Wie der Matter-Standard dem Smart Home zur Expansion verhilft

Matter schafft als Smart-Home-Standard eine herstellerübergreifende Grundlage für die Vernetzung von Geräten im Haushalt und in intelligenten Gebäuden. Der Standard legt eine gemeinsame Basis für die Steuerung von Smart-Home-Produkten, sodass dasselbe Gerät in verschiedenen Systemen funktionsfähig ist. Beispielsweise arbeitet ein Gerät, das auf Amazon Alexa hört auch mit dem Apple HomeKit, Samsung SmartThings, dem Google Assistant und anderen kompatiblen Lösungen zusammen.

Wie entstand der Matter-Standard und wer unterstützt ihn?

Der Grundstein für die Entwicklung des Matter-Standards wurde schon im Dezember 2019 gelegt, als unter anderem Amazon, Apple, Google sowie die Zigbee Alliance eine Initiative namens CHIP (Connected Home over IP) gründeten. Seit Mai 2021 heißt CHIP nun Matter. Nach zwei pandemiebedingten Verschiebungen wurde Matter 1.0 am 4. Oktober 2022 veröffentlicht, am 3. November 2022 erfolgte der offizielle Launch.

Mit dem Start des neuen Smart-Home-Standards kündigten auch die ersten Hersteller kompatible Produkte bzw. Produktupdates an. Dazu gehören SmartThings, die mit einem Software-Update bereit für Matter-Produkte sind. Auch Apple machte seine Betriebssysteme fit für den neuen Standard. Der deutsche Hersteller Ubysis begann im Dezember mit der Auslieferung eines Software-Updates für sein Gateway G1. Das Gateway ist damit eine Matter-zertifizierte Zigbee-Bridge – und wohl eines der ersten Geräte im neuen Standard überhaupt. Auch das Google-Ökosystem akzeptiert Matter-Geräte (zur Installation ist ein Android-Smartphone notwendig) und Amazon updatet 17 Echo-Modelle für den Matter-Standard. Außerdem wird auch die Alexa-App für Android aktualisiert, sodass die Inbetriebnahme von Matter-Geräten per Smartphone möglich ist. Ebenso kündigte Bosch seine Unterstützung für Matter an und stellte Ende 2022 einen entsprechenden Controller vor.

Der Matter-Standard bietet vier hauptsächliche Vorteile: eine lokale Verbindung, Thread als Funkverbindung, eine einfache Installation und mit Secure by Design inhärente Sicherheit und Datenschutz.

Der Standard regelt nicht nur die Kommunikation zwischen den einzelnen Geräten im Smart Home, sondern definiert auch, wie diese ihre Steuerbefehle erhalten. Dazu ist üblicherweise jedoch eine Cloud-zu-Cloud-Verbindung notwendig, die stark von einer bestehenden Internetverbindung abhängig ist. Neben Datenschutzbedenken bei Cloud-zu-Cloud-Verbindungen ist auch diese Abhängigkeit vom Internet kritisch zu betrachten. Fällt die Verbindung aus, funktioniert die Steuerung nicht mehr. Matter-kompatible Systeme steuern lokal im Netzwerk, die Verbindung zu Hersteller-Clouds ist nur noch optional. Das heißt im Klartext: Ein matter-kompatibles Gerät muss für Apps und Smart-Home-Steuerzentralen im heimischen Netzwerk erreichbar sein, ohne dafür einen Umweg über das Internet zu gehen. Schwierig gestaltet sich dies derzeit noch für Sprachassistenten. Versuche, diese unabhängiger vom Internet zu machen, befinden sich noch in der Entwicklung. Damit Anbieter aber auch eigene Funktionen verwirklichen können, sieht der Standard die Cloud-Dienste der Gerätehersteller als zusätzliche Option vor.

Neben den Verbindungstechnologien LAN (Ethernet) und WLAN sieht Matter das Funkprotokoll Thread für die Kommunikation vor. Besonders bei batteriebetriebenen Anwendungen kann Thread aufgrund seines geringen Energieverbrauchs zum Senden und Empfangen punkten. Außerdem ist Thread Mesh-fähig, sodass Geräte untereinander Funkverbindungen aufbauen können. Mit dem Stromnetz verbundene Geräte dienen damit zusätzlich als Repeater und können weiter entfernte Punkte einbinden.

Das ändert sich mit Matter: Einfache Installation und hohe Sicherheit

Um die Hürde für Smart-Home-Anwendungen für den Verbraucher zu senken, soll ihre Inbetriebnahme so schnell und einfach umsetzbar sein, dass sie sich ohne Vorkenntnisse installieren lassen. Die App auf dem Smartphone dient dabei als Assistent, der Schritt für Schritt durch das Onboarding führt. Zertifizierte Geräte verfügen dafür über einen Code, der alle notwendigen Informationen für eine verschlüsselte Verbindung enthält. Geräte, die sich per WLAN mit einem Router verbinden, erhalten so automatisch ihre Zugangsdaten per Bluetooth vom Smartphone. Dank der Standardisierung soll dies in Zukunft herstellerübergreifend auf allen Systemen funktionieren, die Matter unterstützen.

Bereits bei der Entwicklung von Matter wurden verschiedene Sicherheitsanforderungen berücksichtigt, d. h. der Standard ist Secure by Design. Der Schutz stützt sich auf drei Säulen: vertrauenswürdige Geräte, sichere Steuerung und abhörsichere Kommunikation. Basis all dieser Technologien ist eine sichere Verschlüsselung. Noch mehr Details erhalten Sie auf der unabhängigen Info-Seite zum Smart-Home-Standard www.matter-smarthome.de.

Die Matter-Spezifikation der CSA beschreibt als Ziel des Standards, ein universelles IPv6-basiertes Kommunikationsprotokoll für Smart-Home-Geräte zu entwickeln. Das Protokoll definiert die Anwendungsschicht, die auf den Geräten eingesetzt werden soll, sowie die verschiedenen Schichten, um die Interoperabilität zu gewährleisten. Die Architektur ist in Schichten unterteilt, um die verschiedenen Zuständigkeiten zu trennen und ein gutes Maß an Verkapselung zwischen den verschiedenen Teilen der Protokoll-Stacks einzuführen. Die überwiegende Mehrheit der Interaktionen fließen durch den Stack.

Die Anwendungsschicht entspricht dabei der übergeordneten Funktionslogik eines Geräts. Zum Beispiel könnte eine Anwendung, die sich auf Beleuchtung konzentriert, eine Logik für das Ein- und Ausschalten einer Lichtquelle sowie über deren Farbeigenschaften enthalten. Die Datenmodellebene entspricht den Daten-Elementen, die die Funktionalität der Anwendung unterstützen. Das Interaktionsmodell definiert eine Reihe von Interaktionen, die zwischen einem Client- und einem Servergerät anfallen. So entspricht beispielsweise das Lesen oder Schreiben von Attributen auf einem Servergerät dem Anwendungsverhalten auf dem Gerät. Diese Interaktionen wirken auf die Elemente, die in der Datenmodellschicht definiert sind.

Datenverarbeitung und -transport im Detail

Sobald eine Aktion unter Verwendung des Interaktionsmodells konstruiert ist, wird sie in ein vorgeschriebenes gepacktes Binärformat serialisiert, um sie für die Netzwerkübertragung zu kodieren. Dieser Prozess geschieht in der Action-Framing-Schicht. Dieser „Aktionsrahmen“ wird dann von der Sicherheitsschicht verarbeitet: Die Nachricht wird verschlüsselt und mit einem Nachrichtenauthentifizierungscode versehen. Diese Maßnahmen stellen sicher, dass die Daten vertraulich und authentisch zwischen Sender und Empfänger bleiben. Nachdem eine Interaktion serialisiert, verschlüsselt und signiert ist, konstruiert die Nachrichtenschicht das Payloadformat mit erforderlichen und optionalen Header-Feldern, die die Eigenschaften der Nachricht sowie die logischen Routing-Informationen enthalten.

Ist die Nutzlast erstellt, wird sie an das zugrundeliegende Transportprotokoll zur IP-Verwaltung der Daten gesendet. Sobald die Daten auf dem Peer-Gerät empfangen wurden, wandern sie den Protokollstapel hinauf, wobei die verschiedenen Schichten die vom Absender durchgeführten Operationen an den Daten rückgängig machen, um die Nachricht schließlich an die Anwendung zu liefern. Zusätzlich zu den beschriebenen Datenflüssen definiert die Spezifikation sichere Protokolle für den Sitzungsaufbau auf der Grundlage von Betriebszertifikaten oder Passcodes, die Gruppenkommunikation, ein Massendatenübertragungsprotokoll (BDX) sowie Bestimmungen für die Definition von herstellerspezifischen Protokollen.

Grundsätzlich eignet sich jedes IPv6-tragende Netz für den Einsatz von Matter, sofern es einige grundlegende IPv6-Standards unterstützt. Die Spezifikation konzentriert sich wie schon erwähnt auf die drei Link-Layer-Technologien Ethernet, Wi-Fi und Thread. Der Grund für die Beschränkung der Spezifikation auf diese Technologien liegt darin, dass sie die Bereitstellung dieser Verbindungsschichten angemessen abdecken kann und damit der Testaufwand für die Zertifizierung angemessen begrenzt ist. Matter behandelt Netze als gemeinsam genutzte Ressourcen: Es legt keine exklusiven Netzbesitzer oder –zugänge fest.

Daher ist es möglich, mehrere Matter-Netze über denselben Satz von IP-Netzen zu überlagern. Das Protokoll kann auch ohne ein global routbare IPv6-Infrastruktur funktionieren. Diese Anforderung ermöglicht den Betrieb in einem Netz, das vom globalen Internet getrennt ist oder über eine Firewall verfügt. Es ermöglicht auch den Einsatz in Situationen, in denen der Internet-Dienstanbieter IPv6 entweder nicht unterstützt oder wo die Unterstützung aus anderen Gründen eingeschränkt ist, z. B. wenn der delegierte Prefix nicht alle Netze und Geräte in den Räumlichkeiten aufnehmen kann. Auch unterstützt das Protokoll die lokale Kommunikation über ein oder mehrere IPv6-Subnetze hinweg. Netze, die eine Fabric unterstützen, können ein Wi-Fi-/Ethernet-Subnetz oder eine oder mehrere Low-Power- und verlustbehaftete Netze (LLN) umfassen. In der hier beschriebenen Version der Matter-Spezifikation ist Thread der unterstützte LLN-Standard.

Aus Sicht eines Herstellers hilft der Matter-Standard dabei, die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit des Stacks für seine Implementierungen zu gewährleisten. Hersteller von Smart-Home-Geräten können ihre Entwicklungen beschleunigen, indem sie die Technologie für die Kommunikation nutzen. Sie haben dadurch mehr Zeit für die Entwicklung ihrer spezifischen Anwendungen, um das Erlebnis für den Endverbraucher zu verbessern. Zusätzlich sorgt Matter für einen geringeren Stromverbrauch und erhöhte Sicherheit bei Smart-Home-Anwendungen.

Mehr als 280 Unternehmen haben mit der CSA den strategisch wichtigen Matter-Standard entwickelt. Dazu gehören auch Halbleiterhersteller, die zügig ihre Matter-kompatiblen Chips vorstellten. Dazu gehörte unter anderem der Hersteller NXP, der die RW612- und K32W148-Komponenten als Ergänzung seines End-to-End-Matter-Angebots präsentierte. Durch die native Unterstützung von Matter, die Multiprotokoll-Fähigkeit von K32W148 und die Tri-Radio-Fähigkeiten des RW612-Bausteins soll es für Entwickler einfacher werden, Matter-Funktionen in Smart-Home-Geräte zu integrieren.

RW612 ist eine drahtlose MCU mit drei Funkmodulen, die gleichzeitige Multiprotokoll-Unterstützung für Wi-Fi 6, Bluetooth Low Energy 5.3 und 802.15.4 bietet und auch Thread oder Zigbee unterstützen kann. Sie zielt auf Smart-Home-Geräte wie Thermostate, Garagentoröffner, Türschlösser, IP-Kameras, Staubsaugerroboter oder intelligente Haushaltsgeräte ab. RW612 nutzt ein integriertes Tri-Radio und Edge-Processing-Funktionen der EdgeVerse-i.MX-RT-Crossover-MCU-Familie. Es verfügt über ein Arm-Cortex-M33-MCU-Subsystem mit TrustZone-M.

Die drahtlose MCU K32W148 bietet Multi-Protokoll-Fähigkeit über Thread, Bluetooth Low Energy 5.3 und Zigbee für smarte Steckdosen und Beleuchtungskörper sowie smarte Geräte und Sensoren mit niedrigem Stromverbrauch. Außerdem lassen sich Router, Hubs und Bridges für den Heimgebrauch einfach um eine Thread- und Zigbee-Unterstützung erweitern. Die Multiprotokoll-Fähigkeit reduziert die Kosten und reduziert das Antennendesign auf eine einzelne Antenne. K32W148 ist mit getrennten Funk- und Sicherheits-Ausführungsumgebungen ausgestattet, um den Arm-Cortex-M33-Hauptkern und den Speicher für die eigentlichen Anwendungen zu entlasten.

Auch Infineon bietet Matter-Lösungen für das vernetzte, intelligente und gesicherte Smart Home. Die Kombination von PSOC-6x-ULP-MCUs und AIROC-CYW43xx-Bluetooth/Wi-Fi-SoCs unterstützt eine zuverlässige Implementierung von Matter-over-Wi-Fi-Edge-Geräten mit geringem Stromverbrauch. Die Bereitstellung erfolgt über Bluetooth bzw. Bluetooth Low Energy. Das Multiprotokoll-Hochleistungs-SoC AIROC CYW30739 (Bluetooth Low Energy 5.3, IEEE 802.15.4) ist Thread-1.3-zertifiziert und schafft damit die Grundlage für Matter-over-Thread-Geräte. Matter-kompatible OPTIGA-Sicherheitslösungen lassen sich unkompliziert in eingebettete Systeme integrieren, um Vertraulichkeit, Integrität und Authentizität von Informationen und Geräten zu schützen.

Bei Texas Instruments unterstützen insbesondere die drahtlosen MCUs CC3235SF und CC262652R7 den Matter-Standard. Mit ihnen lassen sich sichere IoT-Anwendungen mit geringer Stromaufnahme für die Heimautomation entwickeln, die sich nahtlos mit Geräten in proprietären Ökosystemen verbinden lassen. Mit den SimpleLink-Wireless-MCUs können Entwickler den Standby-Stromverbrauch in Thread-Anwendungen reduzieren und damit die Batterielebensdauer der IoT-Lösungen auf bis zu vier Jahre verlängern.

Renesas kündigte an, dass es Matter-Unterstützung für alle zukünftigen Wi-Fi, Bluetooth-Low-Energy- und IEE-802.15.4-Produkte anbieten wird, einschließlich der Produkte aus den kürzlich übernommenen Unternehmen Dialog Semiconductor und Celeno Communications. Das DA16200-SoC ist ein Wi-Fi-Baustein, der eine Batterielebensdauer von mehr als einem Jahr für ständig verbundene Wi-Fi-IoT-Geräte bietet.

Zu den Matter-kompatiblen Produkten gehören unter anderem auch die EFR32BG1-Series-1-SoCs von Silicon Labs, die es Entwicklern auch ermöglichen, Boot-Images zu verschlüsseln und zu authentifizieren.

Entwicklungs-Kits für den schnellen Einstieg in Matter

Um Entwicklern den Einstieg in die Arbeit mit Matter zu vereinfachen, bieten viele Hersteller die entsprechenden Entwicklungs-Kits an. Die Matter-Entwicklungsplattformen von NXP nutzen handelsübliche Evaluierungsboards und Tools. Die Entwicklungsplattformen bieten ein dediziertes EdgeLock-Secure-Element und einen sicheren Authentifikator und stellen somit umfassende, sofort einsatzbereite Sicherheitsfunktionen für Matter zur Verfügung, einschließlich der Bereitstellung von Matter-Gerätezertifikaten und Anmeldeinformationen.

Bei Infineon ist das PSOC-62S2-Wi-Fi-BT-Pioneer-Kit erhältlich, das Entwicklern dabei hilft, zuverlässige Matter-over-Wi-Fi-Lösungen zu entwickeln und diese schnell auf den Markt zu bringen. Besonders zur Verkürzung der Markteinführungszeit kommt hier die Entwicklungsplattform ModusToolBox zum Einsatz. Bei Renesas ist das DA16200-Ultra-Low-Power-Wi-Fi-Modules-Development-Kit das erste Produkt, dass das Matter-Protokoll unterstützt. DA16200 unterstützt Renesas Quick Connect IoT durch das Ultra-Low-Power-Wi-Fi-Pmod-Board. Der Baustein ist vollständig in das e2-Studio von Renesas integriert und ermöglicht eine einfache Systementwicklung.

Zusammenfassung und Ausblick

Der Matter-Standard hilft dem Smart Home auf die Sprünge, indem er Hürden bei der Installation und bei der Zusammenarbeit unterschiedlicher Systeme abbaut, mit lokaler Netzwerkanbindung die Funktionen des intelligenten Hauses auch bei Internetausfall sicherstellt und auch Cybersecurity-Risiken adressiert. Laut ABI Research sollen bis 2030 jedes Jahr mehr als 1,5 Milliarden Geräte mit Matter-Zertifizierung ausgeliefert werden. Das Smart Home bietet ein hohes Potenzial für die Senkung des Energieverbrauchs, hilft aber auch einer immer älter werdenden Gesellschaft durch Assistenten dabei, noch länger selbständig und komfortabel im eigenen zu Hause zu bleiben. Das Matter-Symbol wird damit allgegenwärtig.