Как работает Matter и другие протоколы умного дома
easy

Как работает Matter и другие протоколы умного дома

И почему нельзя всё подключить по Wi-Fi

Недавно Яндекс объявил, что некоторые Станции теперь поддерживают не только протокол Zigbee, но и новый протокол Matter. Разбираемся, что это за протоколы и зачем их столько.

Немного вспомним теорию

Протокол — набор правил общения между устройствами: как открывать и закрывать соединение, как передавать данные, что делать при ошибках. Благодаря общим протоколам устройства могут общаться друг с другом.

Интернет вещей — общее название для устройств, которые могут обмениваться информацией друг с другом. Это умные розетки, лампочки, замки, холодильники, часы, фитнес-трекеры и вообще всё, что может выходить в сеть.

Умный дом — связка устройств, которые работают вместе и управляются из одного приложения или одним устройством, например умной колонкой.

Какие протоколы нужны для умного дома

Технические особенности устройств определяются набором протоколов, который называется стандартом или моделью. В интернете вещей используется модель OSI. Полная модель включает 7 уровней протоколов, но для простоты мы поделим их на три:

  1. Уровень передачи сигналов определяет протоколы для связи. В полной модели OSI это физический и канальный протоколы.
  2. Уровень сообщений задаёт технологии для обмена сообщениями. В OSI за это отвечают транспортный и сетевой протоколы.
  3. Прикладной уровень устанавливает способ связи по сети для разных устройств. На этом же уровне проходит взаимодействие с пользователем.

Все протоколы, которые мы будем разбирать, — на самом деле стандарты по шаблону модели OSI. В каждом из них по 7 уровней протоколов.

Самые популярные современные стандарты на уровне передачи сигналов используют одни и те же протоколы: IEEE 802.15.4 PHY для физических параметров связи и IEEE 802.15.4 MAC — для регулировки канала.

Разберём, что это такое:

  • IEEE расшифровывается как Institute of Electrical and Electronics Engineers (Институт инженеров электротехники и электроники). Это общественная организация инженеров, которые разрабатывают стандарты для электронных устройств.
  • 802.15 — группа стандартов беспроводных персональных сетей WPAN для разных приложений. Например, 802.15.1 — это Bluetooth.
  • 802.15.4 — крупная категория WPAN с низкой скоростью передачи данных.
  • PHY и MAC — это два раздела одной категории сетей, где PHY определяет условия беспроводного соединения, а MAC — правила обработки данных.

Схемы объединения устройств в одну сеть

Для понимания работы моделей умного дома нужно разобрать два разных способа объединения устройств в единую сеть:

  • Сеть по схеме «звезда» — в центре одно главное устройство, остальные подключены к нему. Так работают Wi-Fi и Bluetooth.
  • Ячеистая сеть, или Mesh-сеть, — устройства могут объединяться друг с другом. Такая сеть надёжнее и может масштабироваться. Для управления умным домом в ячеистой сети нужно устройство, которое будет выполнять роль хаба, или контроллера. Для этого подойдут специальные устройства-хабы, умные колонки и некоторые другие устройства. Например, хабом может быть умная видеокамера. Так работают все стандарты, придуманные для умных домов.

Вот, как это выглядит:

Схемы объединения устройств в одну сеть

Какие были стандарты и почему они не подходили

Главной проблемой умного дома была невозможность наладить единую систему: слишком много устройств даже от одного производителя, которые говорят на разных языках. Так получалось, потому что ни один стандарт не подходил под универсальный. 

Моделей было несколько.

Стандарт Z-Wave появился в 1999 году. Это проверенный временем вариант, безопасный и энергоэффективный, но закрытый до 2019 года. Из-за этого устройств под эту модель было мало и стоили они дорого. А ещё он работает на разных частотах в разных странах, и его устройства часто плохо совместимы, даже если они одного бренда.

Zigbee взял плюсы от Z-Wave и при этом изначально был открытым. Поэтому устройств под него много и они дешевле. Устройства на нём от одного бренда работают между собой отлично. Но при подключении между устройствами разных производителей часто начинаются проблемы, потому что сертификация Zigbee слишком лояльная и выдаётся без строгих проверок соответствия стандарту.

Bluetooth и Wi-Fi создавались для другого. Оба этих протокола потребляют много энергии, что неудобно для устройств на батарейках. К тому же и Bluetooth, и Wi-Fi работает по схеме сети-звезды, поэтому плохо подходят для организации систем на больших пространствах. При этом Wi-Fi иногда используется, если нужна хорошая скорость интернета для передачи потоковых данных, например для умных видеокамер.

Стандарт Thread появился в 2014 году и собрал все лучшие черты более старых моделей: низкую энергоэффективность, надёжное шифрование данных по модели AES и работу по ячеистой сети. Главным плюсом стала возможность подключения к интернету и облакам через специальный интернет-протокол для маломощных сетей 6LoWPAN. С Thread можно использовать датчики и другие устройства, которые работают от батареек, и они будут работать долго.

Но у Thread полностью отсутствует прикладной уровень для общения между разными программами. Поэтому по умолчанию одно устройство Thread не может общаться с другим даже от того же бренда. Чтобы подружить разные устройства, производителю нужно заранее позаботиться и одинаково настроить для них связь по сети.

Zigbee и Thread похожи:

Как работает Matter и другие протоколы умного дома

В итоге:

  • Z-Wave и Zigbee — надёжные, энергоэффективные, но медленные и неудобные для построения единой сети из-за плохой совместимости устройств. Не работают по интернету.
  • Bluetooth и Wi-Fi — потребляют много энергии и неудобны для построения единой сети из-за работы по схеме «звезда». 
  • Thread — быстрый и надёжный, можно работать с интернетом, но построить сеть устройств нельзя в принципе без дополнительных способов общения устройств.

Как появился стандарт Matter и как он устроен

В декабре 2019 года Amazon, Google, Apple, ZigBee Alliance и Comcast объединились для создания одного стандарта для умного дома CHIP, который подойдёт всем. Постепенно к проекту присоединились сотни других компаний, а общий проект стал называться Matter.

В 2023 первые устройства с поддержкой Matter появились за рубежом, а совсем недавно парочка появилась в России.

Как всё работает:

  • Matter полностью повторяет устройство Thread до последнего уровня модели OSI.
  • На прикладном уровне для общения использовали язык из Zigbee, который называется Dotdot. Он позволяет совмещать стандартную технологию общения Zigbee с интернетом и другими дополнениями.
  • Matter поддерживает работу с Wi-Fi, Ethernet и Bluetooth.
  • Устройства, которым нужен быстрый интернет, могут использовать Wi-Fi, а энергоэффективные будут работать через хабы Thread.
  • Все типы устройств могут общаться между собой напрямую через Dotdot, даже когда нет интернета.
  • Для одновременного использования Wi-Fi и Thread понадобятся устройства с поддержкой обоих стандартов — пограничные маршрутизаторы. Это могут быть хабы, умные колонки и некоторые другие устройства.

Как появился стандарт Matter и как он устроен

Что нужно, чтобы всё работало

Вот основные типы элементов умного дома с Matter:

  • Wi-Fi роутер, к которому подключаются хабы и устройства управления.
  • Гаджеты для управления всей системой: умная колонка или смартфон.
  • Пограничный хаб-маршрутизатор для подключения новых устройств и связи между девайсами с разными способами связи: Matter или интернет.
  • Расширители сети — обычно это датчики, работающие в связке с устройствами на батарейках.
  • Девайсы на батарейках, которые чаще всего выполняют конечное действие, например закрывают кран или выключают свет.

Как работает Matter и другие протоколы умного дома

Что делать со старыми устройствами

Старые устройства не нужно выбрасывать, потому что их можно добавить к сети Matter через дополнительные переходники-мосты.

До появления первых Matter-устройств даже говорили, что большинство устройств по другим стандартам обновятся сами и будут поддерживать Matter по умолчанию. Но пока что официальный сайт говорит о том, что нужны мосты даже к ZigBee, который руководит всей разработкой Matter:

Как работает Matter и другие протоколы умного дома

Редактор:

Инна Долога

Обложка:

Алексей Сухов

Корректор:

Ирина Михеева

Вёрстка:

Маша Климентьева

Соцсети:

Юлия Зубарева

Получите ИТ-профессию
В «Яндекс Практикуме» можно стать разработчиком, тестировщиком, аналитиком и менеджером цифровых продуктов. Первая часть обучения всегда бесплатная, чтобы попробовать и найти то, что вам по душе. Дальше — программы трудоустройства.
Начать карьеру в ИТ
Получите ИТ-профессию Получите ИТ-профессию Получите ИТ-профессию Получите ИТ-профессию
Еще по теме
easy