Esecuzione del bridging con la rete Matter e il suo ecosistema

Una smart home utilizza dispositivi connessi a Internet, noti come dispositivi intelligenti, per gestire in remoto elettrodomestici e impianti come il riscaldamento e l'illuminazione.

Gli utenti possono accedere a questi dispositivi intelligenti per controllare, automatizzare e ottimizzare svariate funzionalità domestiche. Questi dispositivi possono connettersi agli smartphone e ai tablet tramite Wi-Fi, Thread o Bluetooth.

Il protocollo Matter, sviluppato dalla Connectivity Standards Alliance (CSA), è uno standard di connettività universale e sicuro per i dispositivi per smart home. Si basa sul protocollo Internet (IP) e supporta le tecnologie Wi-Fi, Ethernet e Thread per la connettività dei dispositivi. Matter, che è stato progettato ponendo l'accento sulla semplicità, sull'affidabilità e sulla sicurezza, offre un livello di applicazione standard che consente ai dispositivi di interagire tra loro e con il cloud. Inoltre, offre la crittografia end-to-end, la certificazione dei dispositivi e un onboarding intuitivo. È compatibile con gli assistenti vocali come Alexa, Siri e Google Assistant e supporta vari tipi di dispositivi, tra cui luci, serrature, telecamere e termostati.

Figura 1: connettività di Matter che mostra l'interoperabilità tra i dispositivi (fonte)

Matter è uno standard di connettività open-source ed esente da royalty progettato per unificare l'ecosistema della smart home. Fa in modo che i dispositivi di produttori diversi possano funzionare insieme senza problemi (vedi figura 1). La capacità di offrire la compatibilità tra più ecosistemi e un utilizzo intuitivo rende Matter una scelta interessante per gli sviluppatori che creano soluzioni per smart home.

Matter si basa su un'efficiente suite di crittografia che utilizza funzioni primitive crittografiche. La sicurezza e la privacy sono aspetti essenziali per gli utenti dei dispositivi IoT e, in tale ambito, Matter affronta queste fornendo un'architettura efficiente, resiliente e facile da implementare come base di partenza per i dispositivi IoT sicuri. Una delle principali finalità di Matter consiste nel semplificare il processo di aggiunta di dispositivi intelligenti nelle abitazioni, eliminando la necessità di determinare la compatibilità della piattaforma.

Principali considerazioni per lo sviluppo di Matter

• Compatibilità dei dispositivi: assicurati che gli elementi hardware e software selezionati siano compatibili con lo standard di Matter.
• Sicurezza: adotta misure di sicurezza efficaci per proteggere i dispositivi e i dati degli utenti.
• Interoperabilità: testa i dispositivi con altri dispositivi compatibili con Matter per verificare la corretta trasmissione delle comunicazioni.
• Esperienza utente: poni l'accento su un'esperienza intuitiva per i consumatori.
• Certificazioni: ottieni la certificazione di Matter per garantire che i dispositivi siano conformi allo standard.

Architettura di rete di Matter

I dispositivi Matter utilizzano un livello applicativo al di sopra di uno stack di software abilitato per Matter (vedi figura 2), che viene eseguito su una piattaforma hardware. Questa piattaforma include in genere un SoC o MCU sicuro, possibilmente accompagnato da un elemento sicuro, e offre servizi di sicurezza essenziali tramite API accessibili dagli altri livelli software. Questi servizi offrono funzioni primitive crittografiche, generazione di numeri casuali, archiviazione sicura con chiave crittografica e resistenza alle manomissioni. La resistenza della capacità agli attacchi è variabile.

Figura 2: livello interfaccia applicativo Matter (fonte)

I messaggi all'interno della rete di Matter vengono inviati e ricevuti dai dispositivi e dagli ecosistemi IoT utilizzando protocolli Internet standard come TCP/IP e UDP, utilizzando l'indirizzamento IPv6. Questi messaggi vengono trasmessi a prodotti abilitati per Matter tramite reti Wi-Fi e Thread, mentre la tecnologia Bluetooth LE facilita l'aggiunta di nodi tramite smartphone. I prodotti Matter sono progettati per assicurare una perfetta integrazione, consentendo funzionalità plug-and-play con altri prodotti ed ecosistemi che utilizzano l'API di Matter.

Ecosistemi di Matter

La strategia di Matter si concentra sullo sviluppo di software applicativi per dispositivi embedded come microprocessori, microcontrollori ed ecosistemi per smart home. Ciò include servizi cloud, smartphone, hub, altoparlanti e controller Matter. I moderni articoli di elettronica di consumo vengono sempre più definiti dal software, operando all'interno di ecosistemi cloud e interagendo localmente tramite controller e app per smartphone. Lo stack di software Matter, disponibile in modalità open-source su GitHub, è pre-integrato con piattaforme hardware di vari fornitori, consentendo uno sviluppo rapido e un progresso significativo per gli sviluppatori. Attualmente sono disponibili quattro ecosistemi abilitati per Matter: Amazon Alexa, Google Home, Apple Home e Samsung SmartThings. Il concetto di base della proposta di valore di Matter è l'interoperabilità, al fine di garantire che qualsiasi dispositivo con il logo di Matter funzionerà senza problemi con tutti gli altri dispositivi Matter.

Un fabric Matter rappresenta un dominio di sicurezza contenente una serie di nodi in grado di identificarsi e comunicare tra loro all'interno del dominio. Ogni fabric Matteri assegna un ID nodo univoco a ciascun nodo all'interno del fabric e un ID fabric univoco al dominio. Un dispositivo Matter può appartenere a più fabric Matter, ognuno dei quali è associato a diversi ID nodo e ID fabric, a seconda dell'infrastruttura con cui comunica.

L'ecosistema di Matter include l'ADM (Administrative Domain Manager), che gestisce un gruppo di dispositivi Matter per creare un 'fabric' dei dispositivi unificato. Questo fabric è costituito da dispositivi affidabili connessi tramite credenziali operative condivise, un namespace unificato e associazioni permanenti dei dispositivi. Dal punto di vista dell'utente, l'ADM rappresenta il pannello di controllo amministrativo di Matter. I controller sono componenti software che funzionano sui dispositivi locali, in genere articoli di elettronica di consumo diffusi come smartphone, tablet, pannelli touchscreen, altoparlanti intelligenti, hub video, e apparecchiature AV.

Figura 3: immagine che illustra la connessione tra dispositivi Matter e non Matter (fonte)

Come mostrato nella figura 3, ogni ecosistema domestico forma un proprio fabric unico, che include la propria root-of-trust, le credenziali operative, i namespace, le associazioni dei dispositivi, l'interfaccia utente e le procedure operative. La funzione "multi-admin" di Matter abilita la coesistenza tra più ecosistemi, consentendo l'uso simultaneo degli stessi dispositivi su diversi ecosistemi. Tuttavia, le specifiche multi-admin coprono solo gli aspetti di base della creazione di questi fabric di Matter specifici per un ecosistema, senza garantire un'interazione ottimale tra gli stessi. Tutti gli ecosistemi svolgono attività di routine come l'onboarding dei dispositivi, la creazione e la manutenzione dei fabric e il controllo dei dispositivi, tra cui l'accensione/spegnimento dei dispositivi, le luci di attenuazione, l'apertura delle porte e altre operazioni standard. Nonostante la generalità di queste funzioni, numerose aziende desiderano aggiungere valore sviluppando controlli specializzati che richiedono un codice applicativo personalizzato sui telefoni, sui servizi cloud e sui controller di Matter. Ogni ecosistema fornisce API avanzate per la creazione di app specifiche per soluzioni, con le funzionalità di Matter a supporto di queste configurazioni.

Bridging tra le tecnologie Matter e non Matter

Le smart home utilizzano dispositivi connessi basati su tecnologie Wi-Fi o Thread, ognuna delle quali svolge un ruolo specifico all'interno della rete di Matter. Questi dispositivi sono compatibili con i protocolli di comunicazione di rete come Wi-Fi, Ethernet o Thread e richiedono la tecnologia Bluetooth® Low Energy per la messa in funzione. I dispositivi finali sono responsabili dell'esecuzione delle applicazioni finali, mentre i router o i bridge facilitano il trasferimento dei dati tra protocolli diversi.

Numerosi dispositivi IoT che supportano attualmente Zigbee saranno anche compatibili con Matter. L'infrastruttura di supporto richiede una soluzione di bridging per garantire una comunicazione ottimale tra i dispositivi basati su Matter e quelli basati su Zigbee. Un dispositivo bridge integra in genere MCU ad alte prestazioni con funzionalità Ethernet per collegare vari prodotti di connettività. I bridge di Matter si applicano ad altre tecnologie come Zigbee, Bluetooth® Mesh e Z-Wave, supportate da molti dispositivi IoT.

Figura 4: bridging tra le tecnologie Matter e non Matter (fonte)

Nella figura 4, dei controller come smartphone o tablet vengono mostrati mentre mettono in funzione dispositivi finali nella rete di Matter tramite Bluetooth Low Energy. Per supportare la doppia infrastruttura, è necessaria una soluzione in grado di integrare MCU ad alte prestazioni e funzionalità Ethernet. Un MCU dual-core è ideale per integrare il livello di Matter e trasferirlo da e verso il protocollo Zigbee. I produttori di dispositivi possono scegliere la sicurezza della piattaforma in base all'analisi dei rischi e delle minacce sui propri dispositivi, senza rinunciare alla facilità d'uso e alle funzionalità dei dispositivi Matter. Possono scegliere una piattaforma in grado di soddisfare le rispettive esigenze in termini di costi, servizi di sicurezza e resilienza contro gli attacchi, concentrandosi in tal modo sullo sviluppo del livello di applicazioni e facendo affidamento sulla piattaforma per i principali servizi di sicurezza. Questo approccio modulare migliora anche la manutenibilità, poiché il fornitore della piattaforma può gestire gli aggiornamenti della suite di crittografia o i requisiti di resistenza con un impatto minimo sul produttore del dispositivo e sull'esperienza degli utenti. I produttori possono utilizzare una piattaforma hardware pronta per l'uso o implementare funzionalità di sicurezza di basso livello su una piattaforma più generica.

Matter su Thread e Matter su Wi-Fi - Caso d'uso con Silicon Labs

L'illustrazione mostra la configurazione hardware per Matter+OpenThread (hub di Matter e dispositivo accessorio) e Matter+Wi-Fi (dispositivo accessorio). Punto di partenza consigliato per gli MCU di Matter, EFR32MG24/MG26 include l'RCP dell'hub di Matter e i dispositivi accessori. Questo MCU fornisce Secure Vault e può memorizzare un'immagine aggiornata nella sua memoria flash interna, caratteristica ideale per l'esecuzione di Matter su Thread e su Wi-Fi.

a. Utilizzo della scheda radio EFR32

b. Utilizzo di SiWx917

Figura 5: configurazioni Matter+OpenThread e Matter+Wi-Fi (fonte)

Nella figura 5, Silicon Labs ha sviluppato una demo per Matter su Wi-Fi utilizzando due schede: la scheda radio Silicon Labs EFR32 per il codice di Matter e la scheda SiWx917 o un'altra scheda specificata per lo stack di protocollo Wi-Fi. La demo della modalità SoC utilizza la scheda SoC SiWx917, che integra un MCU per l'elaborazione delle periferiche e delle applicazioni, al fine di supportare Matter su Wi-Fi in un package a chip singolo.

Il processo di configurazione include la creazione di una semplice rete di luci, di un interruttore e di un hub di Matter. Il processo prevede la configurazione degli elementi hardware e software, la creazione di un hub di Matter su Raspberry Pi, l'impostazione e il caricamento di un'applicazione di luce e interruttore su due schede di sviluppo Silicon Labs, la creazione di una rete di Matter con i dispositivi accessori di Matter (MAD) e l'hub di Matter, il test della luce tramite l'hub di Matter e il collegamento del MAD dell'interruttore al MAD della luce. I requisiti sono gli stessi per le due demo. La demo di Thread richiede anche un co-processore radio (RCP) come componente dell'hub di Matter. Di seguito sono descritti i passaggi da svolgere.

1. Configurazione degli elementi hardware e software.
2. Creazione di un hub di Matter su Raspberry Pi.
3. Configurazione e caricamento dell'applicazione della luce e dell'interruttore sulle due schede di sviluppo Silicon Labs.
4. Creazione di una rete di Matter con i MAD e l'hub di Matter
5. Test della luce tramite l'hub di Matter
6. Collegamento tra il MAD dell'interruttore e il MAD della luce.

Per dimostrare il funzionamento di Matter su Wi-Fi e di Matter su Thread, è necessario disporre di un ambiente di sviluppo semplice con Simplicity Studio, due schede di sviluppo basate su EFR32MG24 e un Raspberry Pi come hub di Matter. Per l'hub di Matter, è necessario un Raspberry Pi 4B e una scheda SD ad alta velocità da 64 GB. I dispositivi accessori per Matter su Wi-Fi includono la scheda radio EFR32 Silicon Labs per la modalità NCP e la scheda SoC SiWx917 per la modalità SoC. L'MCU integrato è dedicato all'elaborazione delle periferiche e delle applicazioni per Matter, mentre ThreadArch® esegue gli stack dei protocolli wireless e di rete.

Per maggiori dettagli sulla dimostrazione, fai clic qui.

Prodotti supportati da Matter

Per sfruttare al meglio le funzionalità di Matter, gli sviluppatori devono disporre di strumenti standardizzati, SDK e schede di sviluppo specializzate. Le principali aziende del settore dei semiconduttori offrono soluzioni complete, compresi gli strumenti software e le schede di sviluppo, al fine di semplificare il processo di sviluppo e garantire la compatibilità con lo standard Matter.

Elenco dei prodotti supportati da Microchip, Nordic Semiconductor, ST Microelectronics, Renesas Solution e NXP.

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