探索Matter智能家居互联协议：了解最新智能家居技术趋势
发布时间：2022-10-18 14:10:02
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
在当今日益增长的智能家居市场中，各类智能设备层出不穷，智能家居的重要性也逐渐增加。然而，由于市场碎片化的趋势，完整的智能家居系统的渗透率相对较低。许多物联网厂商都拥有自己独立的生态系统，不同生态系统中的智能设备很难协同工作。这不仅限制了消费者的选择，影响了他们的使用体验，还为设备厂商和开发者增加了支持和维护不同生态系统（如Amazon Alexa、Google Assistant、Apple HomeKit）的成本。
为了改变这一现状，推动市场健康、良性发展，CSA连接标准联盟（Connectivity Standards Alliance）联合多家行业领先公司共同发起并推出了Matter智能家居互联协议。该协议旨在提高不同厂商智能家居产品之间的兼容性和互操作性，解决通信协议碎片化的问题，打破多个生态系统之间的交互壁垒，实现智能设备的无缝通信和协作。
Matter协议的优势
消除生态壁垒：在用户适应了一个成熟的智能家居生态系统后，他们希望新增设备能够直接加入现有系统，而不是重新构建一个新的生态系统。通过Matter协议，所有支持Matter的App和硬件设备可以轻松无缝互联和协同工作。亚马逊、苹果、谷歌和三星等公司已经宣布支持Matter，这意味着常见的智能设备控制终端（如iOS/安卓手机、语音助手、智能音箱等）都将支持Matter协议。用户甚至无需单独的Matter设备App即可直接控制Matter设备。
实现更高自动化：Matter允许设备之间直接进行高效通信，无需特定的转发设备。例如，Matter智能开关或传感器可以直接控制Matter灯泡的开关，无需使用任何App、云服务或其他特殊操作。一旦配置完成，Matter设备之间的通信和控制将直接在本地局域网中实现。
消除通信壁垒：Matter协议使得多种支持IP网络的设备能够协同工作，包括Wi-Fi和Thread/802.15.4设备。通过Matter协议，您的手机可以控制所有这些设备。举个例子，您可以设置一个802.15.4传感器来直接打开/关闭一个Wi-Fi灯泡，而无需使用App或云服务。同时，Wi-Fi和Thread设备之间的通信需要一个能够同时支持Wi-Fi和802.15.4协议的“Thread边界路由器”，它可以让设备在这两个网络之间进行通信。
值得一提的是，由于所有通信都在本地Wi-Fi或Thread网络中进行，即使处于断网状态，Matter设备仍然可以正常工作。
此外，Matter还可以帮助现有的Zigbee或Bluetooth LE Mesh设备通过桥接方式接入Matter生态网络。
易于开发
在Matter的支持下，设备厂商不再需要同时维护多个生态系统或通过多种认证，从而大大节省了时间和人力成本。Matter是一套开放的规范，由多家公司合作推出，极大加速了设备的评估和开发流程。
协议开放
Matter是一个开放的协议，它为设备厂商提供了一个共同的标准，使得设备之间的兼容性更强。这意味着厂商可以更容易地开发符合Matter规范的产品，并与其他厂商的设备无缝协同工作。
设备自动化
Matter的协议设计使设备间的自动化变得更加便利。例如，只需要一个Matter传感器和一个Matter灯泡，您就能构建一个简单的智能家居系统，而且该系统对传感器或灯泡的厂商没有任何限制。这意味着用户可以选择他们喜欢的品牌来搭建智能家居系统。
自定义功能
Matter规范支持的设备类型、属性和命令越来越丰富，而且还支持自定义属性。用户可以根据自己的需求自定义功能并基于Matter实现丰富的智能家居体验。
Matter数据模型
Matter的数据模型包括节点（Node）和端点（Endpoint）。节点通常被定义为一个具有某些功能的网络可寻址实体，比如照明系统。而端点可以被想象为一个可提供某种或某些服务的虚拟设备，每个节点可以拥有多个端点。例如，照明系统节点可以拥有多个端点，分别控制不同的灯光。
在Matter协议中，端点是控制节点的最小单位，它们包含了Cluster、Attribute和Command属性。Cluster是对常用操作的组合，可以分为服务器和客户端，例如灯和开关。Attribute表示可以读取或写入的内容，例如开关状态。而Command代表触发Cluster进行某种行为的命令，例如打开或关闭。
Matter 规范为 Endpoint 中的属性提供了一系列标准，让用户可以从列表中找到适合自己设备的配置。
Endpoint 0
每个节点的第一个端点 Endpoint 0 用于提供一些适用于整个节点的服务，因此需要保留。Endpoint 0 的设备类型为“根节点”。作为一个特殊的 Endpoint，它提供了一些适用于整个节点的 Cluster，包括：
Basic Information Cluster Server（基本信息 Cluster 服务器）：提供有关节点的基本信息，如固件版本、制造商等。
ACL Cluster Server（ACL Cluster 服务器）：允许配置可访问控制此节点的其他节点列表。
Network Commissioning Cluster Server（网络调试 Cluster 服务器）：允许在节点上配置网络（Wi-Fi、以太网、Thread 等）。
Matter绑定
用户可以通过 Matter 手机 App 使用 DNS 协议将来自不同厂商的不同设备绑定起来。绑定之后，开关就可以获取灯泡的详细信息，实现直接通过本地网络进行交互，无需借助云或手机 App。
Matter设备认证
Matter 设备使用公钥基础设施 PKI（Public Key Infrastructure）进行身份识别与认证。每个 Matter 节点都有自己的节点操作证书 NOC（Node Operational Certificate）。NOC 证书采用 X.509 格式标准，包含一个用于唯一识别节点的节点操作标识符（节点 ID）。
当某个 Matter 节点同时处于多个不同生态系统中时，该节点将拥有多个 NOC 证书（每个生态系统中都有对应的证书）。NOC 证书和节点 ID 只在所属的生态系统中有效。在 Matter 协议中，描述这种生态系统的术语是 Matter Fabric。
一个 Matter 节点拥有的资源（如 CPU/RAM）决定了它最多可以同时支持多少个 Fabric。每个 Matter Fabric 也有其对应的根证书（Root CA Certificate），用于验证 Fabric 中的证书和身份。这样确保了设备认证的安全性和可靠性。
Matter 规范通过提供统一的属性配置列表使得设备间的交互更加顺畅。Endpoint 0作为根节点提供了整个节点的基本信息和网络配置功能。Matter绑定和设备认证机制确保了设备之间的安全通信和可靠性，为用户提供了便利和信心来构建智能家居系统。
Matter设备配网
当新设备上电后，它会通过BLE或DNS-sd服务进行广播。控制器收到广播后，将尝试使用配对码与设备建立加密会话，这个过程被称为Matter的密码认证会话建立（Password Authenticated Session Establishment，PASE）。通常情况下，App需要通过扫描二维码获取设备的唯一配对码。
在建立PASE会话之后，控制器会验证设备的DAC证书。如果验证通过，将会签发一个新的NOC，并将其安装到设备上。此外，控制器还会告知设备需要加入的Wi-Fi或Thread网络。设备配网完成后，PASE会话将被关闭。从此以后，所有的通信都将受到证书的保护。这种新的会话也被称为Matter的证书认证会话建立（Certificate Authenticated Session Establishment，CASE）。
Matter访问控制列表（ACL）
每个Matter节点都有一个访问控制列表（ACL），它规定了在该Matter Fabric中，哪些设备可以对该Matter节点执行什么操作，比如在节点x上的Cluster y是否具有可读、可写或可调用权限。
当Matter手机App控制Matter网络中的灯泡时：
灯泡将根据ACL获得一系列定义的权限。
在执行任何操作之前，灯泡首先会验证手机App的身份，通过手机App的NOC证书和安装在灯泡上的受信根CA证书。
然后，灯泡将检查ACL，确认该手机App是否具有控制灯泡操作的权限。
Matter桥接设备
Matter桥接设备允许非Matter设备加入Matter生态系统，使用户能够无差别地控制自己的Matter和非Matter设备。
在Matter生态系统中，非Matter设备可以作为"被桥接设备"节点，通过桥接设备完成其他协议（如Zigbee）和Matter协议之间的映射，从而与系统中的Matter设备进行通信。
以下是一个Matter桥接设备的数据模型示例：
Endpoint 0中设备类型为Bridge。PartsList字段列出了桥接设备的所有端点，每个端点代表一个非Matter设备。
每个端点的描述符（Descriptor）Cluster可以提供关于特定被桥接设备的信息。
ESP-Matter
ESP-Matter是乐鑫ESP32系列SoC的官方Matter开发框架。它构建在开源Matter SDK之上，提供简化的API、常用外围设备，以及用于安全、制造和生产的工具和实用程序，并配备详尽的文档。该框架包含丰富的生产参考资料，旨在简化Matter产品的开发过程，使用户能够尽快投入生产。
通过阅读本文，大家对Matter智能家居互联协议有了更深入的了解，希望这对您有所帮助！
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