用基于IP的通用協(xié)議實現(xiàn)智能家居物聯(lián)網(wǎng)通信大一統(tǒng)

Matter 1.0規(guī)范是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）連接領(lǐng)域數(shù)百個關(guān)鍵利益相關(guān)者之間大規(guī)模行業(yè)協(xié)作的成果。連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（CSA）最近發(fā)布了這項旨在開啟物聯(lián)網(wǎng)連接新時代的標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證計劃，這會影響從硅到銷售點(diǎn)的整個垂直智能家居物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。Matter 1.0的目的是提供一個基于IP的單一協(xié)議，能夠統(tǒng)一全球智能家居物聯(lián)網(wǎng)連接。

本文討論了Matter 1.0的基本架構(gòu)、安全性、傳輸與交互模型及其對智能家居未來的意義。本文末尾一節(jié)專門向讀者介紹了開發(fā)基于Wi-Fi的Matter 1.0的理想開發(fā)選項，涵蓋從快速原型設(shè)計到完整的開發(fā)用例。

Matter 1.0的主要規(guī)范

就本質(zhì)而言，Matter 1.0規(guī)范是一個互操作性應(yīng)用層解決方案，旨在使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）在智能家居設(shè)備之間提供連接。其中包括應(yīng)用層和傳輸層棧。該規(guī)范旨在成為一個完整的標(biāo)準(zhǔn)，但本文還指出了對該規(guī)范意義重大的其他參考文獻(xiàn)。需要重點(diǎn)指出的是，Matter R1.0規(guī)范優(yōu)先于github.com上的Matter SDK。

架構(gòu)

Matter基于IPv6，被設(shè)計為專用于智能家居設(shè)備的通信協(xié)議，并由應(yīng)用層和聯(lián)網(wǎng)層組成（圖1）。其中聯(lián)網(wǎng)層由傳輸層（TCP和UDP）、網(wǎng)絡(luò)層（IPv6）和鏈路/媒體層（以太網(wǎng)、Wi-Fi、Thread和IEEE 802.15.4）組成。通過這種方法，可以有效地劃分職責(zé)，其目的是在協(xié)議棧層之間提供足夠的封裝級別。

圖1：Matter R1.0應(yīng)用層和聯(lián)網(wǎng)層

（圖源：連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟）

該規(guī)范的設(shè)計考量基于大多數(shù)交互將遵循表1所示的棧進(jìn)程。

層	描述
應(yīng)用	設(shè)備的高階業(yè)務(wù)邏輯
數(shù)據(jù)模型	為應(yīng)用功能提供支持的數(shù)據(jù)和動作元素
交互模型	客戶端與服務(wù)器設(shè)備之間的交互
行動框架	為網(wǎng)絡(luò)傳輸編碼序列化為規(guī)定的壓縮二進(jìn)制格式
安全性	編碼動作幀加密，并附加消息身份驗證碼
消息框架 + 路由	使用可指定消息的屬性和邏輯路由信息的必需和可選報頭字段構(gòu)造有效負(fù)載格式
IP框架 + 傳輸管理	數(shù)據(jù)的IP管理

表1：分層架構(gòu)描述

（來源：連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟和貿(mào)澤電子）

由于Matter 1.0基于IPv6，幾乎任何承載IPv6的網(wǎng)絡(luò)只要支持幾個核心IPv6標(biāo)準(zhǔn)，就能夠與該規(guī)范兼容。然而，這個最初的標(biāo)準(zhǔn)版本側(cè)重于幫助以太網(wǎng)、Wi-Fi和Thread鏈路層。因此，在此階段，該規(guī)范僅限于這三個鏈路層。

Matter 1.0規(guī)范允許在全球可路由的IPv6基礎(chǔ)設(shè)施之外運(yùn)行，因此，非聯(lián)網(wǎng)或有防火墻的內(nèi)網(wǎng)也可支持Matter網(wǎng)絡(luò)。這對于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商（ISP）無法通過提供消費(fèi)者場所設(shè)備來充分支持IPv6的情況很重要。此外，由于Matter 1.0規(guī)范將網(wǎng)絡(luò)視為共享資源，因此多個Matter網(wǎng)絡(luò)可以出現(xiàn)在同一IP網(wǎng)絡(luò)上。

該協(xié)議可支持跨一個或多個子網(wǎng)的本地通信，如多個IPv6子網(wǎng)，包括以太網(wǎng)/Wi-Fi子網(wǎng)等各種規(guī)范網(wǎng)絡(luò)，以及Thread等低功耗和有損網(wǎng)絡(luò)（LLN）子網(wǎng)。Matter能夠以單一網(wǎng)絡(luò)（如單一Wi-Fi或Thread網(wǎng)絡(luò)）或星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆绞焦ぷ鳎ㄟ^中央樞紐網(wǎng)絡(luò)（如家庭以太網(wǎng)/Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)）橋接多個外圍網(wǎng)絡(luò)。為了使通信跨越網(wǎng)絡(luò)邊界，還需要使用邊界路由器。

安全與加密

Matter協(xié)議支持沒有共同信任根的多個管理員（多管理員）。Matter還引入了名為Fabric的概念，這是共享一個信任根的Matter設(shè)備集合。因此，多管理員操作由多個Fabric處理，并且是命名作用域的核心部分。數(shù)據(jù)模型通過導(dǎo)入、安全通信，及其Fabric范圍數(shù)據(jù)部分來支持多Fabric功能。

作為多個Fabric的成員，一個Matter設(shè)備完全可能擁有多個節(jié)點(diǎn)ID，因為Matter依賴于可操作的信任根，或由公鑰（根PK）標(biāo)識的根證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)（CA），該公鑰用于分配正確的Fabric范圍標(biāo)識符。

Matter使用管理域管理器來包含與調(diào)試器及其根CA，以及其他數(shù)據(jù)存儲的協(xié)作。CA的私鑰是受保護(hù)、不可猜測、不可獲取的，因而公鑰是全局唯一的。根CA使用唯一的64位標(biāo)識符。此外，保留的原始Fabric ID允許初始調(diào)試會話使用一組初始訪問控制特權(quán)；這意味著在初次調(diào)試之前，Matter設(shè)備沒有預(yù)先分配的操作信任根或操作ID。

Matter公鑰加密和數(shù)字簽名采用基于NIST P-256曲線（Secp256r1）的橢圓曲線加密法來確保安全。共享密鑰加密操作使用既定的AES模式進(jìn)行保護(hù)，SPAKE2+用于帶外、基于密碼的身份驗證。此外，所有單播的節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)（N2N）消息都有重放保護(hù)，并且經(jīng)過身份驗證，從而確保安全。

Matter使用了各種加密協(xié)議構(gòu)建塊、算法和原語。對稱分組密碼也在該協(xié)議中提供消息安全性。為了保護(hù)節(jié)點(diǎn)之間的所有需要機(jī)密性保護(hù)和原始身份驗證完整性的單播和多播消息，必須使用帶關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的認(rèn)證加密（AEAD）作為原語。

此外，該協(xié)議使用證書認(rèn)證會話建立（CASE）或密碼認(rèn)證連接建立（PASE）來確保安全的會話建立，這使得安全通道和消息層（圖2）能夠在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行安全通信。安全通道協(xié)議定義了安全通道功能的控制計劃。設(shè)備認(rèn)證功能還與Matter一起使用，用于在共享任何敏感信息（即憑據(jù)或密鑰）之前在實體之間建立信任。設(shè)備認(rèn)證證書和認(rèn)證聲明功能是Matter設(shè)備認(rèn)證機(jī)制的組成部分。

圖2：消息層棧

（圖源：連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟）

數(shù)據(jù)模型

Matter數(shù)據(jù)模型規(guī)范源自Dotdot構(gòu)架模型和Zigbee集群庫（ZCL）規(guī)范第2章，其設(shè)計與底層編碼、消息、網(wǎng)絡(luò)、傳輸以及其他層無關(guān)。Matter的數(shù)據(jù)模型在不違背ZCL設(shè)定的可認(rèn)證集群規(guī)范的前提下，旨在擴(kuò)展并更完整地定義數(shù)據(jù)模型架構(gòu)。數(shù)據(jù)模型在通信棧的應(yīng)用層中實現(xiàn)，主要定義數(shù)據(jù)模型的一階元素和名稱空間。因此，它被表示為數(shù)據(jù)模型的元模型。

Matter規(guī)范的“數(shù)據(jù)模型”部分將Fabric定義為一組節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過訪問交互模型定義的數(shù)據(jù)模型元素進(jìn)行交互。這一部分規(guī)范還規(guī)定，“節(jié)點(diǎn)封裝了網(wǎng)絡(luò)上可尋址的唯一資源，該資源具有一組用戶可清楚地視其為一個功能整體的功能和能力?！彼M(jìn)一步解釋了節(jié)點(diǎn)通常指一個物理設(shè)備，或者一個物理設(shè)備的邏輯實例。端點(diǎn)也被定義為實例，可以是服務(wù)或虛擬設(shè)備，通過設(shè)備類型來表示。數(shù)據(jù)模型中的其他定義包括集群、命令、屬性、全局元素、事件、設(shè)備類型、非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)字段、數(shù)據(jù)類型和制造商特定擴(kuò)展。

交互模型

與數(shù)據(jù)模型一樣，Matter交互模型獨(dú)立維護(hù)，與較低層無關(guān)/無關(guān)聯(lián)，并定義了節(jié)點(diǎn)之間的交互、事務(wù)和動作。另一個與數(shù)據(jù)模型相同之處是交互模型的根也來自于ZCL第2章關(guān)于ZCL命令和交互的部分。Matter 1.0填補(bǔ)了ZCL中的以下空白:

多元素消息支持

同步報告

減少消息類型（指令和動作）

所有消息支持復(fù)雜數(shù)據(jù)類型

事件

攔截攻擊

交互模型旨在與當(dāng)前的ZCL集群規(guī)范保持一致，并持續(xù)支持集群的發(fā)展。具體來說，交互模型定義了一個抽象層，該抽象層對其他層（即安全性、傳輸、消息格式和編碼）的交互進(jìn)行抽象化。

本節(jié)將動作描述為“從源節(jié)點(diǎn)到一個或多個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的單邏輯通信。一個動作由一個或多個消息傳遞?！笔聞?wù)被定義為一系列動作，而交互則是一系列事務(wù)。交互可以在訪問Fabric的上下文中進(jìn)行，也可以不在其中進(jìn)行。發(fā)起者和目標(biāo)器之間的交互可以是節(jié)點(diǎn)或組。交互類型共有四種：讀取、訂閱、寫入和調(diào)用（表2）。

交互	事務(wù)	描述
讀取交互	讀取	此交互是對集群屬性和/或事件數(shù)據(jù)的請求。
訂閱交互	訂閱、報告	此交互對集群屬性和/或事件數(shù)據(jù)進(jìn)行訂閱。
寫入交互	寫入	此交互對集群屬性進(jìn)行修改。
調(diào)用交互	調(diào)用	此交互對集群命令進(jìn)行調(diào)用。

表2：四種交互類型

（來源：連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟）

事務(wù)可以是整個交互的一部分。事務(wù)中的動作是由單個節(jié)點(diǎn)發(fā)起的第一個動作，或者其目標(biāo)為單個節(jié)點(diǎn)或一組節(jié)點(diǎn)（單播或組播）。一個動作可使用一條或多條Matter消息傳遞。

系統(tǒng)模型

Matter系統(tǒng)模型規(guī)范將系統(tǒng)定義為“受到本地或外部刺激自動化數(shù)據(jù)流和控制的一組節(jié)點(diǎn)和持久關(guān)系”。此外，該系統(tǒng)模型為Fabric中的非Matter物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供了一個橋接，使用戶的傳統(tǒng)非Matter設(shè)備能夠與Matter設(shè)備一起工作（圖3）。

開發(fā)Matter 1.0兼容硬件

與開發(fā)Matter 1.0相關(guān)的目標(biāo)有很多，包括使用預(yù)制套件進(jìn)行快速原型設(shè)計、構(gòu)建具有獨(dú)特功能的概念驗證，或者使用接近最終生產(chǎn)模型的完整射頻系統(tǒng)進(jìn)行全面開發(fā)。開發(fā)Matter設(shè)備時，需謹(jǐn)記Matter 1.0基于無線IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（即Thread或Wi-Fi）之上。

因此，開發(fā)人員需要選擇適合既定項目的協(xié)議。如果開發(fā)目標(biāo)是建立復(fù)雜而高效的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，并且強(qiáng)調(diào)可靠的無線連接，那么Thread是一個不錯的選擇。如果開發(fā)目標(biāo)是建立既強(qiáng)調(diào)低功耗又強(qiáng)調(diào)連接質(zhì)量的無線網(wǎng)絡(luò)，那么Wi-Fi可能是很不錯的選擇。

大多數(shù)家庭已有用于家庭互聯(lián)網(wǎng)的Wi-Fi路由器，因此我們將討論一些非常適合基于Wi-Fi進(jìn)行Matter 1.0開發(fā)的套件、平臺和無線模塊。家中配備兼容Wi-Fi的路由器，也就意味著配備了Matter-over-Wi-Fi控制器，有助于Matter-over-Wi-Fi終端產(chǎn)品得到采用。對于Matter-over-Thread應(yīng)用，則需要Matter邊界路由器（能夠翻譯Matter-over-Thread消息的特定Matter集線器）。

開發(fā)基于Wi-Fi的Matter 1.0

為節(jié)省大量的開發(fā)時間，并通過迭代部署選項實現(xiàn)快速循環(huán)，請選擇可輕松配對各種Wi-Fi認(rèn)證模塊的開發(fā)套件。選擇口碑良好的原始設(shè)備制造商和供應(yīng)商的開發(fā)套件和Wi-Fi模塊，有助于盡可能減少額外的開發(fā)時間，因為這些類型的原始設(shè)備制造商和供應(yīng)商往往擁有良好的關(guān)系和豐富的支持材料，可以幫助開發(fā)人員更快、更有效地克服各種障礙。

英飛凌CY8CEVAL-062S2 PSoC 62S2評估套件（圖4）就是這樣的一款套件，它采用了英飛凌PSoC 62微控制器(MCU)。PSoC 62具有150MHz Arm Cortex-M4內(nèi)核、100MHz Arm Cortex-M0+內(nèi)核、1MB閃存、288KB SRAM、硬件加密加速器以及各種模擬和數(shù)字外設(shè)（圖5）。該評估套件支持M.2接口連接器，可用于連接日益流行的M.2無線電模塊，以及英飛凌OPTIGA Trust M安全控制器和mikroBUS接口。

圖3：英飛凌科技PSoC 6微控制器系列框圖

（圖源：貿(mào)澤電子）

該評估套件是英飛凌物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的一部分，該生態(tài)系統(tǒng)包括多家關(guān)鍵硬件模塊合作伙伴，使生態(tài)系統(tǒng)能夠提供高性能和高度可互操作的數(shù)字和射頻硬件。

該生態(tài)系統(tǒng)的模塊合作伙伴包括Laird Connectivity、Murata和Lantronix，它們提供一系列Wi-Fi、藍(lán)牙和Wi-Fi/藍(lán)牙組合模塊，這些模塊與英飛凌MCU解決方案和評估套件無縫集成，非常適合基于Wi-Fi進(jìn)行Matter 1.0開發(fā)。

CY8CEVAL-062S2 PSoC 62S2評估套件預(yù)裝了Laird Connectivity Sterling-LWB5+無線模塊，并配備Laird Connectivity FlexPIFA天線。LWB5+模塊基于英飛凌AIROC CYW4373E芯片組，支持Wi-Fi 5和藍(lán)牙5.0通信，專為滿足醫(yī)療和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計。該無線模塊的一個主要優(yōu)勢在于它建立在無線IP平臺上，從而實現(xiàn)出色的互操作性。

另一款支持低功耗藍(lán)牙和Wi-Fi的選項為Murata Type 1LV模塊，該模塊支持低功耗藍(lán)牙5.0規(guī)范和Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac（即：僅20MHz通道），PHY數(shù)據(jù)速率可達(dá)72.2Mbps。

該模塊與2.4GHz和5GHz Wi-Fi兼容，并采用英飛凌CYW43012芯片組（圖6）。該模塊的Wi-Fi部分使用AP和STA雙模網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行通信。WLAN支持SDIO v2.0 SDR25接口，而藍(lán)牙部分則支持高速四線UART接口。Type 1LV模塊的另一個替代品是Murata Type 1YN模塊，該模塊基于英飛凌CYW43439組合芯片組。

圖4：英飛凌AIROC CYW43012雙頻Wi-Fi 4和藍(lán)牙5.2組合器件框圖（圖源：英飛凌）

英飛凌的Matter over Wi-Fi解決方案通過了Matter預(yù)認(rèn)證流程，并在前文所列硬件平臺上開發(fā)，這些解決方案都納入到了ModusToolbox中。

ModusToolbox是英飛凌的現(xiàn)代可擴(kuò)展開發(fā)環(huán)境，支持英飛凌PSoC微控制器器件和AIROC藍(lán)牙/Wi-Fi組合器件。想要節(jié)省大量開發(fā)時間，并通過迭代部署選項實現(xiàn)快速循環(huán)，請訪問英飛凌官網(wǎng)獲取培訓(xùn)材料，以啟動您的第一個Matter over Wi-Fi產(chǎn)品開發(fā)。

結(jié)語

本文重點(diǎn)介紹了近期發(fā)布的Matter 1.0規(guī)范中的部分詳細(xì)內(nèi)容。在不久的將來，兼容Matter 1.0的制造商設(shè)備將獲得新的增強(qiáng)型互操作性。隨著整個行業(yè)對Matter 1.0規(guī)范的認(rèn)可和支持，未來的各種智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都將兼容Matter 1.0并且/或者獲得認(rèn)證。規(guī)范中還包括允許非Matter設(shè)備通過橋接的方式，在Matter Fabric上與Matter設(shè)備一同工作的規(guī)定。這意味著用戶無需更換與Matter不兼容的現(xiàn)有智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，就可以享受到新的互操作性、安全性和易用性。