作者@@： Jean-Jacques 贸泽电子@@@@，来源@@： 贸泽电子@@@@微信公众号@@@@
Matter 1.0规范是物联网@@@@@@（IoT）连接领域数百个关键利益相关者之间大规模行业协作的@@成果@@。连接标准@@联盟@@（CSA）最近发布了这项旨在@@开启物联网@@@@连接新时代的@@标准@@和@@认证计划@@，这会影响从硅到销售点的@@整个垂直智能家居@@物联网@@@@领域@@。Matter 1.0的@@目的@@是提供一个@@基于@@@@IP的@@单一协议@@，能够统一全球智能家居@@物联网@@@@连接@@。
本文讨论了@@Matter 1.0的@@基本架构@@@@、安全性@@、传输@@与交互模型@@及其@@对智能家居@@未来的@@意义@@。本文末尾一节专门向读者介绍了开发@@基于@@@@@@Wi-Fi的@@Matter 1.0的@@理想开发@@选项@@，涵盖从快速原型设计到完整的@@开发@@用例@@。
Matter 1.0的@@主要规范@@
就本质而言@@，Matter 1.0规范是一个@@互操作性应用@@层解决方案@@，旨在@@使用互联网@@协议@@（IP）在@@智能家居@@设备@@之间提供连接@@。其中@@包括应用@@层和@@传输@@层栈@@。该规范旨在@@成为一个@@完整的@@标准@@@@，但本文还指出了对该规范意义重大的@@其他参考文献@@。需要重点指出的@@是@@，Matter R1.0规范优先于@@github.com上的@@@@Matter SDK。
架构@@
Matter基于@@IPv6，被设计为专用于智能家居@@设备@@的@@通信@@协议@@，并由应用@@层和@@联网@@层@@组成@@@@（图@@1）。其中@@联网@@层由传输@@层@@（TCP和@@UDP）、网@@络@@层@@（IPv6）和@@链路@@/媒体层@@（以太网@@@@、Wi-Fi、Thread和@@IEEE 802.15.4）组成@@。通过这种方法@@，可以有效地划分职责@@，其目的@@是在@@协议栈层之间提供足够的@@封装级别@@。
图@@1：Matter R1.0应用@@层和@@联网@@层@@（图@@源@@：连接标准@@联盟@@）
该规范的@@@@设计考量基于@@大多数交互将遵循表@@@@1所示的@@栈进程@@。
表@@1：分层架构@@描述@@（来源@@：连接标准@@联盟@@和@@贸泽电子@@@@@@）
由于@@Matter 1.0基于@@IPv6，几乎任何承载@@IPv6的@@网@@络@@只要支持@@几个核心@@IPv6标准@@，就能够与该规范兼容@@@@。然而@@，这个最初的@@标准@@版本侧重于帮助以太网@@@@@@、Wi-Fi和@@Thread链路层@@。因此@@，在@@此阶段@@，该规范仅@@限于这三个链路层@@@@。
Matter 1.0规范允许在@@全球可路由的@@@@IPv6基础设施之外运行@@，因此@@，非联网@@或@@有防火墙的@@内网@@也可支持@@@@Matter网@@络@@。这对于@@互联网@@服务提供商@@（ISP）无法通过提供消费者场所设备@@来充分支持@@@@IPv6的@@情况很重要@@。此外@@，由于@@Matter 1.0规范将网@@络@@视为共享资源@@，因此@@多个@@Matter网@@络@@可以出现在@@同一@@IP网@@络@@上@@。
该协议可支持@@跨一个@@或@@多个子网@@@@的@@本地通信@@@@，如多个@@IPv6子网@@@@，包括以太网@@@@@@/Wi-Fi子网@@@@等各种规范网@@络@@@@，以及@@Thread等低功耗和@@有损网@@络@@@@（LLN）子网@@@@。Matter能够以单一网@@络@@@@（如单一@@Wi-Fi或@@Thread网@@络@@）或@@星形网@@络@@拓扑的@@方式工作@@，通过中@@央枢纽网@@络@@@@（如家庭以太网@@@@@@/Wi-Fi网@@络@@）桥接多个外围网@@络@@@@。为了使通信@@跨越网@@络@@边界@@，还需要使用边界路由器@@@@@@。
安全与加密@@
Matter协议支持@@没有共同信任根@@的@@多个管理员@@（多管理员@@）。Matter还引入了名为@@Fabric的@@概念@@，这是共享一个@@信任根@@的@@@@Matter设备@@集合@@。因此@@，多管理员@@操作由多个@@Fabric处理@@，并且@@是命名作用域的@@核心部分@@。数据模型@@通过导入@@、安全通信@@@@，及其@@Fabric范围数据部分来支持@@多@@Fabric功能@@。
作为多个@@Fabric的@@成员@@，一个@@Matter设备@@完全可能拥有多个节点@@ID，因为@@Matter依赖于可操作的@@信任根@@@@，或@@由公钥@@（根@@PK）标识的@@根@@证书颁发机构@@（CA），该公钥用于分配正确的@@@@Fabric范围标识符@@。
Matter使用管理域管理器来包含与调试器及其@@根@@@@CA，以及@@其他数据存储的@@协作@@。CA的@@私钥是受保护@@、不可猜测@@、不可获取的@@@@，因而公钥是全局唯一的@@@@。根@@CA使用唯一的@@@@64位标识符@@。此外@@，保留的@@原始@@Fabric ID允许初始调试会话使用一组初始访问控制特权@@；这意味着在@@初次调试之前@@，Matter设备@@没有预先分配的@@操作信任根@@或@@操作@@ID。
Matter公钥加密和@@数字签名采用基于@@@@@@NIST P-256曲线@@（Secp256r1）的@@椭圆曲线@@加密法来确保安全@@。共享密钥加密操作使用既定的@@@@AES模式进行@@保护@@，SPAKE2+用于带外@@、基于@@密码的@@身份验证@@。此外@@，所有单播的@@节点到节点@@（N2N）消息@@都有重放保护@@，并且@@经过身份验证@@，从而确保安全@@。
Matter使用了各种加密协议构建块@@、算法和@@原语@@。对称分组密码也在@@该协议中@@提供消息@@安全性@@@@。为了保护节点之间的@@所有需要机密性保护和@@原始身份验证完整性的@@单播和@@多播消息@@@@，必须使用带关联数据的@@认证加密@@（AEAD）作为原语@@。
此外@@，该协议使用证书认证会话建立@@（CASE）或@@密码认证连接建立@@（PASE）来确保安全的@@会话建立@@，这使得安全通道@@和@@消息@@层@@（图@@2）能够在@@节点之间进行@@安全通信@@@@@@。安全通道@@协议定义了安全通道@@功能@@的@@控制计划@@。设备@@认证功能@@还与@@Matter一起使用@@，用于在@@共享任何敏感信息@@（即@@凭据或@@密钥@@）之前在@@实体之间建立信任@@。设备@@认证证书和@@认证声明功能@@是@@Matter设备@@认证机制的@@组成@@部分@@。
图@@2：消息@@层栈@@（图@@源@@：连接标准@@联盟@@）
数据模型@@
Matter数据模型@@规范源自@@Dotdot构架模型和@@@@Zigbee集群库@@（ZCL）规范第@@@@2章@@，其设计与底层编码@@、消息@@、网@@络@@、传输@@以及@@其他层无关@@。Matter的@@数据模型@@在@@不违背@@ZCL设定的@@可认证集群规范的@@@@前提下@@，旨在@@扩展并更完整地定义数据模型@@架构@@@@。数据模型@@在@@通信@@栈的@@应用@@层中@@实现@@，主要定义数据模型@@的@@一阶元素和@@名称空间@@@@。因此@@，它被表@@示为数据模型@@的@@元模型@@。
Matter规范的@@@@“数据模型@@”部分将@@Fabric定义为一组节点@@，这些节点通过访问交互模型@@定义的@@数据模型@@元素进行@@交互@@。这一部分规范还规定@@，“节点封装了网@@络@@上@@可寻址的@@唯一资源@@，该资源具有@@一组用户可清楚地视其为一个@@功能@@整体的@@功能@@和@@能力@@。”它进一步解释了节点通常指一个@@物理设备@@@@，或@@者一个@@物理设备@@的@@逻辑实例@@。端点也被定义为实例@@，可以是服务或@@虚拟设备@@@@，通过设备@@类型@@来表@@示@@。数据模型@@中@@的@@其他定义包括集群@@、命令@@、属性@@、全局元素@@、事件@@、设备@@类型@@、非标准@@数据字段@@、数据类型和@@制造商特定扩展@@。
交互模型@@
与数据模型@@一样@@，Matter交互模型@@独立维护@@，与较低层无关@@/无关联@@，并定义了节点之间的@@交互@@、事务和@@动作@@。另一个@@与数据模型@@相同之处是交互模型@@的@@根@@也来自于@@ZCL第@@2章@@关于@@ZCL命令@@和@@交互的@@部分@@。Matter 1.0填补了@@ZCL中@@的@@以下空白@@:
交互模型@@旨在@@与当前的@@@@ZCL集群规范保持一致@@，并持续支持@@集群的@@发展@@。具体来说@@，交互模型@@定义了一个@@抽象层@@，该抽象层对其他层@@（即@@安全性@@@@、传输@@、消息@@格式和@@编码@@）的@@交互进行@@抽象化@@。
本节将动作描述为@@“从源节点到一个@@或@@多个目标节点的@@单逻辑通信@@@@。一个@@动作由一个@@或@@多个消息@@传递@@@@。”事务被定义为一系列动作@@，而交互则是一系列事务@@。交互可以在@@访问@@Fabric的@@上下文中@@进行@@@@，也可以不在@@其中@@进行@@@@。发起者和@@目标器之间的@@交互可以是节点或@@组@@。交互类型共有四种@@：读取@@、订阅@@、写入和@@调用@@（表@@2）。
表@@2：四种交互类型@@（来源@@：连接标准@@联盟@@）
事务可以是整个交互的@@一部分@@。事务中@@的@@动作是由单个节点发起的@@第@@一个@@动作@@，或@@者其目标为单个节点或@@一组节点@@（单播或@@组播@@）。一个@@动作可使用一条或@@多条@@Matter消息@@传递@@。
系统模型@@
Matter系统模型@@规范将系统定义为@@“受到本地或@@外部刺激自动化数据流和@@控制的@@一组节点和@@持久关系@@”。此外@@，该系统模型@@为@@Fabric中@@的@@非@@Matter物联网@@@@设备@@提供了一个@@桥接@@，使用户的@@传统非@@Matter设备@@能够与@@Matter设备@@一起工作@@（图@@3）。
开发@@Matter 1.0兼容@@硬件@@
与开发@@@@Matter 1.0相关的@@目标有很多@@，包括使用预制套件进行@@快速原型设计@@、构建具有@@独特功能@@的@@概念@@验证@@，或@@者使用接近最终生产模型的@@完整射频系统进行@@全面开发@@@@。开发@@Matter设备@@时@@，需谨记@@Matter 1.0基于@@无线@@IP网@@络@@协议@@（即@@Thread或@@Wi-Fi）之上@@。
因此@@，开发@@人员需要选择适合既定项目的@@协议@@。如果开发@@目标是建立复杂而高效的@@无线网@@状网@@络@@@@，并且@@强调可靠的@@无线连接@@，那么@@Thread是一个@@不错的@@选择@@。如果开发@@目标是建立既强调低功耗又强调连接质量的@@无线网@@络@@@@，那么@@Wi-Fi可能是很不错的@@选择@@。
大多数家庭已有用于家庭互联网@@的@@@@Wi-Fi路由器@@，因此@@我们将讨论一些非常适合基于@@@@@@Wi-Fi进行@@Matter 1.0开发@@的@@套件@@、平台和@@无线模块@@@@@@。家中@@配备@@兼容@@@@Wi-Fi的@@路由器@@@@，也就意味着配备@@了@@Matter-over-Wi-Fi控制器@@，有助于@@Matter-over-Wi-Fi终端产品得到采用@@。对于@@Matter-over-Thread应用@@，则需要@@Matter边界路由器@@@@（能够翻译@@Matter-over-Thread消息@@的@@特定@@Matter集线器@@）。
开发@@基于@@@@Wi-Fi的@@Matter 1.0
为节省大量的@@开发@@时间@@，并通过迭代部署选项实现快速循环@@，请选择可轻松配对各种@@Wi-Fi认证模块@@的@@开发@@套件@@。选择口碑良好的@@原始设备@@制造商和@@供应商的@@开发@@套件和@@@@Wi-Fi模块@@，有助于@@尽可能减少额外的@@开发@@时间@@，因为@@这些类型的@@原始设备@@制造商和@@供应商往往拥有良好的@@关系和@@丰富的@@支持@@材料@@，可以帮助开发@@人员更快@@、更有效地克服各种障碍@@。
英飞凌@@CY8CEVAL-062S2 PSoC™ 62S2评估套件@@（图@@4）就是这样的@@一款套件@@，它采用了英飞凌@@@@PSoC 62微控制器@@@@ (MCU)。PSoC 62具有@@150MHz Arm® Cortex®-M4内核@@、100MHz Arm Cortex-M0+内核@@、1MB闪存@@、288KB SRAM、硬件加密加速器以及@@各种模拟和@@数字外设@@（图@@5）。该评估套件@@支持@@@@M.2接口@@连接器@@，可用于连接日益流行的@@@@M.2无线电模块@@@@，以及@@英飞凌@@@@OPTIGA™ Trust M安全控制器@@和@@@@mikroBUS接口@@。
图@@3：英飞凌@@科技@@PSoC 6微控制器@@@@系列框图@@@@（图@@源@@：贸泽电子@@@@）
该评估套件@@是英飞凌@@物联网@@@@生态系统的@@一部分@@，该生态系统包括多家关键硬件模块@@合作伙伴@@，使生态系统能够提供高性能和@@高度可互操作的@@数字和@@射频硬件@@。
该生态系统的@@模块@@合作伙伴包括@@Laird Connectivity、Murata和@@Lantronix，它们提供一系列@@Wi-Fi、蓝牙@@和@@@@Wi-Fi/蓝牙@@组合模块@@@@，这些模块@@与英飞凌@@@@MCU解决方案和@@评估套件@@无缝集成@@，非常适合基于@@@@Wi-Fi进行@@Matter 1.0开发@@。
CY8CEVAL-062S2 PSoC 62S2评估套件@@预装了@@Laird Connectivity Sterling-LWB5+无线模块@@@@，并配备@@@@Laird Connectivity FlexPIFA天线@@。LWB5+模块@@基于@@英飞凌@@@@AIROC™ CYW4373E芯片组@@，支持@@Wi-Fi 5和@@蓝牙@@@@5.0通信@@，专为满足医疗和@@工业物联网@@@@@@（IIoT）应用@@标准@@而设计@@。该无线模块@@@@的@@一个@@主要优势在@@于它建立在@@无线@@IP平台上@@，从而实现出色的@@互操作性@@。
另一款支持@@低功耗蓝牙@@和@@@@@@Wi-Fi的@@选项为@@Murata Type 1LV模块@@，该模块@@支持@@低功耗蓝牙@@@@5.0规范和@@@@Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac（即@@：仅@@20MHz通道@@），PHY数据速率可达@@72.2Mbps。
该模块@@与@@2.4GHz和@@5GHz Wi-Fi兼容@@，并采用英飞凌@@@@CYW43012芯片组@@（图@@6）。该模块@@的@@@@Wi-Fi部分使用@@AP和@@STA双模网@@络@@拓扑进行@@通信@@@@。WLAN支持@@SDIO v2.0 SDR25接口@@，而蓝牙@@部分则支持@@高速四线@@UART接口@@。Type 1LV模块@@的@@另一个@@替代品是@@Murata Type 1YN模块@@，该模块@@基于@@英飞凌@@@@@@CYW43439组合芯片组@@@@。
图@@4：英飞凌@@AIROC CYW43012双频@@Wi-Fi 4和@@蓝牙@@@@5.2组合器件@@框图@@@@（图@@源@@：英飞凌@@）
英飞凌@@的@@@@Matter over Wi-Fi解决方案通过了@@Matter预认证流程@@，并在@@前文所列硬件平台上@@开发@@@@，这些解决方案都纳入到了@@ModusToolbox™中@@。
ModusToolbox™是英飞凌@@的@@@@现代可扩展开发@@环境@@，支持@@英飞凌@@@@PSoC™微控制器@@@@器件和@@@@AIROC™蓝牙@@/Wi-Fi组合器件@@。想要节省大量开发@@时间@@，并通过迭代部署选项实现快速循环@@，请访问英飞凌@@官网@@获取培训材料@@，以启动您的@@第@@一个@@@@Matter over Wi-Fi产品开发@@@@。
结语@@
本文重点介绍了近期发布的@@@@Matter 1.0规范中@@的@@部分详细内容@@。在@@不久的@@将来@@，兼容@@Matter 1.0的@@制造商设备@@将获得新的@@增强型互操作性@@。随着整个行业对@@Matter 1.0规范的@@@@认可和@@支持@@@@，未来的@@各种智能家居@@物联网@@@@设备@@都将兼容@@@@Matter 1.0并且@@/或@@者获得认证@@。规范中@@还包括允许非@@Matter设备@@通过桥接的@@方式@@，在@@Matter Fabric上与@@Matter设备@@一同工作的@@规定@@。这意味着用户无需更换与@@Matter不兼容@@的@@现有智能家居@@物联网@@@@设备@@@@，就可以享受到新的@@互操作性@@、安全性@@和@@易用性@@。