Matter (Thread/Wi-Fi/Ethernet)

Interoperacyjność inteligentnego domu

Inteligentny dom łączy żarówki, termostaty, kamery bezpieczeństwa, zamki i urządzenia sterujące. Przed Matter produkty korzystały z różnych protokołów i platform. Żarówka Zigbee oraz włącznik Z-Wave wymagały odrębnej integracji, podobnie jak ekran Google Home i urządzenie przeznaczone wyłącznie dla Apple HomeKit. Każdy producent mógł inaczej opisać stan urządzenia, komendę włączenia światła albo sposób zgłaszania temperatury, dlatego zgodność trzeba było sprawdzać dla konkretnych modeli.

Fragmentacja wymuszała sprawdzanie tabel kompatybilności, używanie wielu aplikacji i podłączanie kilku hubów lub mostków do routera. Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee i Z-Wave zapewniały transport danych, lecz urządzenia różnych ekosystemów potrzebowały wspólnego modelu typów, atrybutów i poleceń na poziomie aplikacji. Sam fakt, że dwa produkty korzystały z IP albo z tej samej częstotliwości, nie określał jeszcze znaczenia komunikatów. Problem dotyczył warstwy usług, a zasięg radia był tylko jednym z elementów.

W 2019 roku Amazon, Apple, Google i Zigbee Alliance utworzyły grupę roboczą Project CHIP, czyli Connected Home over IP. Zigbee Alliance działa dziś jako Connectivity Standards Alliance. Projekt doprowadził do powstania otwartego standardu Matter. Matter nie jest nowym radiem bezprzewodowym ani zamiennikiem Wi-Fi. Jest warstwą aplikacji działającą nad istniejącymi technologiami sieciowymi, więc urządzenia z certyfikowanymi funkcjami mogą używać wspólnego modelu danych. Transport, zasilanie i zakres funkcji nadal zależą od konkretnego produktu.

Matter jako warstwa aplikacji nad IP

Matter definiuje warstwie aplikacji, a jej transport może korzystać z Protokołu Internetowego (IP). W sieci operacyjnej Matter wykorzystuje Wi-Fi, Thread albo Ethernet, zależnie od możliwości urządzenia.

Urządzenie Matter komunikuje się w lokalnej sieci IP przez transport obsługiwany przez dany produkt. Węzeł Thread korzysta z IPv6, a Thread Border Router przekazuje ruch między Thread i siecią Wi-Fi lub Ethernet. Urządzenia Zigbee i Z-Wave mogą uczestniczyć przez Matter Bridge, który odwzorowuje ich funkcje w modelu Matter. W przypadku natywnego urządzenia Matter polecenie z telefonu do żarówki jest ruchem IP w sieci lokalnej. Mostek jest potrzebny wtedy, gdy starsze urządzenie nie obsługuje Matter i wymaga tłumaczenia między swoim modelem a klastrami Matter.

Matter standaryzuje typy urządzeń, klastry, atrybuty i polecenia. Polecenie włączenia światła ma określony format w ramach odpowiedniego klastra, a zgodność zależy od certyfikowanych możliwości urządzenia i kontrolera. Philips Hue, Nanoleaf oraz inne marki mogą korzystać z tego modelu, gdy implementują wymagany typ urządzenia. Kontroler musi jednak obsługiwać odpowiedni endpoint i klaster, a certyfikacja nie oznacza, że każda aplikacja udostępni każdą opcjonalną funkcję.

Transporty i commissioning Matter

Matter rozdziela transport operacyjny od procedury commissioning. Wi-Fi, Thread i Ethernet przenoszą ruch IP, a BLE służy do odkrywania i przekazywania danych konfiguracyjnych w obsługiwanych profilach.

1. Wi-Fi dla urządzeń o większej przepływności

   Matter wykorzystuje Wi-Fi dla urządzeń zasilanych z sieci, które wymagają większej przepływności. Wi-Fi jest obecne w większości domowych sieci, dlatego pasuje do produktów, które nie muszą oszczędzać energii kosztem przepływności. Ten transport pasuje do:

   • Inteligentnych kamer bezpieczeństwa i wideodomofonów, które strumieniują wideo w wysokiej rozdzielczości.
   • Inteligentnych telewizorów i odtwarzaczy multimedialnych.
   • Hubów i kontrolerów inteligentnego domu, które potrzebują stałego, szybkiego połączenia z internetem.

   Dla tych urządzeń protokół aplikacyjny Matter działa bezpośrednio nad połączeniem Wi-Fi.

2. Thread dla urządzeń o małym poborze mocy

   Thread służy urządzeniom, które pracują długo na baterii i wymieniają małe porcje danych. Dla czujnika drzwi albo prostego termostatu stałe połączenie Wi-Fi mogłoby zwiększać pobór energii bez korzyści dla aplikacji. Thread to kolejny otwarty protokół oparty na IP, zaprojektowany specjalnie dla IoT. Jego kluczowe cechy to:

   • Sieć mesh: Zasilane sieciowo urządzenia routerowe przekazują ruch między węzłami, a urządzenia sleepy end device mogą oszczędzać energię i budzić się na żądanie. Jeżeli jedna ścieżka przestanie działać, routing może wykorzystać inne routery, o ile topologia i zasilanie zapewniają taką drogę.
   • Niska moc: Czujniki drzwi i termostaty mogą pracować na bateriach przez długi czas, a w określonych profilach nawet przez lata, gdy ich cykl wybudzeń, ruch i konfiguracja na to pozwalają.
   • Opóźnienia: Krótkie ścieżki w sieci mesh wspierają reakcję urządzeń takich jak włączniki światła, lecz wynik zależy od topologii i obciążenia.

   Thread korzysta z IPv6. Router Graniczny Thread zapewnia komunikację między podsiecią Thread a siecią Wi-Fi lub Ethernet i może być osobnym urządzeniem względem Matter Controllera.

3. Bluetooth Low Energy w procedurze commissioning

   BLE służy w wielu wdrożeniach do odkrycia urządzenia i przekazania danych konfiguracyjnych. Telefon tworzy w tym celu tymczasowy kanał, przez który urządzenie może otrzymać poświadczenia bez przenoszenia ruchu operacyjnego na Bluetooth. Wi-Fi, Thread lub Ethernet pozostają transportem operacyjnym. Matter 1.4.2 dopuścił commissioning urządzeń Wi-Fi bez radia BLE, a Matter 1.6 dodał pełną procedurę commissioning przez NFC.

   Kiedy przynosisz do domu nowe urządzenie Matter, proces jest prosty:

   • Skanujesz smartfonem kod QR na urządzeniu.
   • Twój telefon używa Bluetooth LE, gdy urządzenie obsługuje ten sposób odkrywania i konfiguracji.
   • Poprzez ten link Bluetooth LE, Twój telefon bezpiecznie przekazuje dane uwierzytelniające do Twojej sieci Wi-Fi lub Thread do nowego urządzenia.
   • Urządzenie używa danych, aby połączyć się z obsługiwaną siecią IP. Dalsza komunikacja wykorzystuje Wi-Fi, Thread albo Ethernet zgodnie z jego certyfikacją, a rola BLE w tym scenariuszu się kończy. Jeżeli produkt jest już osiągalny przez IP, odkrywanie i przekazywanie konfiguracji mogą korzystać z mechanizmów IP właściwych dla danego profilu.

Elementy sieci Matter

Sieć Matter obejmuje certyfikowane urządzenia końcowe, kontrolery, transport IP i, w przypadku Thread, routery graniczne. W typowym domu współpracują więc punkty końcowe, aplikacja lub hub pełniący funkcję kontrolera oraz infrastruktura, która zapewnia lokalne adresowanie i odkrywanie usług.

• Urządzenia Matter (węzły lub punkty końcowe): Są to produkty takie jak inteligentne żarówki, termostaty, czujniki, rolety i zamki, certyfikowane dla określonych typów urządzeń i transportów. Mogą korzystać z Wi-Fi, Thread albo Ethernetu zależnie od implementacji. Ten sam model danych opisuje funkcję urządzenia, lecz nie usuwa różnic zasilania, przepływności i dostępnych opcji sprzętowych.
• Kontrolery Matter i administratorzy: Commissioner wykonuje commissioning i przypisuje poświadczenia. Administrator zarządza bezpieczeństwem i uprawnieniami w swojej sieci Matter (fabric), a kontroler steruje urządzeniami i komunikuje się z punktami końcowymi. Matter obsługuje funkcję Multi-Admin, więc dostęp może otrzymać więcej niż jedna platforma. Kontrolerem może być:
  • Aplikacja na smartfonie (np. Apple Dom, Google Home, Amazon Alexa, Samsung SmartThings).
  • Inteligentny głośnik lub ekran (np. Apple HomePod Mini, Google Nest Hub lub Amazon Echo).
  • Dedykowany hub inteligentnego domu od firm trzecich.

  Multi-Admin pozwala udostępnić ten sam zestaw urządzeń iPhone'owi z Apple Home oraz telefonowi z Androidem z Google Home, gdy obie platformy obsługują wymagane funkcje i poświadczenia. Nie oznacza to automatycznego ujednolicenia interfejsu, automatyzacji ani nazewnictwa w aplikacjach.

• Router Graniczny Thread: Ten element łączy podsieć Thread z innymi sieciami IP, gdy dom zawiera urządzenia Thread. Router Graniczny Thread przekazuje ruch IPv6 i usługi odkrywania między Thread oraz Wi-Fi lub Ethernetem. Telefon w Wi-Fi może wtedy wysłać polecenie do zamka w Thread przez wspólną infrastrukturę IP. Router graniczny może być wbudowany w hub lub inteligentny głośnik, taki jak Apple HomePod Mini, produkt Google Nest albo urządzenie Amazon Echo. Jego funkcja sieciowa pozostaje odrębna od roli Matter Controllera. Ten element nie musi być administratorem Matter, ponieważ jego podstawowym zadaniem jest zapewnienie łączności IPv6 i odkrywania usług pomiędzy segmentami sieci.

Zakres korzyści standardu Matter

Matter porządkuje model danych i procedury dostępu między certyfikowanymi urządzeniami, platformami oraz transportami IP. Korzyść dotyczy zarówno użytkownika, który może łączyć produkty różnych marek, jak i producenta, który opisuje funkcje według wspólnych typów oraz procedur certyfikacyjnych.

• Interoperacyjność: Logo Matter oznacza certyfikację określonych typów urządzeń, transportów i funkcji. Urządzenia certyfikowanych marek mogą współpracować z kontrolerem, który obsługuje te same klastry i procedury, na przykład w Apple Home, Google Home lub Amazon Alexa. Nie jest to obietnica pełnej zgodności każdej opcjonalnej funkcji, ponieważ aplikacja i produkt muszą mieć wspólny zakres obsługi.
• Prostsze commissioning: Kody QR i cyfrowe kody konfiguracji wspierają wspólny proces dodawania urządzeń. BLE, Wi-Fi-only commissioning lub NFC są dostępne zależnie od wersji Matter i możliwości produktu, więc urządzenie może wymagać konkretnej ścieżki przewidzianej przez jego certyfikację.
• Bezpieczeństwo: Matter definiuje uwierzytelnianie urządzeń oraz szyfrowane sesje aplikacyjne. Poziom ochrony zależy także od certyfikowanego produktu, kontrolera, konfiguracji sieci i aktualizacji.
• Kontrola lokalna: Urządzenia mogą wymieniać dane w lokalnej sieci IP bez kierowania każdej komendy do chmury. Automatyzacja, na przykład włączenie światła przez czujnik ruchu, może działać po utracie internetu, jeśli lokalny kontroler, mosty i wymagane urządzenia nadal pracują. Funkcje zdalne i zależne od chmury wymagają połączenia z internetem.
• Rozwój standardu: CSA rozszerza Matter o nowe typy urządzeń i funkcje. Każde urządzenie deklaruje obsługiwane wersje, endpointy i klastry, dlatego nowe możliwości wymagają wsparcia po stronie produktu i kontrolera. Otwartość standardu ułatwia rozwój, lecz aktualizacja specyfikacji nie dodaje automatycznie funkcji do już certyfikowanego sprzętu.