Matterネットワークとそのエコシステムを使用したブリッジングの仕組み
スマートホームのスマートデバイスと呼ばれるインターネットに接続されたデバイスを利用して、暖房や照明などの家電製品やシステムを遠隔管理します。
ユーザーはこれらのスマートデバイスにアクセスして、さまざまなホーム機能を制御、自動化、最適化できます。これらのデバイスは、Wi-Fi、Thread、またはBluetooth経由でスマートフォンやタブレットに接続できます。
Connectivity Standards Alliance（CSA）によって開発されたMatterプロトコルは、スマートホームデバイス向けのユニバーサルで安全な接続標準です。インターネットプロトコル（IP）に基づいており、デバイス接続用のWi-Fi、イーサネット、Threadテクノロジーをサポートしています。Matterはシンプルさ、信頼性、セキュリティを考慮して設計されており、デバイス同士やクラウドと対話するための標準アプリケーション層を提供します。Matterは、エンドツーエンドの暗号化、デバイス認証、簡単なオンボーディングも提供します。Alexa、Siri、Google Assistantなどの音声アシスタントと互換性があり、照明、ロック、カメラ、サーモスタットなど、さまざまなタイプのデバイスをサポートします。
図1：デバイス間の相互運用性を示すMatterの接続性（ソース）
Matterは、スマートホームエコシステムを統合するために設計されたオープンソースのロイヤリティフリー接続規格です。これにより、異なる製造業者のデバイスがシームレスに連携できるようになります（図1参照）。Matterは、エコシステム間の互換性と使いやすさを約束しており、スマートホームソリューションを作成する開発者にとって魅力的な選択肢です。
Matterは、よく知られた暗号プリミティブを使用する強力な暗号化スイートに基づいて構築されています。セキュリティとプライバシーは、IoTデバイスユーザーにとって重要な懸念事項であり、Matterは、安全なIoTデバイスの基盤として、強力で、レジリエントで、実装しやすいアーキテクチャを提供することで、これらの問題に対処します。Matterの主な目標は、プラットフォームの互換性を判断する必要性を排除し、消費者の家庭にスマートデバイスを追加するプロセスを簡素化することです。
Matter開発における重要な考慮事項：
- デバイスの互換性：選択したハードウェアとソフトウェアが、Matter標準と互換性があることを確認してください。
- 安全：デバイスとユーザーデータを保護するために、堅牢なセキュリティ対策を実装します。
- 相互運用性：他のMatter対応デバイスでデバイスをテストし、シームレスな通信を確認します。
- ユーザーエクスペリエンス：消費者にとってユーザーフレンドリーな体験を優先します。
- 認証：デバイスが規格に準拠していることを確認するには、Matter認証を取得してください。
Matterネットワークアーキテクチャ
Matterデバイスは、ハードウェアプラットフォーム上で実行されるMatter対応のソフトウェアスタック（図2のイラスト参照）上のアプリケーション層を使用します。このプラットフォームは通常、セキュアなMCUまたはSoCで構成され、セキュアな要素が付属している場合もあります。他のソフトウェア層からアクセスできるAPIを通じて重要なセキュリティサービスを提供します。これらのサービスには、暗号プリミティブ、乱数生成、安全な暗号化キーの保存、改ざん防止が含まれます。プラットフォームの攻撃に対する耐性はさまざまです。
図2：Matterアプリケーションインターフェース層（ソース）
Matterネットワーク内のメッセージは、TCP/IPやUDPなどの標準インターネットプロトコルと、IPv6アドレッシングを使用してIoTデバイスやエコシステムによって送受信されます。これらのメッセージは、Wi-FiやThreadネットワークを介してMatter対応製品に送信され、Bluetooth LEによりスマートフォンを介してノードの追加が容易になります。Matter製品はシームレスな統合を実現するように設計されており、Matter APIを使用する他の製品やエコシステムとのプラグアンドプレイ機能を実現します。
Matterのエコシステム
Matterの戦略は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、スマートホームエコシステムなどの組み込みデバイス向けのアプリケーションソフトウェアの開発に重点を置いています。これには、クラウドサービス、スマートフォン、ハブ、スピーカー、Matterコントローラが含まれます。現代の民生用電子機器はますますソフトウェア定義になり、クラウドエコシステム内で動作し、コントローラやスマートフォンアプリを通じてローカルで対話するようになっています。GitHubで入手可能なオープンソースのMatterソフトウェアスタックは、さまざまなサプライヤーのハードウェアプラットフォームと事前に統合されており、開発者による迅速な開発と進歩を可能にします。現在、Matter対応のエコシステムは4つあります。Amazon Alexa、Google Home、Apple Home、Samsung SmartThingsです。Matterの価値提案の基盤は相互運用性であり、Matterロゴが付いたデバイスは他のすべてのMatterデバイスとシームレスに動作することを保証します。
Matter Fabricは、そのドメイン内で相互に識別および通信できるノードのコレクションを含むセキュリティドメインを表します。各Matter Fabricは、ファブリック内の各ノードに一意のノードIDを割り当て、ドメインに一意のファブリックIDを割り当てます。Matterデバイスは複数のMatter Fabricに属することができ、それぞれのファブリックは通信先のファブリックに応じて異なるノードIDとファブリックIDに関連付けられます。
Matterのエコシステムには、Matterデバイスのグループを管理して統合されたデバイス、「ファブリック」を作成する管理ドメインマネージャー（ADM）が含まれています。このファブリックは、共有された運用資格情報、統合された名前空間、および永続的なデバイスバインディングによって接続された信頼性の高いデバイスで構成されます。ユーザーの観点から見ると、ADMはMatterの管理コントロールパネルとして機能します。コントローラは、通常、スマートフォン、タブレット、タッチスクリーンパネル、スマートスピーカー、ビデオハブ、AV機器などの一般的な民生用電子機器であるローカルデバイス上で動作するソフトウェアコンポーネントです。
図3：Matterデバイスと非Matterデバイスの接続を示す図（ソース）
図3では、それぞれのホームエコシステムが、信頼のルート、運用資格情報、名前空間、デバイスバインディング、ユーザーインターフェース、運用手順で構成される独自のファブリックを形成していることがわかります。Matterの「マルチ管理者」機能により、複数のエコシステムの共存が可能になり、異なるエコシステム間で同じデバイスを同時に使用できるようになります。ただし、マルチ管理者仕様は、複数のエコシステム固有のMatterファブリックを作成するための基本のみをカバーしており、それらの間のシームレスな相互作用は保証されません。すべてのMatterエコシステムは、デバイスのオンボーディング、ファブリックの作成とメンテナンス、デバイスのオン/オフ、照明の調光、ドアのロック解除などの標準的な操作を含むデバイス制御などの日常的なタスクを実行します。これらの汎用的な機能にもかかわらず、多くの製品企業は、電話、クラウドサービス、Matterコントローラ上でカスタムアプリケーションコードを必要とする特殊なコントロールを開発することで付加価値を高めたいと考えています。各エコシステムは、これをサポートするMatter機能を使用してソリューション固有のアプリを構築するための豊富なAPIを提供します。
Matterと非Matterテクノロジーのブリッジング
スマートホームは、Wi-FiまたはThreadテクノロジーをベースにした接続デバイスを活用し、それぞれがMatterネットワーク内で特定の役割を果たします。これらのデバイスは、Wi-Fi、イーサネット、Threadなどのネットワーク通信プロトコルと互換性があり、動作にはBluetooth® Low Energyテクノロジーが必要です。エンドデバイスは最終的なアプリケーションを実行する役割を担い、ルーターまたはブリッジは異なるプロトコル間のデータ転送を容易にします。
現在ZigBeeをサポートしている多くのIoTデバイスはMatterとも互換性があります。サポートするインフラストラクチャには、MatterベースとZigBeeベースのデバイス間のシームレスな通信を確保するためのブリッジソリューションが必要です。ブリッジデバイスは通常、高性能MCUとイーサネット機能を統合し、さまざまな接続製品を接続します。Matter Bridgeは、多くのIoTデバイスでサポートされているZigBee、Bluetooth® Mesh、Z-Waveなどの他のテクノロジーにも拡張されます。
図4：Matterと非Matterテクノロジーのブリッジング（ソース）
図4では、スマートフォンやタブレットなどのコントローラが、Bluetooth Low Energyを介してエンドデバイスをMatterネットワークに接続している様子が示されています。デュアルインフラストラクチャをサポートするには、高性能MCUとイーサネット機能を統合したソリューションが必要です。デュアルコアMCUは、Matter層を埋め込み、Zigbeeプロトコルとの間で変換するのに最適です。デバイス製造業者は、Matterデバイスの使いやすさと機能性が損なわれないように、デバイスのリスクと脅威の分析に基づいてプラットフォームのセキュリティを選択できます。コスト、セキュリティサービス、攻撃に対するレジリエンスなどの面でニーズに合ったプラットフォームを選択できるため、コアセキュリティサービスについてはプラットフォームに依存しながら、アプリケーション層の開発に集中できます。このモジュール式のアプローチにより、プラットフォームベンダーは、デバイス製造業者への影響を最小限に抑え、ユーザーエクスペリエンスを中断することなく、暗号化スイートの更新や堅牢性要件を管理できるため、保守性も向上します。製造業者は、Matter対応のハードウェアプラットフォームを使用することも、より汎用的なプラットフォームに低レベルのセキュリティ機能を実装することもできます。
Thread経由のMatterとWi-Fi経由のMatter - Silicon Labsを使用したユースケース
この図は、Matter + OpenThread（Matter Hubとアクセサリデバイス）とMatter + Wi-Fi（アクセサリデバイス）のハードウェアセットアップを示しています。Matter MCUには、EFR32MG24/MG26から始めることをお勧めします。これはMatter Hub RCPおよびアクセサリデバイスを含んでいます。このMCUはSecure Vaultを提供し、アップグレードされたイメージを内部フラッシュメモリに保存できるため、Thread経由のMatterとWi-Fi経由のMatterの実行に最適です。
a. EFR32無線ボードを使用する
b. SiWx917を使用する
図5：Matter + OpenThreadおよびMatter + Wi-Fiのセットアップ（ソース）
図5では、Silicon Labsが2つのボードを使用して、Wi-Fi経由のMatterのデモを開発しました。Matterコード用のSilicon Labs EFR32無線ボードと、Wi-Fiプロトコルスタック用のSiWx917または別の指定ボードです。SoCモードのデモでは、周辺機器とアプリケーション関連の処理用のMCUを統合し、シングルチップパッケージでWi-Fi経由でのMatterをサポートするSiWx917 SoCボードを使用します。
セットアッププロセスには、ライト、スイッチ、Matterハブのシンプルなネットワークの作成が含まれます。これには、ハードウェアとソフトウェアのセットアップ、Raspberry PiでのMatterハブの作成、ライトとスイッチのアプリケーションのコンパイルと2つのSilicon Labs開発ボードへのロード、Matterアクセサリデバイス（MAD）とMatterハブを使用したMatterネットワークの作成、Matterハブを介したライトのテスト、スイッチMADとライトMADのバインドが含まれます。要件は両方のデモに共通です。Threadのデモでは、Matterハブの一部として無線コプロセッサ（RCP）も必要です。関連する手順は以下のとおりです。
- ハードウェアとソフトウェアをセットアップします。
- Raspberry PiでMatterハブを作成します
- ライトとスイッチのアプリケーションをコンパイルし、2つのSilicon Labs開発ボードにロードします。
- MADとMatterハブを使用してMatterネットワークを作成します
- Matterハブを通してライトをテストします
- スイッチMADをライトMADにバインドします。
Wi-Fi経由のMatterとThread経由のMatterをデモンストレーションするには、Simplicity Studio、2つのEFR32MG24ベースの開発ボード、およびMatterハブとしてのRaspberry Piを備えたシンプルな開発環境が必要です。Matterハブには、Raspberry Pi 4Bと高速64GB SDカードが必要です。Wi-Fi経由のMatterのアクセサリデバイスには、NCPモード用のSilicon Labs EFR32無線ボードとSoCモード用のSiWx917 SoCボードが含まれます。統合されたMCUはMatterの周辺機器およびアプリケーション関連の処理専用であり、ThreadArch®はワイヤレスおよびネットワークプロトコルスタックを実行します。
デモンストレーションの詳細については、こちらをクリックしてください。
Matterがサポートする製品
Matterを最大限に活用するには、開発者は標準化されたツール、SDK、専用の開発ボードを必要とします。大手半導体メーカーは、開発プロセスを合理化し、Matter標準との互換性を確保するために、開発ボードやソフトウェアツールなどの包括的なソリューションを提供しています。
Infineon、Microchip、Nordic Semiconductor、ST microelectronics、Renesas solution、NXPから入手可能なサポート対象製品のリスト。
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