Matter

智能家居新协议--Matter. 智能家居互联互通趋势。 Matter (formerly Project Connected Home over IP, or Project CHIP) is a new Working Group within the Connectivity Standards Alliance (CSA, formerly Zigbee Alliance).

Matter

• 01 matter优势
  • 对终端用户
    • 没有生态壁垒
    • 更加自动化（局域网实现无需经过云、APP）
    • 没有通信壁垒（基于IP）
      • Wi-Fi
      • Thread/802.15.4
      • 桥接 zigbee \ble等
    • 更多生态系统
    • 更安全
  • 对于设备厂商
    • 易于开发
    • 协议开放
    • 设备自动化
    • Matter 生态系统
    • 自定义功能
• 02 matter 数据模型
  • 简单典型数据模型
  • 结构组成
    • note （节点）
      • 定义:一个具有某些功能的网络可寻址实体，具有唯一性
      • 一个智能设备实体，例如灯
    • Endpoint（端点）
      • 定义：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
      • 一盏灯，可以有Dimmable Light 和 On/Off Light两个甚至多个端点（Color Control）
    • Cluster（簇）
      • 定义：多个常用操作组合为一个可复用的模块
      • 例如：示例中的灯有On/Off Cluster 和 Level Control Cluster
    • Attribute（属性）
      • Attribute 表示可以读取或写入的内容
      • 比如，On/Off Cluster 包含一个 OnOff Attribute，代表设备实际打开或关闭的状态；Level Control Cluster 包含一个 CurrentLevel Attribute，代表设备的电平等级。
      • 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”
      • 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(命令)
      • Command 代表触发 Cluster 进行某种行为的能力
      • 每条 Command 可以有自己的参数
        • On/Off Cluster 中的 Toggle（切换开关）Command
          • 可以改变 Cluster 的 OnOff Attribute
        • Level Control Cluster 中有 MoveToLevel、Move、Step 等 Command
          • 可以调整 Cluster 的 CurrentLevel Attribute
    • Cluster 服务器和 Cluster 客户端
      • 每个 Matter Cluster 均有自己的服务器以及对应的客户端
        • 提供服务的为服务器
          • Dimmable Light 和 On/Off Light 均可提供照明服务
        • 用户通过cluster 客户端与服务器进行交互
    • Endpoint 0
      • 特殊的 Endpoint
        • 根节点
      • 提供信息
        • 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）
• 03 matter 设备间的本地自动化交互
  • 协议本身导致设备间容易本地交互
    • 可配置设备使其与一个或多个进行交互
  • 交互方式
    • 同步控制
      • 需要绑定
        • 上图例子中，手机作为绑定服务器，开关作为绑定服务器
          • 如果需要加一个调光功能，控制器和灯分别加Level Control Cluster 客户端、Level Control Cluster服务器，不需要再加绑定服务器
    • 异步通知（订阅-报告）
      • 订阅者接收来自发布者的数据报告
      • 报告的内容可以是发布者的 Attribute 或 Event
• 04 Matter 的桥接机制
  • 桥接
    • Matter 桥接设备可以让非 Matter 设备加入 Matter 生态系统（即下图中的 Matter Fabric），允许用户无差别得控制自己的 Matter 和非 Matter 设备。
    • 通过桥接设备完成其他协议（如Zigbee）与Matter 协议之间的映射，从而完成与系统中的Matter设备通信
  • 桥接设备的数据模型
    • Endpoint 0
      • 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。
    • Endpoint x
      • 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。
      • 桥接设备可包含Matter 原生设备
  • 桥接流程
    • 1、Matter 桥接设备加入Matter 网络（即 Matter fabric）
      • 标准的 Matter 配网流程
    • 2、Matter-Zigbee 桥接设备加入 Zigbee 网络
      • touch link
      • install code
    • 3、广播 Match Descriptor Request 命令，发现 Zigbee 网络中的设备
      • 命令包括
        • 所需的配置文件
        • In-Clusters（相当于服务器）
        • Out-Clusters（相当于客户端）
      • 满足条件的 Zigbee 设备将回复一个 Match Descriptor Response 并附上自己的网络地址
      • 桥接设备将为每一个匹配的 Zigbee 设备添加一个动态端点，使其作为被桥接设备加入 Matter 网络。
    • 4、Matter 系统将通过 Matter 规范中定义的 Operational Discovery（设备发现）机制发现这些桥接设备。
    • 5、Matter系统中的控制器可以控制Zigbee 网络中的灯泡
  • 乐鑫的桥接方案
• 05 Matter 中的 Thread 边界路由器
  • 基于 IP 网络
    • Matter协议层
    • Thread 是一套基于 IPv6 的低功耗 mesh 网络协议
    • Matter拓扑
  • 双向连接
    • Thread 网络的单播寻址的三个作用域
      • Link-Local：仅用于单跳通信
      • Mesh-Local：用于本地 Thread 网络内的通信
      • Global：用于与 Thread 网络之外的设备通信
    • Thread-->WiFi
      • Thread 网络配置 OMR (Off-Mesh Routable) Prefix
      • 每个 Thread 设备相应添加一个 OMR 地址作为全局单播地址
      • 向 Wi-Fi 网络发送包含 IPv6 Route Information Option (RIO) 的 Router Advertisement (RA) 数据帧，来宣布此 OMR Prefix 可抵达 Thread 网络。
    • WiFi-->Thread
      • 通过 Thread Network Data 在 Thread 网络中传播
  • 服务发现
    • 服务广播和发现
      • 标准的基于 DNS 的服务发现 (DNS-Based Service Discovery, DNS-SD) 协议
      • 在 Wi-Fi 和以太网
        • DNS-SD 协议使用多播 DNS (mDNS) 方式
      • Thread
        • 引入了服务注册协议 (Service Registry Protocol, SRP)，通过单播进行服务发现
    • Thread 边界路由器充当 SRP 服务器和代理 (Advertising Proxy)
      • Thread 设备向 Thread 边界路由器注册自己的服务
      • Thread 边界路由器通过多播 DNS 向 Wi-Fi 网络广播所有 Thread 设备的服务信息
    • Thread 边界路由器还实现了 DNS-SD 发现代理 (Discovery Proxy)
      • Thread 设备也可以发现 Wi-Fi 网络中的服务
• 06 生态系统的互联互通
  • 操作证书 (Operational Credentials)
    • 识别与认证
      • 公钥基础设施 PKI (Public Key Infrastructure)
    • 节点操作证书 NOC (Node Operational Certificate)
      • 每个节点都有
      • X.509 格式标准
        • 唯一的节点操作标识符（节点 ID）
      • 每个生态系统都有自己的NOC和节点ID,一个节点在多个生态系统中就有多个NOC和多个节点ID
      • 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
  • 认证与配网
    • 每个 Matter 节点经过 Commissioner（比如可以配置设备的手机 App）的认证与配网后，可以加入 Matter 网络。
    • Commissioner 向节点提供 NOC 证书和受信任的根 CA 证书后，我们认为设备已经加入了Fabric
  • 加入新的 Matter Fabric
    • 设备管理员可以要求 Matter 设备在完成认证与配网之后，再次打开认证窗口，被其他生态系统进行认证，从而使该设备加入其他 Matter Fabric
  • 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。
• 07安全模型
  • 安全目标
    • 受信设备
    • 受信控制器
    • 隐私通讯
  • 公钥基础设施 (PKI) 简介
    • 互联网中的应用非常广泛
    • 证书链采用层级结构
      • 证书链中的每份证书都由其颁发者 (issuer) 签发，因此可以一路向上追溯至根证书。也就是说，一旦我们可以沿着某个网站的证书链向上追溯至一份可信的根证书，则视为该站点安全。
    • PKI 可实现以下关键加密目标
      • 核实身份：设备的身份将由其证书颁发者进行核实。
      • 保证数据的隐私性和完整性：所有通信均将采用一个独一无二的密钥进行加密，且每个会话均有自己的密钥。
  • Matter 协议中的各类证书
    • 设备认证证书 (Device Attestation Certificate, DAC):设备如何证明“我是谁”
      • 用户可通过独一无二的DAC追溯证书链，确定设备是否来自相应厂家、快速鉴别假货
      • 颁发者
        • 产品认证中间证书 (Product Attestation Intermediate, PAI)
          • 设备厂商持有
          • PAI 证书由产品认证根证书 (PAA) 签发以保证受信
          • 受信任的 PAA 证书均存储在 CSA 连接标准联盟 (Connectivity Standard Alliance) 提供的分布式合规分类账 (Distributed Compliance Ledger, DCL) 中
      • DAC 和 PAI 证书会在生产过程中烧录至设备中并永久储存
      • 在 commissioning 过程中，控制器将获取 DAC 和 PAI 证书（及证书随附的供应商/产品信息）并加以验证，从而保证所有经过 commissioning 的 Matter 设备均可信。
    • 节点操作凭证 (Node Operational Credentials, NOC)：我与谁通信？
      • NOC 既可以由中间证书颁发机构 (Intermediate Certificate Authority, ICA) 签发，也可以直接由根证书颁发机构 (Root Certificate Authority, RCA) 签发
      • RCA 通常由 commissioner 生成
      • NOC 和 RCA 会在 commissioning 过程中被写入至设备
      • App 或其他设备连接到该设备时，双方开始交换证书信息
        • 使用同一份根证书，则可相互信任
        • 证书信息交换之后，设备之间将建立起加密会话。
      • 所有拥有相同根证书的设备将由此形成一个 Matter fabric
  • 如何在设备间分发证书
    • Matter 的设备 commission 流程
      • 概述
        • 开箱-->身份验证-->网络设置-->NOC写入至设备存储
      • 密码认证会话建立 (Password Authenticated Session Establishment, PASE)
        • 1、新设备上电-->BLE/DNS-sd广播
        • 2、控制器收到广播-->配对（扫二维码获取配对码）-->建立加密会话
      • 证书认证会话建立 (Certificate Authenticated Session Establishment, CASE)
        • 3、建立PASE会话后，控制器将验证设备的 DAC 证书
        • 4、DAC验证通过-->签发NOC-->NOC安装到设备
        • 5、告知设备需要加入的Wifi 或Thread 网络-->配网-->配网完成-->关闭PASE
        • 6、所有通信都将受到证书的保护
      • 流程图
• 08 分布式合规设备总帐 （DCL）
  • 是什么
    • 分布式合规设备总帐 (Distributed Compliance Ledger, DCL)。
    • 基于区块链技术的、安全的分布式存储网络
    • 允许CSA和授权供应商发布其matter设备信息
    • 允许Matter生态通过DCL客户端查询相关信息
  • 存储哪些信息（5个数据库）
    • 供应商数据库 (Vendor Schema)
      • 包括供应商的基本信息，例如公司法定名称、与 VendorID 关联的品牌名称、供应商的主页 URL 等。
    • 设备信息数据库 (DeviceModel Schema)
      • 包括设备的基本信息，例如产品名称、产品 ID、零件编号、commissoning 信息等在各软件版本中均通用的信息。
    • 设备软件版本数据库 (DeviceSoftwareVersionModel Schema)
      • 包括软件版本的详细信息，例如发布说明 URL、固件摘要 (FirmwareDigests)、OTA 软件镜像 URL 等。（仅存储url而非镜像本身）
    • 认证测试结果数据库 (Compliance Test Result Schema)
      • 包含设备的合规性和测试结果数据。
    • 产品认证根证书数据库 (PAA Schema)
      • 包含获批的产品认证根证书列表
  • Matter 生态系统将如何使用这些信息？
    • 访问 DCL
    • 检查设备的认证状态
    • 通过追溯至根证书 PAA，验证设备认证证书 (DAC)
    • 获取 commissioning 说明、手册链接和产品信息等
    • 检查 OTA 状态并将设备升级到最新固件版本
  • DCL 如何工作
    • DCL 是一个由多个独立服务器组成的网络，由 CSA 联盟及其成员拥有和托管。
    • 每台服务器都持有一份包含 Matter 设备信息的数据库副本，服务器之间通过加密的安全协议相互通信。
    • CSA提供公共的DCL服务器（供应商不一定需要安装自己的DCL）
      • 支持供应商使用 DCL 客户端访问 DCL 信息
      • CSA 还可为成员配置“写权限”，允许其将自己的 Matter 设备信息发布到 DCL 中
    • 供应商也可以也安装自己专用的DCL服务器
  • DCL 的“写权限”有限
    • 供应商需要在创建帐户的过程中将 VendorID 与公钥相关联，才能拥有对 DCL 的“写权限”。
    • 供应商可以（通过 CSA 的 DCL 服务器或其自有的专用 DCL 服务器）在自己的 VendorID 下添加新的设备型号。
    • 供应商（仅可以是自己账户关联的设备信息）可以更新现有设备型号的部分信息（如产品名称、产品描述、固件和硬件信息等）
    • CSA 认证中心可以向 DCL 中写入或撤销设备的认证状态。
  • DCL 的“读权限”对所有人公开
    • 所有人均可从 DCL 中读取
      • 设备型号信息，包括固件和硬件版本
      • 设备认证状态
      • 产品认证根证书列表
  • 典型工作流