on the underlying communication protocol. Among the low-power wireless technologies available for this scenario, Zigbee and Matter over Thread have emerged as leading contenders. While Zigbee represents a mature, non-IP mesh networking solution, Matter over Thread introduces an IP-based architecture designed to unify device interoperability across different ecosystems. However, despite extensive documentation of their design principles, there is a lack of empirical, comparative performance data under realistic network conditions. This paper presents a comprehensive experimental comparison between the two protocols, conducted on a testbed built from commercially available hardware. The proposed methodology focuses on different key performance dimensions, such as scalability, responsiveness, and fault tolerance. The results reveal that Zigbee achieves a lower baseline overhead and faster route recovery, making it more responsive in static small-scale deployments. Matter over Thread, conversely, exhibits superior scalability and robustness, maintaining stable throughput and predictable latency across multi-hop scenarios. Overall, we highlight that Zigbee and Matter over Thread embody distinct trade-offs between agility, efficiency, and scalability.

研究动机与目标

• 在现实的智能家居拓扑中评估 Zigbee 与 Matter over Thread 的可扩展性与稳定性。
• 评估面向用户的操作和 OTA 风格任务的响应性与效率。
• 量化节点故障下的容错性与路由恢复性能。
• 提供基于数据的见解以指导大规模部署的协议选择。

提出的方法

• 构建一个对比控制的硬件测试平台，使用相同的 ESP32-C6 设备实现两种协议。
• 在同一硬件上将 Zigbee 配置为路由器，将 Matter over Thread 配置为完整 Thread 设备。
• 使用两种拓扑结构（全连接网状与链式）来测试可扩展性与路由行为。
• 通过在 Wireshark 中对流量进行分类，将协议开销与应用流量区分开来。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着设备数量增加和网络深度增大，哪种协议能够保持更高的稳定性与响应性？
• RQ2 哪种协议在面向用户的操作下提供更好的响应性并高效处理密集任务？
• RQ3 哪种协议在节点故障后提供更好的容错性和更快的路由恢复？

主要发现

• 在小型网络中 Zigbee 的基线开销较低，但开销随规模显著上升，在六节点网格中甚至可能超过 Thread。
• Matter over Thread 在增加跳数时流量呈更稳定的线性增长，表明可扩展性更好。
• 在链式拓扑中，Zigbee 在超过三跳后出现严重拥塞和可靠性问题，而 Thread 在所测试深度内仍可工作。
• Thread 能实现更高且更可预测的端到端时延，并随跳数增长而线性扩展，而 Zigbee 的时延非线性增加且随着跳数增多而下降。
• Zigbee 在单跳吞吐量较高（约 75 kbps），但在多跳场景下性能下降迅速；Thread 维持更高吞吐量并支持 TCP/UDP，其中 TCP 提供稳定、可重复的表现。
• 由于 6LoWPAN 效率问题，碎片化对 Zigbee 的影响较大（85–95+ 字节范围，视条件而定），导致 Zigbee 在碎片化下的延迟更高。
• Thread 搭配 TCP 能提供稳定的吞吐量且无需逐跳调优，而 Zigbee 需要小心节流以避免拥塞。