小明带你一文快速了解Matter智能家居互联协议

QiMingZhiXian

智能家居在现代生活中的重要性与日俱增，各类智能设备层出不穷。然而，由于市场趋于碎片化，完整的智能家居系统渗透率较低。很多物联网厂商都有一套自己的生态系统，不同生态下的智能设备很难协同工作，这不仅严重制约了消费者的选择，影响其使用体验，也为设备厂商和开发者增加了支持和维护不同生态（Amazon Alexa、Google Assistant、Apple HomeKit）的成本。

为了打破行业现状，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发起并推出了Matter智能家居互联协议，旨在提高不同厂商智能家居产品间的兼容性和互操作性，解决通信协议纷繁复杂的碎片化问题，打破多生态系统间的交互壁垒，实现智能设备的无缝通信与协作。

Matter优势

没有生态壁垒

当用户已经适应一个成熟的智能家居生态时，往往希望新增设备能够直接加入现有系统，而非重新构建一套新的生态。

在 Matter 推出之前，每家设备厂商生产的智能家居设备只能通过自己的 App 控制，无法和其他生态设备互联。但通过 Matter 协议，所有支持 Matter 的 App 和硬件设备均可轻松无缝互联，协同工作。

目前，亚马逊、苹果、谷歌和三星等公司均已宣布支持 Matter。这意味着我们日常生活中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）均将支持 Matter 协议。用户甚至不需要单独的 Matter 设备 App，就可直接控制 Matter 设备。

更加自动化

Matter 允许设备间直接进行高效的通信，整个过程无需特定的转发设备。例如，Matter 智能开关或传感器可以直接打开/关闭 Matter 灯泡，而无需借助任何 App、云或其他特别操作。一旦完成配置，Matter 设备间的通信和控制都会直接在本地局域网络中实现。

没有通信壁垒

Matter 协议可以让多种支持 IP 网络的设备协同工作，如 Wi-Fi 和 Thread/802.15.4 设备。您的手机通过 Matter 协议可以控制所有上述设备。

举个例子，您可以将一个 802.15.4 传感器设置为无需通过 App 或云，就直接打开/关闭一个 Wi-Fi 灯泡。当然，它也支持您通过手机 App 进行控制。Wi-Fi 和 Thread 设备之间通信时需要一个可以同时支持 Wi-Fi 和 802.15.4 协议的“Thread 边界路由器”，它可以让设备在两个网络之间进行通信。

值得一提的是，由于上述所有通信都在本地 Wi-Fi 或 Thread 网络中进行，因此即使在断网情况下，设备仍可正常工作。

Matter 还可以帮助目前的一些存量 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。

协议开放

Matter 是一套开放规范，由多家公司合作推出，极大加速了设备的评估和开发流程。

设备自动化

设备间的自动化有助于让智能家居系统的联动更加便利。例如，您仅需一个 Matter 传感器外加一个 Matter 灯泡，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。

对于生产传感器或开关等智能家居设备配套产品的厂商而言，Matter 协议可以让您专注于设计产品的核心功能，无需担心设备之间的通信问题。客户也可以自行选择任意品牌的智能设备（比如灯泡、风扇等），尽情发挥想象力，定制自己的智能生态系统。

自定义功能

如今，Matter 规范支持的设备类型、属性、命令越来越丰富，而且还支持自定义属性。用户能够基于 Matter 实现丰富的功能。

Matter数据模型

Node（节点）：节点通常被定义为一个具有某些功能的网络可寻址实体，具有唯一性。用户可以看到的智能设备实体，比如说照明系统，就是一个节点。

Endpoint（端点）：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。比如，我们照明系统节点就拥有不止一个端点，Dimmable Light 和 On/Off Light 都是照明系统节点的端点。

Endpoint是Matter协议中控制node的最小单位，其中包含了3个属性：

Cluster：多个常用操作组合为一个可复用的模块，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On/Off表示设备的开关状态。Attribute 既可以长期有效，也可以在设备重启之后失效；读写权限也可设置为“只读”或“可读可写”。

Matter 规范中的 Attribute 支持丰富的数据类型：包括典型值、布尔值、整数（有符号/无符号）、浮点数、枚举数、字符串，甚至集合（列表或数据结构）。

Command：代表触发Cluster进行某种行为的命令，例如打开、关闭。

针对Endpoint中的属性Matter规范提供了一系列的标准，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。

如上图绑定之后开关就可以获取后灯泡的细节信息，从而实现不借助任何云或手机App，直接通过本地网络即可进行交互。

Matter设备认证

Matter 设备通过公钥基础设施 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，内含一个可用于识别某个节点的唯一标识符，即节点操作标识符（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（在每个生态系统中都有对应的证书）。NOC 证书和节点 ID 仅在所处的生态系统中有效，这里所描述的生态系统，在 Matter 协议中被称为 Matter Fabric。

一个 Matter 节点拥有的资源（即 CPU/RAM）决定了它最多可同时支持多少个 Fabric。

每个 Matter Fabric 也会有其对应的根证书 (Root CA Certificate)，用于验证 Fabric 中各节点的身份，即各节点的 NOC 证书。

Matter设备配网

新设备一旦上电，将通过 BLE 或 DNS-sd 服务进行广播。控制器接收到广播时，会尝试基于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，在 PASE 过程中，App 需要通过扫描二维码来获取设备的唯一配对码。

建立 PASE 会话后，控制器将验证设备的 DAC 证书。如果通过验证，则会签发一个新的 NOC，并将其安装至设备。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。此后，所有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, Access Control List)

每个 Matter 节点都有一个访问控制列表 (ACL, Access Control List) ，规定了在这个 Matter Fabric 中，何种设备可以在此 Matter 节点上执行何种操作，比如在节点 x 上的 Cluster y 上具有可读/可写/可调用权限。

当一个 Matter 手机 App 控制 Matter 网络中的灯泡时：

·灯泡将获得一系列由 ACL 定义的权限。

·此后，灯泡在执行任何操作之前，将首先通过手机 App 的 NOC 证书和安装在灯泡上的受信根 CA 证书，来验证手机 App 的身份。

·接着，灯泡将检查 ACL，确认此手机 App 是否具有控制灯泡操作的权限。

Matter桥接设备

Matter 桥接设备可以让非 Matter 设备加入 Matter 生态系统，允许用户无差别得控制自己的 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。

下面是一个 Matter 桥接设备的数据模型示例。

·Endpoint 0 中的设备类型为 Bridge。PartsList 字段列出桥接设备的所有端点，每个端点代表一个非 Matter 设备。

·每个端点上的 Descriptor（描述符）Cluster 可以提供有关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。它建立在开源 Matter SDK之上，并提供简化的 API、常用外围设备、用于安全、制造和生产的工具和实用程序，并附有详尽的文档。它包含丰富的生产参考，旨在简化 Matter 产品的开发过程，使用户能够在最短的时间内投入生产。

乐鑫Matter文档：

https://docs.espressif.com/projects/esp-matter/en/main/esp32/

乐鑫支持Matter的芯片

1. 支持 Wi-Fi 的 ESP32、ESP32-C 和 ESP32-S 等系列 SoC 和模组，均可用于开发 Matter Wi-Fi 终端设备。

2. 集成 IEEE 802.15.4 (Thread/Zigbee) 的 ESP32-H 系列 SoC 和模组，可用于开发 Matter Thread 终端设备。

3. 将 ESP32-H 系列 SoC 与乐鑫 Wi-Fi SoC 相组合，可搭建 Thread 边界路由器，连通 Thread 与 Wi-Fi 网络；也可搭建 Matter-Zigbee 桥接设备，连通 Matter 与非 Matter 网络。

4. 使用一颗同时支持 Wi-Fi 和 Bluetooth LE 的单芯片，即可搭建 Matter-BLE Mesh 桥接设备，实现 Matter 网络与 Bluetooth LE Mesh 设备的互联互通。

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