Nutzung von Matter zur Verbindung der Inseln in der intelligenten Hausautomatisierung

Entwickler von drahtlosen Smart-Home-Automatisierungsgeräten stehen vor der Herausforderung, dass das Wachstum von drahtlosen Smart-Home-Ökosystemen durch den Mangel an breiter Interoperabilität eingeschränkt wird. Amazon Alexa, Apple HomeKit und Google Assistant zum Beispiel arbeiten derzeit in ihren eigenen Automatisierungsinseln. Das Gleiche gilt in unterschiedlichem Maße für Ethernet, Thread, Insteon, SmartThings, Wi-Fi, Z-Wave und andere drahtlose IoT-Protokolle (IoT: Internet of Things).

Die Entwicklung von Multiprotokoll-Geräten ist eine mögliche Lösung, erfordert aber komplexe Designs, die den Entwicklungsprozess verlängern und die Gerätekosten erhöhen. Darüber hinaus können Geräte mit mehreren Protokollen die Inseln der intelligenten Hausautomatisierung nur teilweise verbinden, da die verschiedenen Protokolle unterschiedliche Ansätze für die Implementierung von Sicherheit und Datenschutz für die Benutzer haben, was ihre Entwicklung und Implementierung weiter erschwert.

Um diese Probleme zu lösen, können Entwickler auf die Spezifikation Matter 1.0 der Connectivity Standards Alliance zurückgreifen, um die Automatisierungsinseln zu verbinden und den Nutzen von IoT-Netzwerken im Smart Home zu erhöhen. Die Matter-Software-Suite wurde auch entwickelt, um die Inbetriebnahme neuer Geräte zu vereinfachen und umfassende Sicherheit und Datenschutz zu bieten.

Dieser Artikel beginnt mit einem kurzen Überblick über die Ursprünge von Matter als CHIP-Projekt (CHIP: Connected Home over IP) der Zigbee Alliance und seine Entwicklung zu seiner aktuellen Position innerhalb der Connectivity Standards Alliance (CSA). Anschließend wird der Software-Stack der Anwendungsschicht von Matter untersucht, der auf Protokollen wie Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth und Thread aufsetzt. Außerdem werden die Sicherheits- und Datenschutzinstrumente von Matter untersucht. Abschließend werden verschiedene Evaluierungskits und Entwicklungsboards von NXP Semiconductors zusammen mit den dazugehörigen Mikrocontrollern (MCUs) vorgestellt, die die Entwicklung interoperabler drahtloser Smart-Home-Geräte mit Matter beschleunigen können.

Materie geht aus CHIP hervor

Ein typisches Smart Home kann mehr als 100 IoT-Geräte haben, die mehr als 20 Protokolle verwenden, wodurch ein „Turm von Babel“ entsteht, in dem die verschiedenen Automatisierungsinseln isoliert arbeiten (Abbildung 1). Das CHIP-Projekt wurde im Dezember 2019 von der Zigbee Alliance ins Leben gerufen, um eine gemeinsame Software-Suite zu entwickeln und die Inseln zu verbinden. CHIP wurde zu einem wichtigen Schwerpunkt der Allianz, die ihren Namen in CSA änderte, und das CHIP-Projekt wurde in Matter umbenannt. Matter basiert auf dem Internet-Protokoll (IP) und wird als Open-Source-Softwarespezifikation angeboten, die lizenzgebührenfrei ist. Die Mitgliedschaft in der CSA und in der Arbeitsgruppe Matter ist Voraussetzung für die Erlangung der Rechte am geistigen Eigentum zur Nutzung von Matter. Im Rahmen des Matter-Projekts wurden auch Zertifizierungsanforderungen festgelegt und eine Reihe unabhängiger Testlabors eingerichtet, damit die Konformität der Geräte überprüft werden kann.

Abbildung 1: Ein typisches intelligentes Haus (Smart Home) kann über 100 IoT-Geräte haben, die über 20 verschiedene Protokolle verwenden, wodurch zahlreiche Automatisierungsinseln entstehen. (Bildquelle: NXP)

Welche Rolle spielt Matter?

Matter baut auf der IP-Schicht auf und verwendet sie als gemeinsame Sprache für die Kommunikation mit IP-basierten Netzwerken wie Ethernet, Thread und Wi-Fi. Durch die Verwendung von IPv6 kann Matter mit Geräten kommunizieren, ohne einen Übersetzer zu benötigen. Matter befindet sich unterhalb der Anwendungsschicht des Geräts und oberhalb der TCP-Schicht (Transmission Control Protocol), über die es mit der IP-Schicht im Kommunikationsstapel verbunden ist. Matter ist eine interoperable Lösung für die Anwendungsschicht, die aus sechs Funktionsschichten unterhalb der Anwendungsschicht besteht, darunter das Datenmodell, das Interaktionsmodell, das Aktionsrahmenmodell, die Sicherheit, das Nachrichtenrahmenmodell und das Routing sowie das IP-Rahmenmodell und das Transportmanagement. Die Transportmanagementschicht verwaltet die Verbindungen zu den einzelnen Protokollen. In seiner ersten Version unterstützt Matter Ethernet, Thread, Bluetooth Low Energy (BLE) und Wi-Fi. Der Ausbau der Netzanbindung ist bereits im Gange (Abbildung 2).

Abbildung 2: Matter verwendet IPv6 für die Kommunikation mit Wi-Fi-, Thread-, BLE- und Ethernet-Geräten und macht damit spezielle Übersetzer überflüssig. (Bildquelle: NXP)

Die Gewährleistung eines sicheren Betriebs ist ein Schlüsselelement bei Matter-Einsätzen. Matter kombiniert einen Authentifizierungscode mit einer Verschlüsselung, um die Vertraulichkeit und Genauigkeit von Nachrichten zu gewährleisten und die Datenquelle zu authentifizieren. Es verwendet den Advanced Encryption Standard (AES) mit 128 Bit CCM-Verschlüsselung (Cipher Block Chaining Message Authentication Code) und 128 Bit AES CBC (Cipher Block Chaining) für die Sicherheit. Darüber hinaus wird das Prinzip der Tiefenverteidigung angewandt, um für die einzelnen Geräte das am besten geeignete Maß an Sicherheit und Datenschutz zu gewährleisten. Der mehrschichtige Ansatz optimiert die Ressourcennutzung und gewährleistet die Verfügbarkeit, Integrität und Vertraulichkeit der Kommunikation.

Wie sieht ein Matter-Netzwerk aus?

Matter wird von der CSA verwaltet und ist unter Apache 2.0 lizenziert. Die CSA unterhält auch eine Bibliothek mit Standardimplementierungen und -anwendungen, die die Mitglieder nutzen können, um die Entwicklung ihrer eigenen Matter-kompatiblen Geräte zu unterstützen. Sicherheit und der Schutz der Privatsphäre der Benutzer sind ein wichtiger Schwerpunkt von Matter, und die Bibliothek sorgt für eine einheitliche Umsetzung der Sicherheit in der gesamten Matter-Gerätewelt. In Bezug auf die Hardware umfasst Matter Endknoten, Randknoten, Gateways (auch Controller genannt), Bridges und Grenzrouter. Es kann zu Verwirrung kommen, da sowohl Gateways als auch Grenzrouter manchmal als „Hubs“ bezeichnet werden (Abbildung 3). Im Zweifelsfall ist es am besten, sich über die spezifische Funktion eines „Hubs“ zu informieren.

Abbildung 3: Matter-Netze umfassen Gateways, Bridges und Grenzrouter, die die Vernetzung zwischen verschiedenen lokalen Netzen und die Vernetzung mit dem Internet gewährleisten. (Bildquelle: NXP)

• Gateways - Ein Matter-Gateway unterstützt den Fernzugriff auf Matter-Geräte, indem es eine Verbindung zum Internet herstellt. Einige bereits vorhandene Geräte wie Smart-Home-Hubs von SmartThings, Amazon und Google können Software-Updates erhalten, die sie zu Matter-Gateways machen. Matter ist so spezifiziert, dass es mit den vom Hersteller bereitgestellten Kommunikationsfunktionen wie Cloud-Verbindungen oder Fernsteuerungen bestehen kann, so dass diese Geräte ihre bestehenden Kommunikationsfunktionen auch dann nutzen können, wenn sie als Teil eines Matter-Netzwerks betrieben werden.
• Bridges - Matter-Bridges werden verwendet, um Matter-Netzwerke mit nahe gelegenen drahtlosen Netzwerken zu verbinden. Geräte, die nicht Matter-kompatibel sind, können über eine Bridge betrieben werden und nahtlos mit einem Matter-Netzwerk zusammenarbeiten. Es wird erwartet, dass Bridges auch die Einführung von Matter beschleunigen werden, da sie es ermöglichen, nicht Matter-kompatible Knoten und Netze problemlos in eine größere Matter-Netzstruktur zu integrieren. Einige bestehende Geräte können aktualisiert und Matter-kompatibel gemacht werden, so dass sie direkt in ein Matter-Netz integriert werden können, ohne dass sie über eine Bridge verbunden werden müssen.
• Grenzrouter - Grenzrouter sind speziell für die Integration von Thread-Netzwerken und Geräten wie Bewegungs-, Tür- und Fenstersensoren in ein Matter-Netzwerk konzipiert. Thread ist ein drahtloses IP-Protokoll mit geringem Stromverbrauch, das auf der physikalischen Schicht (PHY) von IEEE 802.15.4 läuft. Da 802.15.4 nicht mit Wi-Fi kompatibel ist, ist es komplizierter, ein Gerät zu einem Grenzrouter zu machen. Das wird sich nun ändern. Hersteller wie NXP haben Geräte mit kombinierter Unterstützung für Wi-Fi 6, Bluetooth 5.2 und 802.15.4 auf den Markt gebracht, die das Design von Grenzroutern und anderen Matter-Geräten vereinfachen. Einige Grenzrouter können nicht nur Netze verbinden, sondern verfügen auch über eine Schnittstelle für Smart-Home-Steuerungen.

Entwurf von Matter-Netzelementen

Für den Aufbau eines Matter-Netzwerks sind verschiedene Arten von Geräten erforderlich, darunter Endknoten wie Sensoren und Aktoren, Randknoten wie intelligente Beleuchtung, intelligente Schlösser und Heizungs-, Lüftungs- und Klimasteuerungen sowie eine Reihe von Gateways, Grenzroutern und Bridges, die alles miteinander verbinden. NXP bietet eine vollständige Palette an Entwicklungshardware für jeden Typ von Matter-Netzwerkelementen sowie umfangreiches Material auf GitHub, einschließlich Unterstützung für die Matter-Plattform und Anwendungsbeispiele, um den Entwicklungsprozess zu beschleunigen (Tabelle 1).

Tabelle 1: Ausgewählte Entwicklungsumgebungen für die von NXP angebotenen Matter-Plattformen. (Quelle der Tabelle: NXP, geändert vom Autor)

Endknoten

Entwickler von Endknoten-Matter-Plattformen können die Entwicklungsumgebung IOTZTB-DK06 mit einer Plattform mit K32W0x-MCU wie der K32W041AZ (Abbildung 4) nutzen. Die Umgebung umfasst die Hardware und Software, die für die Erstellung eigenständiger Endknoten benötigt werden, sowie ein dreiteiliges Demonstrationsnetzwerk, das eine Steuerbrücke (Control-Bridge), einen Schaltknoten und einen Licht-/Sensorknoten umfasst.

Die MCUs K32W041AZ sind mit einer Arm®-Cortex®-M4-MCU mit 640 Kilobyte (KByte) On-Board-Flash-Speicher und 152 KByte statischem Direktzugriffsspeicher (SRAM) ausgestattet, um die nächste Generation von drahtlosen Multiprotokoll-Geräten mit extrem niedrigem Stromverbrauch zu betreiben und BLE 5.0 und Zigbee 3.0/Thread/IEEE 802.15.4 zu unterstützen. Neben einem extrem niedrigen Sende- und Empfangsstromverbrauch können diese MCUs komplexe Anwendungen und Over-the-Air-Updates (OTA) ohne externen Speicher unterstützen.

Abbildung 4: Die Plattform IOTZTB-DK06 umfasst einen Schaltknoten (links), eine Steuerbrücke (Control-Bridge, Mitte) und einen Licht-/Sensorknoten (rechts). (Bildquelle: NXP)

Randknoten

Das i.MX RT1170 EVK bietet eine integrierte Entwicklungsplattform für Matter-Randknoten. Dieses Evaluierungskit ist auf einer sechslagigen Leiterplatte mit durchkontaktierten Bauteilen aufgebaut, um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu verbessern, und enthält wichtige Komponenten und Schnittstellen, um Entwicklungsprojekte zu beschleunigen (Abbildung 5). Es basiert auf der Crossover-MCU-Familie i.MX RT1170, zu der auch der MIMXRT1176CVM8A gehört, und kann mit dem oben beschriebenen IOTZTB-DK06 kombiniert werden. Der Dual-Core-i.MX-RT1170 arbeitet mit dem Cortex-M7-Kern mit 1 Gigahertz (GHz) und dem Arm-Cortex-M4 mit 400 Megahertz (MHz). Es unterstützt mehrere moderne Sicherheitsfunktionen, darunter:

• Sicheres Booten
• Inline-Verschlüsselungsengine (IEE)
• On-the-Fly-AES-Entschlüsselung (OTFAD)
• Leistungsstarke Kryptographie
• Aktive und passive Manipulationserkennung

Abbildung 5: Das Evaluierungskit i.MX RT1170 EVK kann für die Entwicklung von Matter-Randknotengeräten verwendet werden. (Bildquelle: NXP)

Darüber hinaus kann das MIMXRT1170-EVK mit dem Entwicklungskit OM-A5000ARD von Arduino für die Implementierung von Sicherheit verwendet werden. Dieses Arduino-Entwicklungskit basiert auf dem A5000, einem gebrauchsfertigen, sicheren IoT-Authentifikator, der eine Vertrauensbasis auf IC-Ebene enthält. Der A5000 kann Zugangsdaten sicher speichern und bereitstellen und kryptografische Operationen durchführen, um die Sicherheit kritischer Kommunikation und Authentifizierung zu gewährleisten. Er wurde für eine Reihe von IoT-Sicherheitsanwendungen entwickelt, z. B. für die Authentifizierung von Geräten untereinander, die sichere Verbindung zu öffentlichen und privaten Clouds und den Schutz vor Fälschungen. Um die schnelle Entwicklung von Sicherheitslösungen zu unterstützen, wird der A5000 mit vorinstallierter Software für Anwendungsauthentifizierung und -sicherheit geliefert.

Gateways, Grenzrouter, Bridges

Wenn komplexere Designs wie Gateways, Grenzrouter und Bridges benötigt werden, kann das Evaluierungsboard i.MX 8M Mini EVKB verwendet werden. Dieses Evaluierungsboard unterstützt die Applikationsprozessorfamilie i.MX 8M Mini, wie z. B. den MIMX8MM5CVTKZAA von NXP (Abbildung 6).

Abbildung 6: Das i.MX 8M Mini EVKB unterstützt die Entwicklung von Matter-Gateways, Grenzroutern und Bridges. (Bildquelle: NXP)

Der Anwendungsprozessor i.MX 8M Mini verfügt über ein breites Spektrum an Fähigkeiten in Bezug auf die Systemvernetzung und die Flexibilität der Speicherschnittstelle, wodurch er sich sowohl für medienintensive Verbraucher- und eingebettete Industrieanwendungen als auch für nicht medienintensive Allzweckanwendungen eignet, die Energieeffizienz und hohe Leistung erfordern.

Das Evaluierungsboard 8MMINILPD4-EVKB kann zusammen mit dem oben beschriebenen IOTZTB-DK006 und dem OM-A5000ARD verwendet werden. Mit den zusätzlichen Upgrade-Boards K32W061 und einem USB-Dongle lässt sich schnell ein kleines drahtloses Matter-Netzwerk für Tests und die Entwicklung von Multiprotokoll-Anwendungen aufbauen.

Fazit

Interoperabilität ist für Endnutzer von IoT-Geräten von entscheidender Bedeutung, unabhängig von Anbieter, Plattform oder Ökosystem. Matter ist eine Open-Source-Softwarespezifikation, die speziell dafür entwickelt wurde, die vielen Automatisierungsinseln in intelligenten Hausumgebungen zu verbinden und gleichzeitig Sicherheit und Datenschutz zu gewährleisten. Wie gezeigt, besteht ein Matter-Netz aus einer Vielzahl von Geräten, darunter Endknoten, Randknoten, Gateways, Grenzrouter und Bridges. Für den schnellen Einstieg bietet NXP eine umfangreiche Palette an Software- und Hardware-Entwicklungsplattformen für die gesamte Palette der Matter-Komponenten.

Empfohlene Lektüre

1. Verringerung des Stromverbrauchs in ständig aktiven Sprachschnittstellen