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:
- Уровень передачи сигналов определяет протоколы для связи. В полной модели OSI это физический и канальный протоколы.
- Уровень сообщений задаёт технологии для обмена сообщениями. В OSI за это отвечают транспортный и сетевой протоколы.
- 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:
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: высокую 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:
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.
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.
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:
