自2022年Matter發(fā)布以來，產(chǎn)品制造商和消費(fèi)者對其開發(fā)、設(shè)備集成及應(yīng)用的步伐迅速加快。Matter提供標(biāo)準(zhǔn)化的通用語言，使智能設(shè)備能夠相互通信，為智能家居帶來統(tǒng)一性。

Matter規(guī)范定義了多種設(shè)備類別在Matter結(jié)構(gòu)中的不同角色和職責(zé)。然而，對于許多首次接觸Matter的用戶而言，這些新術(shù)語可能會令人困惑。本文旨在提供對這些Matter設(shè)備角色及相關(guān)術(shù)語的高層級定義。

Matter結(jié)構(gòu)

Matter結(jié)構(gòu)是一個應(yīng)用層安全域，其中的設(shè)備可以相互通信。單個Matter結(jié)構(gòu)能夠支持采用多種不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的設(shè)備，并提供基礎(chǔ)設(shè)施，使這些技術(shù)在IPv6網(wǎng)絡(luò)層互通。例如，Wi-Fi接入點可橋接不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使以太網(wǎng)連接設(shè)備與Wi-Fi連接設(shè)備能夠在IP網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行通信。

因此，在應(yīng)用層，Matter結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個安全域，使采用不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的設(shè)備能夠通過Matter應(yīng)用層語言進(jìn)行通信。

Matter結(jié)構(gòu)中的角色

下面的Matter拓?fù)鋱D展示了一個示例Matter結(jié)構(gòu)，并概述了其中可能存在的不同設(shè)備角色。這些設(shè)備角色將在后續(xù)內(nèi)容中進(jìn)行詳細(xì)說明。

Matter拓?fù)?/p>

Commissioner (配置器)

Matter配置器負(fù)責(zé)將新的Matter設(shè)備添加至結(jié)構(gòu) (Fabric)。配置器可以是智能手機(jī)上的應(yīng)用程序，也可以是其他設(shè)備 (例如智能音箱) 承擔(dān)的角色。配置器的任務(wù)是先驗證新設(shè)備的身份合法性，然后為其分配網(wǎng)絡(luò)憑證，再將其添加到Matter結(jié)構(gòu)。

Administrator (管理員)

Matter管理員設(shè)備，主要負(fù)責(zé)以下任務(wù)：

設(shè)定設(shè)備間通信規(guī)則。例如，如果某個燈開關(guān)需要控制某個燈泡，那么管理員會根據(jù)用戶的提示設(shè)置該綁定關(guān)系。

配置場景和自動化操作。

在一個Matter結(jié)構(gòu)中，可能存在多個管理員。如果結(jié)構(gòu)包含多個管理員，控制器之間的網(wǎng)絡(luò)元數(shù)據(jù)同步 (即有關(guān)哪些設(shè)備綁定在一起的信息) 不屬于當(dāng)前Matter規(guī)范的范圍。

Matter管理員無需支持多種網(wǎng)絡(luò)接口，但可以支持多個IPv6網(wǎng)絡(luò)接口，并在所有接口上收發(fā)Matter消息。例如，智能手機(jī)可以作為Matter管理員，但僅支持通過Wi-Fi進(jìn)行Matter通信。

Controller (控制器)

控制器并非Matter規(guī)范正式定義的角色，而是一個廣義術(shù)語，表示Matter結(jié)構(gòu)中的配置器、管理員以及客戶端功能的任意組合。Matter結(jié)構(gòu)中的客戶端可以與網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備通信，而控制器通常充當(dāng)通用客戶端，能夠與結(jié)構(gòu)中的所有設(shè)備進(jìn)行消息交互。

Bridge (橋接器)

Matter橋接器屬于終端設(shè)備，主要作用是在Matter結(jié)構(gòu)與非Matter域之間進(jìn)行消息轉(zhuǎn)換。橋接設(shè)備的工作方式如下：

掃描非Matter域，發(fā)現(xiàn)設(shè)備。

在Matter結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建非Matter設(shè)備的虛擬代表。

作為Matter結(jié)構(gòu)中的消息收發(fā)目標(biāo)節(jié)點，并將消息轉(zhuǎn)換至非Matter網(wǎng)絡(luò)。

完整執(zhí)行Matter消息的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為非Matter消息。

將相應(yīng)的非Matter消息轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)非Matter側(cè)的相應(yīng)設(shè)備。

從部署角度來看，橋接設(shè)備會探測非Matter域，以發(fā)現(xiàn)所有設(shè)備及其相關(guān)功能。隨后，它利用動態(tài)端點將這些設(shè)備及其功能映射至Matter結(jié)構(gòu)。對于在非Matter域發(fā)現(xiàn)的每個設(shè)備，橋接設(shè)備都會在運(yùn)行時在Matter結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建一個新端點，并通過在這個新端點上實例化所有相應(yīng)的Matter集群，創(chuàng)建所有設(shè)備功能和能力從非Matter域到Matter結(jié)構(gòu)的映射。

例如，若某個Matter橋接設(shè)備用于Matter至Zigbee的橋接，而Zigbee側(cè)有一個設(shè)備 (如燈泡) 已加入網(wǎng)絡(luò)，則該橋接器會在其Matter網(wǎng)絡(luò)接口上實例化一個新端點，然后實例化所有相應(yīng)的Matter集群，以準(zhǔn)確呈現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備的功能。

Matter橋接器完成此流程后，橋接設(shè)備將按如下方式工作：

如果Matter燈開關(guān)希望向Zigbee燈泡發(fā)送消息，則它將向橋接設(shè)備發(fā)送開/關(guān)消息。

此消息的目的地將是Matter橋接器上與Zigbee燈泡對應(yīng)的端點。

Matter橋接器將接收此消息 (發(fā)往其端點之一)，并將接收到的Matter消息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的Zigbee消息。

然后，Matter橋接器將Zigbee消息傳輸至Zigbee燈泡，以完成Matter燈開關(guān)最初請求的狀態(tài)更改。

此外，映射到Matter結(jié)構(gòu)的非Matter功能必須符合Matter規(guī)范，并具備相應(yīng)的集群定義。例如，Matter目前尚未支持電子貨架標(biāo)簽相關(guān)的集群，因此無法創(chuàng)建適用于電子貨架標(biāo)簽的Matter橋接器，以完整呈現(xiàn)該產(chǎn)品在非Matter網(wǎng)絡(luò)中的所有功能和特性。

由于內(nèi)存限制，Matter網(wǎng)橋只能公開與其端點數(shù)量相同的虛擬設(shè)備。

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Gateway (網(wǎng)關(guān))

網(wǎng)關(guān)不是Matter設(shè)備角色，而是網(wǎng)絡(luò)級設(shè)備角色。通常，網(wǎng)關(guān)用于為局域網(wǎng)提供互聯(lián)網(wǎng)訪問，并充當(dāng)DNS服務(wù)器、DHCP服務(wù)器，同時執(zhí)行其他網(wǎng)絡(luò)層功能。

網(wǎng)關(guān)可以是Matter控制器、橋接器或終端設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)關(guān)功能獨(dú)立于應(yīng)用層的Matter設(shè)備角色。

Border Router (邊界路由器)

邊界路由器是一種網(wǎng)絡(luò)級設(shè)備角色。它是Thread規(guī)范中定義的設(shè)備角色，支持Thread網(wǎng)絡(luò)接口以及其他一些IP網(wǎng)絡(luò)接口，并在這些網(wǎng)絡(luò)接口之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。

從實現(xiàn)的角度來看，在Thread網(wǎng)絡(luò)中，邊界路由器執(zhí)行以下操作：

邊界路由器將為域本地或全局范圍的IPv6網(wǎng)絡(luò)提供IPv6地址前綴。該前綴可以由邊界路由器自行生成，或通過基礎(chǔ)設(shè)施接口 (即非Thread網(wǎng)絡(luò)接口) 從網(wǎng)關(guān)上游接收。

使用單播DNS通過SRP發(fā)現(xiàn)Thread網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點可用的服務(wù)。

將這些服務(wù)緩存在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)庫中。

每當(dāng)在基礎(chǔ)設(shè)施接口上收到mDNS請求時，邊界路由器都會用面向相應(yīng)Thread終端設(shè)備的緩存服務(wù)進(jìn)行響應(yīng)。

無論何時在Thread或基礎(chǔ)設(shè)施接口上收到消息，邊界路由器都會在執(zhí)行一些基本的防火墻功能后將數(shù)據(jù)包路由到適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)節(jié)點。

Thread網(wǎng)絡(luò)可以支持多個邊界路由器，使消息能夠通過多條不同的路由到達(dá)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。

邊界路由器可以是Matter控制器、橋接器或終端設(shè)備——網(wǎng)絡(luò)層的功能獨(dú)立于應(yīng)用層的Matter設(shè)備角色。

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Matter Hub功能模塊

上述術(shù)語概述了Matter結(jié)構(gòu)中的各類角色。盡管這些角色有時會被互換使用，但實際上它們具有明確的區(qū)別。這些角色可以整合至同一設(shè)備，以管理多個網(wǎng)絡(luò)并提供多種能力。通用術(shù)語“Matter Hub”用于描述這類設(shè)備，下圖顯示了功能模塊如何融入整體實現(xiàn)。

“Matter Hub”功能模塊。

端節(jié)點

Matter端節(jié)點是一類支持一個或多個IPv6網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備，可用于發(fā)送和接收Matter消息。端節(jié)點可以是客戶端設(shè)備，也可以是服務(wù)器設(shè)備，其關(guān)鍵區(qū)別在于設(shè)備是否存儲狀態(tài)信息。

通常，如果設(shè)備存儲狀態(tài)信息，并允許通過Matter結(jié)構(gòu)上的命令進(jìn)行讀取或?qū)懭?，則該設(shè)備屬于服務(wù)器。例如，智能燈泡就是一種服務(wù)器設(shè)備，用戶可以通過Matter結(jié)構(gòu)上的命令讀取或?qū)懭霟襞莸?a target="_blank">LED狀態(tài) (亮度、色溫、色調(diào)/飽和度等)。相反，如果設(shè)備不存儲任何狀態(tài)信息，而是通過Matter結(jié)構(gòu)上的命令改變遠(yuǎn)程設(shè)備的狀態(tài)，則該設(shè)備屬于客戶端。例如，燈開關(guān)就是一種客戶端設(shè)備，它通過Matter結(jié)構(gòu)上的命令控制燈泡的開關(guān)狀態(tài)。

此外，可以通過在Matter設(shè)備的端點上實例化相應(yīng)的客戶端或服務(wù)器集群，構(gòu)建支持客戶端和服務(wù)器功能的復(fù)合Matter終端設(shè)備。例如，可以通過在設(shè)備上實例化兩組集群來創(chuàng)建一個Matter終端設(shè)備，該設(shè)備既可以充當(dāng)燈開關(guān) (支持照明客戶端功能)，又可以兼作占用傳感器 (支持占用傳感器服務(wù)器功能)。

休眠端節(jié)點

休眠端節(jié)點并不是Matter設(shè)備角色，而是Thread網(wǎng)絡(luò)特有的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備角色。它是Thread網(wǎng)絡(luò)上的一種設(shè)備，大部分時間處于低功耗狀態(tài)，并關(guān)閉無線接收器。鑒于休眠端節(jié)點沒有100%的接收器占空比，它必須找到一個父節(jié)點 (將發(fā)往休眠端節(jié)點的消息排隊的代理)，使其能夠關(guān)閉無線器件進(jìn)入低功耗模式。休眠端節(jié)點通常采用電池供電，因此降低功耗至關(guān)重要。

休眠端節(jié)點具有一個顯著特點，即通信延遲不對稱。它可以低延遲發(fā)送消息，但接收消息的延遲較高。這是因為發(fā)送消息通常是一個中斷驅(qū)動的過程，其中一些外部信號觸發(fā)休眠端節(jié)點發(fā)送消息 (例如，在電池供電的電燈開關(guān)中，觸發(fā)條件將是用戶啟動開關(guān))。

考慮到Thread網(wǎng)絡(luò)的基本異步行為，消息可以在有限的延遲下傳輸。相反，作為休眠端節(jié)點接收消息時，延遲通常很高，因為休眠端節(jié)點在無線接收器關(guān)閉的情況下處于低功耗狀態(tài)。休眠端節(jié)點將定期喚醒，向網(wǎng)絡(luò)查詢發(fā)往它的消息(通過輪詢網(wǎng)絡(luò)上代表其對消息進(jìn)行排隊的代理/父節(jié)點)，這種喚醒間隔通常以秒或分鐘為單位。

由于這種通信延遲不對稱，休眠端節(jié)點通常用于實現(xiàn)Matter客戶端設(shè)備，而非Matter服務(wù)器設(shè)備。例如，電池供電的燈開關(guān) (即照明控制客戶端) 能夠以非常低的延遲向燈泡 (即照明控制器服務(wù)器) 發(fā)送消息，為照明控制系統(tǒng)提供良好的用戶體驗。然而，當(dāng)必須向電池供電的燈開關(guān)發(fā)送消息時，延遲會更高 (例如，啟動燈開關(guān)的固件更新)，但這通常不會對用戶體驗產(chǎn)生負(fù)面影響。

結(jié)束語

Matter規(guī)范引入了一系列新術(shù)語，然而許多術(shù)語可能被互換使用，實則具有不同的標(biāo)準(zhǔn)定義，容易引發(fā)混淆。本文詳細(xì)闡述了Matter結(jié)構(gòu)中的常見設(shè)備角色以及Matter的底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以幫助澄清相關(guān)術(shù)語的含義。

通過深入理解用于描述Matter結(jié)構(gòu)的術(shù)語體系，產(chǎn)品設(shè)計人員將能夠更精準(zhǔn)地定義和開發(fā)下一代基于Matter的設(shè)備。

本文作者

Max Palumbo，現(xiàn)任恩智浦半導(dǎo)體無線連接軟件產(chǎn)品管理總監(jiān)，為恩智浦主要軟件生態(tài)系統(tǒng) (MCUXpresso、Zephyr、Linux和Android) 中的微控制器和微處理器產(chǎn)品提供無線連接軟件。他于2020年加入恩智浦，擁有十余年Wi-Fi、藍(lán)牙 (Classic和BLE)、Zigbee及Thread技術(shù)經(jīng)驗。此前，他曾擔(dān)任嵌入式軟件架構(gòu)師和現(xiàn)場應(yīng)用工程師，并曾在Bluetooth SIG擔(dān)任Mesh工作組副主席。他畢業(yè)于滑鐵盧大學(xué)，獲得納米技術(shù)工程學(xué)士學(xué)位 (BASc)。