Matter – przyszłość smart home czy tylko kolejny protokół?

Inteligentne, bezprzewodowe urządzenia przestały być traktowane w naszych domach jako niewinne gadżety, w stosunku do których nie mamy wysokich wymagań. Korzystamy z nich na co dzień i oczekujemy, że podniosą one nasz komfort życia. Czy jednak dzisiejszy smart home jest rzeczywiście taki inteligentny? Czy instalacja oraz użytkowanie go są proste i intuicyjne? A może spełnienie rosnących oczekiwań wymaga nowych rozwiązań? Poznajcie Matter, projekt, którego celem jest wprowadzenie standardu nowej generacji przeznaczonego dla inteligentnego domu.

Stan rozwiązań na rynku smart home

Wraz z rozwojem technologii i postępującą cyfryzacją, obserwujemy naturalny wzrost zainteresowania rozwiązaniami z obszaru smart home. Według danych portalu Oferteo, około 30% nowo budowanych domów w Polsce posiada w planach instalację przeznaczoną do realizacji inteligentnego domu. Sięgając do danych sprzed dziesięciu lub więcej lat, można odnieść wrażenie, że jest to spory odsetek. Wielkość ta nie ulega jednak znaczącym zmianom w przeciągu ostatnich kilku lat, co może nasuwać wniosek, że rozwój smart home złapał pewnego rodzaju zadyszkę i nie jest tak dynamiczny, jak się tego spodziewano.

W oparciu o odpowiedzi ankietowanych w raporcie warto spojrzeć na powody, dla których użytkownicy nie decydują się na instalacje smart home, by poprawnie zdiagnozować istniejące problemy. Dominujące przyczyny to brak poczucia, by takie rozwiązanie było do czegokolwiek potrzebne oraz zbyt wysoka cena urządzeń. Pojawiają się również opinie mówiące, że rozwiązania te są zbyt skomplikowane w obsłudze i instalacji.

Mankamenty technologii z obszaru smart home, obserwowane na naszym rodzimym rynku, nie są odosobnionymi przypadkami w świecie, gdyż wielu użytkowników na całym globie nie jest zadowolonych z obecnego stanu rzeczy. Dzisiejszy rynek technologii dla inteligentnego domu cechuje się przede wszystkim bardzo dużą fragmentacją. Co to oznacza w praktyce?

Wyobraźmy sobie, że chcę wyjść z domu. Muszę więc zgasić światło, na przykład za pośrednictwem aplikacji na smartfonie dostarczonej przez producenta oświetlenia. W kolejnym kroku powinienem opuścić rolety zewnętrzne – to z kolei mogę zrobić używając innej aplikacji od producenta rolet. Na końcu chcę zamknąć bramę garażową, co jest możliwe przy użyciu jeszcze innej aplikacji. Brzmi znajomo? Niestety wciąż bardzo wielu producentów urządzeń wymaga stosowania specyficznych dla siebie aplikacji, co przekłada się na mnożenie się ich liczby na urządzeniach mobilnych użytkowników.

Niektórzy producenci decydują się na współpracę z jednym z dużych dostawców serwisów do obsługi smart home, jak na przykład Google Home, Apple czy Amazon Alexa, co umożliwia obsługę wielu urządzeń przy użyciu jednej aplikacji. Niestety, ekosystemy te nie są ze sobą kompatybilne, co zmusza użytkownika do wyboru jednej opcji i ograniczania się przy zakupie urządzeń do takich, które będą pasowały do jego infrastruktury. Zarówno obniżony komfort z korzystania, jak i wymaganie specjalistycznej wiedzy do stworzenia poprawnej instalacji nie są czynnikami atrakcyjnymi dla klientów.

Z perspektywy producenta urządzeń sytuacja nie wygląda lepiej, ponieważ musi on podejmować decyzję o tym, z kim nawiąże współpracę i jakie rozwiązania zapewni swoim klientom, tak by dotrzeć do jak najszerszej grupy odbiorców. Może także rozwijać i wspierać wiele alternatywnych wersji produktów, co poszerzy rynek odbiorców, ale niestety znacznie zwiększa także czas rozwoju i koszty utrzymania projektów, a co za tym idzie cenę finalną sprzedawanych produktów.

W końcu fragmentacja rynku smart home jest przeszkodą, która spowalnia wzrost i adopcję technologii w domach. Powodem jest konieczność rozwiązywania globalnych problemów, takich jak bezpieczeństwo i niezawodność działania urządzeń, czy też prywatność użytkowników przez każdą z firm z osobna. Brak wspólnych prac standaryzacyjnych, które prowadziłyby do ustanowienia wysokiej jakości rozwiązań, przekłada się bezpośrednio na niższy poziom satysfakcji i zaufania użytkowników.

Czym jest Matter?

Właśnie z szeroko pojętych problemów z istniejącymi rozwiązaniami w branży smart home zrodziła się idea stworzenia standardu, który wprowadzi nową jakość na rynku, projektu Connected Home over IP (CHIP) w późniejszej fazie przemianowanego na finalną nazwę Matter. Założycielami było wiele firm w różny sposób związanych z tematyką inteligentnego domu, począwszy od dostawców serwisów chmurowych, jak Amazon, Google, czy Apple, przez firmy z rynku półprzewodnikowego w tym Nordic Semiconductor, aż po producentów finalnych produktów, jak Ikea czy Eve Home. Patronat nad projektem objęła organizacja Connectivity Standard Alliance (CSA), nazywana wcześniej Zigbee Alliance i znana właśnie z utworzenia projektu o takiej samej nazwie.

Prace rozpoczęły się w grudniu 2019 roku, a celem było osiągnięcie rezultatu w kuluarach chętnie porównywanego do powstania protokołu USB, który lata temu ustandaryzował sposób komunikacji przewodowej, z tym że w tym wypadku dotyczącego oczywiście świata smart home. Pierwszej oficjalnej publikacji Matter 1.0 projekt doczekał się w październiku 2022 roku, a kolejne wersje 1.1 oraz 1.2 zostały ogłoszone odpowiednio w maju i w październiku 2023 roku.

Cele i założenia projektu można by uprościć do czterech głównych obszarów:

• Wprowadzenie interoperacyjności, która umożliwi komunikację między urządzeniami i zarządzanie nimi, nie zważając na wykorzystywane ekosystemy.
• Uproszczenie procesu parowania nowych urządzeń, tak by był on intuicyjny nawet dla niezaawansowanego użytkownika.
• Zwiększenie niezawodności komunikacji bezprzewodowej poprzez wykorzystanie sprawdzonych na rynku technologii w optymalnych dla nich przypadkach.
• Zwiększenie bezpieczeństwa urządzeń i prywatności użytkowników poprzez zastosowanie najnowocześniejszych algorytmów z dziedziny kryptografii, utrzymywania integralności danych oraz autentykacji tożsamości obydwu stron komunikacji.

Ponadto, w celu skrócenia czasu implementacji protokołu, przyspieszenia adopcji technologii na rynku oraz zmaksymalizowania szans na sprawdzenie się rozwiązania w praktyce, projekt od początku założył wykorzystanie istniejących na rynku technologii w optymalnych dla nich obszarach. Dla przykładu opis modelu danych został w dużym stopniu oparty o model wykorzystany w protokole Zigbee, który był przez lata doceniany przez użytkowników i inżynierów oprogramowania.

Mechanizm parowania urządzeń do sieci używa powszechnego w urządzeniach mobilnych i bezpiecznego standardu Bluetooth LE, wymiana informacji w sieci dla urządzeń wymagających znacznych przepustowości danych realizowana jest przy użyciu protokołu Wi-Fi, natomiast dla urządzeń zasilanych bateryjnie o ograniczonych zasobach zalecanym rozwiązaniem jest wykorzystanie protokołu Thread.

Zachęcam do obejrzenia wideo, które podsumowuje założenia projektu Matter przy wykorzystaniu przyjemnej dla oka wizualizacji:

Model rozwoju projektu

Interesującą informacją dla programistów może być fakt, że projekt Matter posiada otwarty kod źródłowy, który jest dostępny w repozytorium na portalu GitHub. Wielu producentów następnie integruje projekt w ramach swoich pakietów oprogramowania (SDK). Przykładem może być środowisko nRF Connect SDK, które dostarcza wiele przykładowych aplikacji, dostępnych za darmo dla użytkowników, jako referencje do tworzenia własnych aplikacji dla produktów.

Poza integrowaniem projektu część członków grupy roboczej Matter w różny sposób kontrybuuje również do rozwoju standardu. Odbywa się to poprzez rozwijanie kodu źródłowego, nie tylko dla własnej platformy, ale także współdzielonego przez wszystkich członków, tworzenie specyfikacji, dyskutowanie rozwiązań w ramach spotkań grup roboczych, a także testowanie oprogramowania i rozwijanie programu certyfikacyjnego. Przykładowo, jako członek zarządu Connectivity Standard Alliance, firma Nordic Semiconductor uczestniczy we wszystkich z wymienionych aktywności, co daje inżynierom niepowtarzalną możliwość sprawdzenia swoich umiejętności i rozwoju na wielu polach.

Techniczny bełkot

Pora przedstawić garść technicznych faktów opisujących Matter. Jest to protokół zlokalizowany w górnych warstwach modelu OSI/ISO, określającego standardy komunikacji sieciowej. Matter opiera się na warstwie sieciowej z wykorzystaniem protokołu IP, stanowiącego najpopularniejsze i najbardziej perspektywiczne z dostępnych rozwiązań dla sieci domowych i biurowych. Technologie wykorzystywane w niższych warstwach to odpowiednio Bluetooth LE do celów parowania urządzeń oraz Wi-Fi, Thread lub Ethernet do regularnej wymiany danych w sieci. Jest to stan rzeczy na dzisiaj, jednak dzięki wykorzystaniu warstwy popularnego protokołu IP istnieje możliwość poszerzenie puli wspieranych technologii o nowe rozwiązania, jak na przykład technologie komórkowe.

Parowanie nowych urządzeń do sieci jest bardzo prostym procesem i polega na wprowadzeniu do aplikacji mobilnej zakodowanych informacji o konkretnym urządzeniu. Jest to możliwe do zrobienia na trzy alternatywne sposoby – poprzez wpisanie kodu składającego się z kilkunastu cyfr, zeskanowanie kodu QR lub zbliżenie mobilnego urządzenia do produktu w celu odczytania taga NFC. Instalacja urządzenia jest więc wyjątkowo prosta, jednakże niektórzy producenci ekosystemów, jak na przykład Amazon uprościli ją jeszcze bardziej i zapewnili mechanizm (tak zwany Frustration-Free Setup), który automatycznie dodaje urządzenia do sieci zaraz po włączeniu zasilania. Odbywa się to na podstawie danych z konta użytkownika ulokowanego w chmurze, które są dodawane podczas zakupu urządzenia przez sklep online.

W trosce o to, by nie zamienić niniejszego artykułu w streszczenie specyfikacji technicznej, poniżej przedstawionych zostały jedynie kilka najbardziej kluczowych funkcjonalności protokołu Matter.

Multi-admin

Myślę, że bez trudu znalazłby się wśród czytelników ktoś, kto kiedyś napotkał problem z tym, że pewne urządzenie działa z jego telefonem, ale nie może współpracować z telefonem innego producenta, używanym przez innego domownika (zwłaszcza w przypadku różnic systemów Android i iOS). Teraz jest to naprawdę możliwe! Właśnie funkcjonalność multi-admin, pozwala na to by wielu użytkowników, na przykład członków rodziny, kontrolowało to samo urządzenie w ramach niezależnych sieci Matter. Administratorzy ci mogą być przykładowo aplikacjami na różnych urządzeniach mobilnych użytkowników.

Pierwszy administrator paruje urządzenie do sieci, a następnie udostępnia je dla innych administratorów, w procesie bardzo zbliżonym do zwykłego parowania. Wolisz korzystać z aplikacji Apple Home, Google Home, Amazon Alexa, czy może Samsung SmartThings? Teraz wybór naprawdę należy do Ciebie, ponieważ Matter potrafi współpracować z każdą ze wspomnianych aplikacji.

Distributed Compliance Ledger

Matter wprowadza również globalnie rozproszoną bazę danych, opartą na nowoczesnej technologii block-chain i nazywaną Distributed Compliance Ledger (DCL). Oznacza to, że informacje o urządzeniach są rozmieszczone i zabezpieczone na wielu serwerach, co zwiększa bezpieczeństwo i niezawodność przechowywania danych. Baza ta zawiera informacje o wszystkich urządzeniach, które zostały oficjalnie certyfikowane przez program certyfikacyjny Matter. Dzięki temu administrator jest w stanie na etapie parowania nowego urządzenia zweryfikować certyfikat, którym się ono posługuje i sprawdzić czy dany produkt posiada odpowiadający wpis w bazie danych. Baza ta posiada także podstawowe informacje opisujące poszczególne produkty, ich instrukcje obsługi, a także linki do udostępnionych przez producentów aktualizacji oprogramowania.

Over-the-air software upgrade

Matter wymaga od urządzeń zapewnienia mechanizmu aktualizacji oprogramowania, który jest kluczowy w procesie dbania o niezawodność pracy urządzeń przez długie lata i zapewniania ich bezpieczeństwa przez ciągłe poprawki słabych punktów w zabezpieczeniach. Standard proponuje pewne rozwiązanie dla tej funkcjonalności, ale jest również otwarty na wprowadzanie własnych unikalnych mechanizmów, tak długo, jak spełniają one określone wymagania certyfikacyjne. Matter wprowadza lekki protokół o nazwie BDX (Bulk Data Exchange), który można uznać za uproszczoną i zoptymalizowaną z myślą o urządzeniach z ograniczonymi zasobami, wersję protokołu HTTP. Przy wykorzystaniu tego protokołu urządzenie może sprawdzić, czy jest dostępna dla niego aktualizacja w centralnej bazie danych DCL i pobrać ją. Istnieje także możliwość, by urządzenia o większych zasobach pobierały obrazy i dystrybuowały je innym urządzeniom o mniejszych zasobach.

Intermittently Connected Devices

W Matter nazwa ta dokładnie oznacza urządzenia, które mają dostęp do sieci w przerywany sposób. Najpopularniejszą przyczyną może być wykorzystanie zasilania bateryjnego, a przez to konieczność usypiania urządzenia w celu oszczędności energii i wybudzania na krótkie chwile, aby zaktualizować swój status w sieci. Pewne protokoły warstwy sieciowej, jak na przykład Thread od lat posiadają własny mechanizm wspierający urządzenia wykorzystujące usypianie. Jest to jednak wsparcie na niższych warstwach stosu komunikacyjnego, które niekoniecznie przekłada się na odpowiednią interpretację danych przez aplikacje użytkowników.

Nikt przecież nie chce, by użytkownik widział w swojej aplikacji, że jego urządzenie przez 99% czasu jest niedostępne, mimo że pod względem komunikacyjnym działa ono zupełnie poprawnie. Matter wprowadza standaryzację pod względem tego, jak aplikacje i urządzenia mobilne użytkowników mogą komunikować się z urządzeniami dostępnymi w przerywany sposób. Zapewnia on także wiele konfiguracji dopasowanych do różnych przypadków począwszy od urządzeń usypianych na setki milisekund po takie, które są dostępne raz na kilkanaście godzin.

Czy Matter ma szanse zrewolucjonizować rynek smart home?

Wielu osobom po zapoznaniu się z założeniami i celami Matter nasuwa się bardzo podobne pytanie. Czy przypadkiem nie jest to zbyt piękne, by mogło być prawdziwe? Zgrabne marketingowe hasła i wizja lepszej przyszłości budzi w użytkownikach naturalne wątpliwości i sceptycyzm. Przeprowadziłem już kilka prezentacji, szkoleń i wystąpień na temat Matter, więc chciałbym spróbować odpowiedzieć na najczęściej pojawiające się pytania.

Jaki jest interes firm uczestniczących w projekcie, by dzielić się z konkurentami swoją pracą?

Jest to oczywiste pytanie, które nasuwa się większości użytkowników, ponieważ każda z firm członkowskich projektu musi finalnie zarobić na swoich produktach. Jeśli wszystkie firmy będą dzielić to samo rozwiązanie, to czy nie zabraknie miejsca na zwiększenie konkurencyjności ich produktów? Nie jest to prawda, ponieważ standard Matter specyfikuje jedynie kluczowe obszary komunikacji w celu zapewnienia kompatybilności między urządzeniami. Nie zabrania on jednak wprowadzania własnych, opcjonalnych funkcjonalności, które wzbogacą funkcjonowanie urządzenia. W dodatku specyfikacja traktuje wiele aspektów w bardzo elastyczny sposób, co umożliwia implementowanie mechanizmów na wiele alternatywnych sposobów, które mogą ze sobą konkurować, tak długo, jak spełniają ogólne wymagania dbające o utrzymanie konkretnego poziomu jakości rozwiązań. Ponadto wprowadzenie standardu Matter ma w założeniu znacznie przyspieszyć adopcję technologii smart home na rynku i zwiększyć zaufanie użytkowników, co powinno przełożyć się na większą ilość klientów i zmniejszenie kosztów tworzenia produktów przez producentów.

Czy użytkownicy będą musieli wydać dodatkowe pieniądze, by skorzystać ze standardu Matter?

Odpowiedź na to pytanie w dużej mierze zależy od obecnie posiadanych urządzeń. Wiele urządzeń takich jak na przykład smartfony już otrzymały własne darmowe aktualizacje oprogramowania, które zapewniają wsparcie dla protokołu Matter. Inaczej wygląda sytuacja w przypadku urządzeń, które posiadają techniczne przeszkody przed uruchomieniem protokołu Matter i nie da się ich naprawić przez aktualizację oprogramowania, jak na przykład nie posiadają one wymaganego rodzaju radioodbiornika dla Bluetooth LE. W przypadku posiadania dużych sieci i konieczności wymiany wszystkich urządzeń na takie, który wspierają Matter, mogłoby się to wiązać ze znacznymi kosztami.

Z tego powodu Matter zapewnia inne rozwiązanie problemu, jakim jest integracja istniejących sieci korzystających z dowolnego protokołu za pośrednictwem urządzenia o nazwie bridge. Bridge jest urządzeniem, które posiada zarówno interfejs wspierający Matter, jak i drugi interfejs wykorzystujący dowolny protokół i jest ono w stanie zrealizować translację pomiędzy tymi dwoma protokołami. Zgodnie ze specyfikacją Matter, urządzenie bridge reprezentuje w sieci podległe mu urządzenia, które nie posiadają natywnego wsparcia dla Matter w taki sposób, by nie dało się zaobserwować funkcjonalnych różnic z perspektywy standardu Matter. Wielu producentów już zaproponowało swoim klientom tego typu rozwiązania jak na przykład bridge pomiędzy protokołem Matter, a Bluetooth LE, dostarczany przez Nordic Semiconductor.

Czy Matter naprawdę ujednolici rynek smart home? Czy każdy rodzaj urządzenia będzie wspierany przez każdą aplikację wspierającą Matter?

W dużej mierze to zależy od woli producentów ekosystemów dla smart home i aplikacji mobilnych. Matter w założeniu zapewnia kompatybilność w sposobie komunikacji i reprezentacji danych pomiędzy urządzeniami w sieci. Pod tym względem każda aplikacja wspierająca Matter powinna być w stanie komunikować się z każdym urządzeniem certyfikowanym w Matter. Niestety nie oznacza to, że każda aplikacja mobilna będzie w stanie graficznie wyświetlić odpowiedni kafelek do obsługi każdego dostępnego typu urządzenia. Pozytywną informacją jest to, że obecnie Matter wspiera około 40 rodzajów urządzeń, a pula ta będzie prawdopodobnie systematycznie rozszerzana w ramach kolejnych wersji standardu, których publikacje są planowane co pół roku.

Podsumowując, idea, jaką kieruje się projekt Matter wydaje się przynosić wymierne korzyści wszystkim zainteresowanym stronom, począwszy od różnego rodzaju producentów związanych ze światem smart home, a na użytkownikach skończywszy. Od momentu pierwszej publikacji projekt cieszy się bardzo dużym i wciąż rosnącym zainteresowaniem. Dodatkowo jego popularność i otworzenie wielu praktycznych przykładów użycia napędza wiele nowych inicjatyw w związanych z nim standardach, jak Thread czy Wi-Fi 6, co przekłada się na poprawę jakości tych rozwiązań.

Powszechne wsparcie ze strony znanych gigantów rynkowych zaangażowanych w projekt w znacznym stopniu zwiększa zasięg projektu i umacnia jego pozycję na rynku. Czy więc Matter ma szanse zrewolucjonizować rynek smart home? W moim odczuciu Matter już to zrobił.