Co nam przyniesie Matter – nowy standard inteligentnego domu IoT ? Specyfikacja i pakiet SDK nowego protokołu Matter 1.0

Zapraszamy do mocno technicznego wpisu, ukazującego co nam przyniesie nowy standard inteligentnego domu – o nazwie Matter, który niedawno został wydany i jako pierwszy na rynku dodany do centrali ekosystemu SmartThings. Jakie nowe funkcje i możliwości sterowania będą dla nas dostępne w niedalekiej przyszłości. Jak wygląda kwestia bezpieczeństwa przesyłania informacji? W jakim kierunku będzie się standard rozwijać, jakie będą kolejne kompatybilne urządzenie, kiedy spodziewany jest Matter 2.0.

Pierwotnie artykuł ukazał się na Samsung Research pt. CSA Releases Matter 1.0 Specification and SDK for Smart Home IoT Standardization autorstwa Mark Trayer i By Jihye Lee.

Organizacja Connectivity Standards Alliance (CSA) 4 października 2022 roku wydała ostateczną wersję standardu Matter 1.0 i ogłosiła, że program certyfikacji jest już otwarty. Oficjalna premiera Matter zaplanowana jest na 3 listopada 2022 roku, ale pierwsze urządzenia Matter już mogą się pojawiać na rynku. Firmy mogą zacząć sprzedawać urządzenia Matter lub modernizować istniejące, gdy tylko uzyskają certyfikat. Pierwszym certyfikowaną centralą jest SmartThings Hub v3 oraz Aeotec SmartHome Hub.

Dlaczego Matter ma znaczenie ?

Załóżmy, że rozważasz zakup produktu Smart Home, który możesz dodać do swojego domu. Jako typowy konsument możesz się zastanawiać: „Czy to bezpieczne urządzenie, czy też naruszam w ten sposób cyfrowe (a może nawet fizyczne) bezpieczeństwo mojej rodziny?” Po zabraniu go do domu próbujesz dodać urządzenie do bieżącej sieci na podstawie, powiedzmy, SmartThings. Odpalasz aplikację SmartThings i po chwili zdajesz sobie sprawę, że to konkretne urządzenie działa tylko z platformą konkurenta. Co robić? Nie możesz po prostu przełączyć się na inną platformę, taką jak Apple HomeKit, Amazon Alexa lub Google Home. Nawet jeśli to zrobisz, wiele urządzeń również nie będzie działać z tą platformą. Kilka minut później wracasz do swojego sprzedawcy, aby zwrócić urządzenie.

Taki był do niedawna realia tworzenia inteligentnego domu, ale to się zmienia wraz z protokołem Matter.

Czy nie byłoby o wiele lepiej, gdybyś już widział na produkcie logo, które odpowiada na większość twoich pytań? To jest logo Matter. Tak rozpoznawalny jak, powiedzmy, logo Wi-Fi, ale wykracza poza to. To logo Matter gwarantuje, że produkt ma bezpieczne pochodzenie, że jest zgodny z rygorystycznymi testami i praktykami, a co za tym idzie, że będzie bezpiecznym dodatkiem do Twojego domu i będzie współpracował z dowolną platformą Smart Home, z której już korzystasz. Zabierasz to urządzenie do domu, a wkrótce potem płynnie integruje się z Twoją instalacją Smart Home, niezależnie od wybranej platformy.

W czym rzecz? Wprowadzenie i kluczowi gracze

Doświadczenie Internetu Rzeczy (Internet of Things) od dawna charakteryzuje dezorientacja konsumentów spowodowana przez wiele różnych ekosystemów i urządzeń, z których żaden nie współpracował, co skutkuje rozbiciem doświadczenia. Grupa największych firm w tej dziedzinie (m.in. Samsung Electronics, Amazon, Apple, Google i inne) uznała, że istnieje potrzeba stworzenia jednego prostego, interoperacyjnego, niezawodnego i bezpiecznego standardu, który zharmonizuje branżę, tak więc w styczniu 2020 r. Matter (dawniej Project Connected Home Over IP) narodził się jako grupa robocza w ramach Connectivity Standards Alliance (CSA, dawniej Zigbee Alliance). Więcej dowiesz się tutaj.

Od samego początku Grupa Robocza ds. Matter opracowuje kompletny, wieloaspektowy program, który został formalnie uruchomiony w październiku 2022 r. i ogłoszony podczas wydarzenia medialnego na Zgromadzeniu Wszystkich Członków CSA w listopadzie 2022 r. Program Matter obejmuje pełną specyfikację protokołu, opartą na protokole IPv6, który obsługuje wykrywanie urządzeń, udostępnianie i kontrolę na wszystkich zabezpieczonych interfejsach. Dodatkowo dostępny jest pakiet SDK o otwartym kodzie źródłowym, który obsługuje wszystkie funkcje niezbędne do certyfikacji urządzenia Matter (sterownika, osoby kontrolującej, zleceniodawcy lub ich kombinacji) oraz program certyfikacji ze zautomatyzowanym zestawem testowym.

W poniższych sekcjach podkreślono kluczowe aspekty programu Matter, który następnie zapewnia możliwości potrzebne do zapewnienia interoperacyjnego środowiska użytkownika dla IoT.

Uniwersalny standard łączności, Matter, został zaprojektowany w celu uproszczenia komunikacji inteligentnych urządzeń domowych (smart home). Dając inteligentnemu zamkowi do drzwi i żarówce możliwość bezpośredniego komunikowania się ze sobą, przez Wi-Fi lub nowszy protokół o nazwie Thread, Matter powinien sprawić, że inteligentny dom będzie szybszy i bardziej responsywny. Powinno to również ułatwić proces konfiguracji, dzięki automatycznemu wyświetlaniu kompatybilnych urządzeń na smartfonie, aby umożliwić ich podłączenie. Co więcej, dzięki wspólnej sieci, która jest lokalna w Twoim domu i nie opiera się na chmurze, Twoimi urządzeniami można będzie sterować za pomocą więcej niż jednego ekosystemu inteligentnego domu lub asystenta głosowego.

Nie jest to jednak szybkie rozwiązanie, ponieważ wersja specyfikacji Matter 1.0, jak informowaliśmy, obejmuje tylko pewne kategorie urządzeń. Jednak w momencie wprowadzenia na rynek kompatybilne urządzenia będą ograniczone do:

inteligentnych żarówek i osprzętu,
inteligentnych wtyczek i przełączników,
inteligentnych termostatów i innych elementów sterujących HVAC,
inteligentnych rolet,
inteligentnych czujników,
inteligentnych zamków,
urządzeń multimedialnych (w tym telewizorów).

Stos Matter i podstawowe komponenty

Matter (z perspektywy operacyjnej) przebiega w całości przez IPv6. Obecnie obsługiwane z punktu widzenia łączności są Wi-Fi, Thread i Ethernet. Materia dodatkowo definiuje warstwę wiadomości, która oddziela routing żądań i odpowiedzi.

Ponadto Bluetooth (BLE) jest obsługiwanym protokołem, za pośrednictwem którego urządzenia mogą być wykrywane i udostępniane, a wszystko to w oparciu o profil Bluetooth GATT (Generic Attribute).

Podstawowe elementy określone w specyfikacji Materii obejmują:

Wykrywanie
- Zdolność urządzenia do anonsowania się, aby umożliwić komisarzowi wykrycie go i połączenie z nim.
Bezpieczny kanał
- Cała komunikacja z urządzeniem odbywa się przez bezpieczny kanał operacyjny. Cała komunikacja w Matter poza początkowym odkryciem jest zabezpieczona.
Rozruch i atest urządzenia
- Stwierdzenie, że urządzenie jest oryginalnym, certyfikowanym urządzeniem Matter (atest urządzenia) oraz mechanizm, za pomocą którego to urządzenie jest następnie dodawane do sieci domowej (rozruch), który może być zgodny z określonym przepływem lub spełniać niestandardowe wymagania dla samo urządzenie.
Model danych
- Skąd mam wiedzieć, czym jest urządzenie, co jest udostępniane, co może, a czego nie może, jakie mam kontrolki i jakie zdarzenia mogę odbierać? Wszystko to jest zdefiniowane przez model danych, który zapewnia interoperacyjność między różnymi instancjami tego samego typu urządzenia od różnych dostawców.
Multi-Admin
- Możliwość jednoczesnego kontrolowania urządzenia przez różne ekosystemy (np. SmartThings i HomeKit).

Bezpieczeństwo i prywatność

Matter znacznie podnosi poprzeczkę w zakresie bezpieczeństwa i prywatności, włączając do specyfikacji i SDK następujące elementy:

Globalnie unikalna tożsamość urządzenia (certyfikat atestacji urządzenia): Podstawą bezpieczeństwa urządzenia jest kryptograficznie weryfikowalna tożsamość urządzenia ustalona podczas produkcji. Poświadczenie tego certyfikatu przeprowadzają komisarze (np. aplikacja SmartThings w telefonie) podczas procesu uruchamiania.
Tożsamość lokalna (certyfikat operacyjny): Po pomyślnej atestacji proces uruchamiania pozostawia urządzenie z materiałem kryptograficznym, aby zabezpieczyć wszystkie jego późniejsze interakcje. Cały ten materiał znajduje się w ramach operacyjnej Infrastruktury Klucza Publicznego (PKI), którą można uznać za związaną z ekosystemem zleceniodawcy (np. SmartThings). Cała późniejsza komunikacja z/do urządzenia jest zabezpieczona za pomocą tego materiału zabezpieczającego.

Poniższy rysunek przedstawia dwa typy tożsamości urządzeń i odpowiadające im identyfikatory PKI:

Proces odbioru informacji Matter [Uwaga: zmodyfikowany diagram z CSA]

Rozproszona Księga Zgodności (DCL): Kilka aspektów sprawy wymaga aktualnych informacji, których nie można sfałszować (np. korzenie produkcyjnego PKI, informacje o danym produkcie, takie jak link do repozytoriów OTA itp. .). W tym celu Matter zawiera oparty na blockchain DCL.

Bezpieczne operacje: po procesie atestacji i rozruchu urządzeń komunikacja operacyjna jest zgodna z najlepszymi praktykami bezpieczeństwa:
- Pełne szyfrowanie z wzajemnym uwierzytelnianiem, nawet dla urządzeń równorzędnych
- Bezpieczna komunikacja grupowa
- Elastyczne listy kontroli dostępu (ACL)
- Bezpieczne, standardowe aktualizacje oprogramowania sprzętowego i oprogramowania OTA
- Zdalna atestacja wersji oprogramowania urządzenia

Prace nad bezpieczeństwem będą kontynuowane w kolejnych wydaniach Matter po wersji 1.0. Ta ciągła praca będzie obejmować dalszą współpracę z zewnętrznymi badaczami ds. bezpieczeństwa i szerszą społecznością zajmującą się bezpieczeństwem, rozwój otwartego oprogramowania i specyfikacji w celu zachęcenia do analizy i doskonalenia oraz szybki proces reagowania na luki w zabezpieczeniach.

Wielu administratorów

Załóżmy, że masz gospodarstwo domowe, w którym niektórzy mieszkańcy korzystają ze SmartThings, a niektórzy wolą korzystać z HomeKit, w wyniku czego dzisiaj nie możesz kontrolować tego samego zestawu urządzeń, które znajdują się w jednym lub drugim ekosystemie. Sprawa rozwiązuje ten problem za pomocą koncepcji „multi-admin”. Krótko mówiąc, każde urządzenie może być udostępniane w wielu różnych ekosystemach w tym samym czasie, umożliwiając w ten sposób użytkownikowi dokonywanie wyboru i nie pozwalając, aby urządzenia w ich domach były sztucznie częścią różnych „ogrodów otoczonych murem”.

Każdy ekosystem ma osobny materiał zabezpieczający, a klienci z takich ekosystemów nawiązaliby własne bezpieczne połączenia z urządzeniem.

Co najważniejsze, konsument ma wybór, do którego ekosystemu zostanie dodane urządzenie, przy wsparciu specyfikacji Matter dla niezbędnych podstawowych procedur.

Przykładowy przypadek użycia

Masz więc swoje urządzenie Matter, rozpakowałeś je i dodałeś do swojego inteligentnego domu. Co teraz? Jak wygląda interakcja z urządzeniem z perspektywy użycia Matter?

Matter określa bogaty i w pełni funkcjonalny model danych, który pozwala na spójną reprezentację urządzeń i ich możliwości. Model danych Matter definiuje (za pomocą jednostek zwanych „klastrami”) zestaw atomowych elementów budulcowych (np. pomiar temperatury), z których każdy definiuje atrybuty, polecenia i zdarzenia, które są powiązane z tym elementem budulcowym. Urządzenie Matter obsługuje następnie zestaw odpowiednich dla niego klastrów, a wybrany przez Ciebie kontroler (np. SmartThings) wchodzi w interakcję z urządzeniem za pośrednictwem klastrów w celu pobierania informacji, ustawiania zachowań, powiadamiania o zdarzeniach, które się wydarzyły i tak dalej.

Załóżmy na przykład, że chcesz sprawdzić temperaturę i na tej podstawie ustawić termostat.

Wnioski i kolejne aktualizacje standardu

Matter 1.0 zapewnia podstawową interoperacyjność obsługiwanych typów urządzeń w istniejących ekosystemach IoT.

Oczekuje się, że Post Matter 1.0 zapewni ulepszenia początkowego zestawu funkcji, poprawiając komfort użytkowania (np. prostsze/łatwiejsze uruchamianie i skalowalny multi-administrator) oraz szerszą obsługę usług o wartości dodanej, takich jak zarządzanie energią, bezpieczne wideo i itd.

Samsung Research aktywnie uczestniczy w opracowywaniu specyfikacji Matter w tym ekscytującym czasie dla IoT. Wprowadzenie Matter 1.0 zapewni prawdziwie interoperacyjne wrażenia użytkownika dla „rzeczy” IoT, z możliwością dostępu do tych „rzeczy” z ich wybranych ekosystemów, w tym, co najważniejsze, kontrolerów SmartThings i urządzeń firmy Samsung.

W przyszłości spodziewaj się dalszych ulepszeń w Matter w przyszłych wydaniach w odniesieniu do:

✔ obsługiwane typy urządzeń
✔ ulepszenia w zakresie wdrażania i własności
✔ rozszerzenia o dodatkowe przypadki użycia w celu zapewnienia bardziej holistycznego doświadczenia
✔ Ciągłe ulepszenia projektowania i wdrażania Matter

Jak podaje dyrektor ds. technologii w CSA, rozpoczęły się już prace nad Matter 1.1, Matter 2.0 i pierwsze prace w kierunku dalszego rozwoju. Urządzenia takiej jak automatyczne roboty odkurzające, sprzęt AGD, ładowarki pojazdów elektrycznych i produkty związane z inteligentnym zarządzaniem energią prawdopodobnie znajdą się w Matter 1.1, mówi Chris LaPré, dyrektor ds. technologii w CSA.

Według ujawnionego harmonogramu, planowane jest wydawanie kolejnych wersji Matter co pół roku, aktualizacje częstkowe (po kropce 1.1, 1.2 itd.) najbliższa aktualizacja przewidziana jest na marzec/kwiecień 2023 roku. Co dwa lata wydawana będzie duże rozwinięcie standardu, jako kolejny pełny numer (Matter 2.0, 3.0). Docelowo planowane jest rozwinięcie standardu o nowe typy urządzeń IoT, takie jak: kamery, roboty sprzątające, sprzęt AGD i RTV, punkty dostępu, urządzenia do zarządzenia energią, czujniki zamknięcia, czujniki środowiska (stacje pogody), czujniki dymu i CO oraz wykrywacze ruchu czy obecności.

Matter 1.2 – nowe typy urządzeń już dostępne

23 października 2024 prawie rok od debiutu nowego standardu komunikacji, koncorscjum Connectivity Standards Alliance (CSA) dodało 9 nowych typów urządzeń, które producenci mogą wykorzystać w 2024 roku.

Nowe typy urządzeń obsługiwane w Matter 1.2 to:

Lodówki – poza podstawową kontrolą i monitorowaniem temperatury, ten typ urządzenia można również zastosować w innych powiązanych urządzeniach, takich jak zamrażarki, a nawet lodówki na wino i kimchi.
Klimatyzatory pokojowe – chociaż HVAC i termostaty były już częścią Matter 1.0, obsługiwane są teraz samodzielne klimatyzatory pokojowe ze sterowaniem temperaturą i trybem wentylatora.
Zmywarki – dostępne są podstawowe funkcje, takie jak zdalne uruchamianie i powiadomienia o postępie. Obsługiwane są także alarmy zmywarki, obejmujące błędy operacyjne, takie jak dopływ i odpływ wody, temperatura i błędy zamka drzwi.
Pralki – powiadomienia o postępie, np. o zakończeniu cyklu, można wysyłać za pośrednictwem Matter. Suszarki będą obsługiwane w przyszłej wersji Matter.
Odkurzacze automatyczne – poza podstawowymi funkcjami, takimi jak zdalne uruchamianie i powiadomienia o postępie, dostępna jest obsługa kluczowych funkcji, takich jak tryby sprzątania (odkurzanie na sucho lub mopowanie na mokro) i dodatkowe szczegóły statusu (stan szczotki, raportowanie błędów, stan ładowania).
Alarmy dymu i tlenku węgla – te alarmy obsługują powiadomienia oraz dźwiękową i wizualną sygnalizację alarmową. Dodatkowo dostępna jest obsługa alertów o stanie baterii i powiadomień o końcu żywotności. Alarmy te obsługują również autotest. Alarmy tlenku węgla wspomagają wykrywanie stężenia jako dodatkowy punkt danych.
Czujniki jakości powietrza – obsługiwane czujniki mogą rejestrować i raportować: PM₁, PM_2,5, PM₁₀, CO₂, NO₂, LZO, CO, ozon, radon i formaldehyd. Co więcej, dodanie klastra jakości powietrza umożliwia urządzeniom Matter dostarczanie informacji o AQI na podstawie lokalizacji urządzenia.
Oczyszczacze powietrza – Oczyszczacze wykorzystują czujnik jakości powietrza do dostarczania informacji o wykrywaniu, a także oferują funkcje innych typów urządzeń, takie jak wentylatory (wymagane) i termostaty (opcjonalnie). Oczyszczacze powietrza oferują także funkcję monitorowania zasobów eksploatacyjnych, umożliwiając powiadamianie o stanie filtrów (w wersji 1.2 obsługiwane są zarówno filtry HEPA, jak i filtry z węglem aktywnym).
Wentylatory – Matter 1.2 zawiera obsługę wentylatorów jako osobnego, certyfikowanego typu urządzenia. Wentylatory obsługują teraz ruchy takie jak skały/oscylacje oraz nowe tryby, takie jak naturalny wiatr i wiatr usypiający. Dodatkowe udoskonalenia obejmują możliwość zmiany kierunku przepływu powietrza (do przodu i do tyłu) oraz polecenia krokowe umożliwiające zmianę prędkości przepływu powietrza.

Wydanie Matter 1.2 kładzie podwaliny pod dalszy rozwój standardu Matter. Jednak wdrożenie nowych typów czujników i urządzeń na różnych platformach, takich jak Apple HomeKit i Amazon Alexa, zajmie trochę czasu. Mimo to Matter 1.2 obiecuje ekscytujący postęp, szczególnie w obszarze dużego sprzętu AGD.