河套 IT TALK 34：无线个域网通信，Matter 会一统江湖吗？

河套 IT TALK 34：无线个域网通信，Matter 会一统江湖吗？

物联网（IoT）和智能家居，是近些年反复被提及的产业领域。根据Investor Presentation的数据，2021年，IoT全球市场规模已经超过了3000亿美金。预计到2026年，这个市场规模会翻倍。而Statista 2023的数据表明：目前全球的物联网设备已经超过100亿台，到2030年，设备数预计会达到300亿台。巨大的市场空间，同样意味着巨大的诱惑。

巨大的利益诱惑，导致这个生态产业里，出现了太多的玩家，千差万别的网络和技术协议栈，让互联互通出现了巨大的障碍，也让很多消费者在产品选择上面临严峻的选择焦虑，特别是在近距离通信领域。今天，就让我们聊聊这个话题。

近距离通信的概念统一

在谈论技术之前，让我们首先就到底啥是近距离通信，先要有一个统一认识。因为各种专业词汇层出不穷，已经到了眼花缭乱的程度：

无线局域网（WLAN）

无线局域网（Wireless Local area network，简称WLAN），这是我们听到最多的一个词儿了。这就是局域网的一种实现方式。WLAN在真实场景中的使用范围，可能很灵活，从几米，几十米，甚至上百米都有可能。可能是覆盖一个房间、楼宇建筑等等。WLAN是LAN的子集，或者说是一种实现途径。WLAN谈到最多的就是IEEE 802.11系列技术，也就是Wi-Fi为主。工作频率不同，技术差异性、工作在室内还是室外，Wi-Fi的覆盖范围也会发生变化，可以从30米到250米不等。

近我网络（NAN）

还有一个词儿叫近我网络（Near-me area network，简写NAN），这是一种应用概念，近我区域强调的是彼此一定距离内的设备之间的通信，但通常不关心设备的确切位置。近我的距离也根据业务场景不同，会有差异，但一般是十几米或者几十米的范围。这里面常用的技术是基于位置敏感（比如GPS）的移动设备之间，再结合广播技术和智能场景识别技术。比如：发现附近好友，在游乐场查询附近设施的排队状况等等。

近场通信（NFC）

近场通信技术（Near-field communication，简称：NFC），通过汉语理解容易混淆，但是英文缩写大家更能清楚理解。可在 4 厘米或更短的距离内实现两个电子设备之间的通信。NFC和感应卡（公交卡）的技术类似。现在主要用在移动支付的场景中。

个域网（PAN）

个域网（Personal area network，简称：PAN），很多时候说的其实是无线个域网( WPAN ) ，这个应该更接近我们今天讨论的概念，也就是连接个人工作生活空间内的电子设备的网络。PAN 提供计算机、智能手机、平板电脑和个人数字助理等设备之间的数据传输。通常，这些设备中有一个会充当网关的角色。PAN可以是无线的，也可以是USB等有线接口传输信息。是一种承载低功耗、短距离无线网络技术。PAN和智能家居，或者无线家庭网络经常混淆，但后者应该是PAN的一个应用场景子集。

个人操作空间（POS）

个人操作空间（Personal Operating Space，简称：POS），是指围绕静止或运动的人的操作区域，一般POS 区域的半径约为 10 米，很多时候，人们经常会把POS和PAN混淆，其实POS更像是一种交互概念。我理解，PAN包含POS，但反之，则不行。

体域网（BAN）

我们还会偶尔听到体域网（body area network，简写：BAN）的概念。也称为无线体域网（WBAN）或者医疗体域网（MBAN），是可穿戴设备的无线网络。BAN可以植入物嵌入体内，也可以固定在身体上，或者佩戴在身体上。BAN在很多时候，也是PAN的一个子集和应用场景。

基于以上的分析，我觉得今天我们谈论的近距离通信网络，用PAN会更加契合一些。

现在活跃在在无线个域网（PAN）领域的技术标准规范五花八门。刀枪剑戟、斧钺钩叉，十八般武艺各显神通，但是也确实晃花了我们的双眼。包括：IrDA、NFC、Bluetooth、Z-Wave、Zigbee、6LoWPAN、Wi-Fi HaLow、CAP、MQTT、XMPP、UWB、Thread和Matter等等。但他们到底有什么差异呢？到底谁会我花开后百花杀，赢到最后呢？今天我们尝试来分析一下。

IrDA

IrDA是红外线数据标准协会（Infrared Data Association）的缩写，这是一家行业驱动的非营利组织。红外通信的技术协议很多，很多厂家都有自己的协议，比如日本电气的NEC格式，飞利浦的RC-5格式。IrDA是50多家公司共同组成的协会，希望针对红外通信给出一整套统一的协议规范。协会在1994年成立。这个组织定义了完整的红外协议栈：

IrDA把红外波长范围约束在850nm至900nm之内，波长相对较短，所以对障碍物衍射能力差，智能适合2米之内的短距离直线通信传输。

IrDA还在谋划一统红外通信的江湖，但是市场是残酷的，人们的焦点已经从红外，转移到了另外一个技术。这个劲敌就是蓝牙。

Bluetooth

蓝牙是1997年，由爱立信和IBM一起搞出来的技术。爱立信贡献了短链路无线电技术，IBM 贡献了逻辑层的专利。次年，Bluetooth SIG成立，IBM和爱立信又拉拢了英特尔、诺基亚和东芝，到现在会员已经发展超过了2万。第一款蓝牙设备于 1999 年问世。2021年，蓝牙的年出货量已经达到47亿台。

蓝牙的传播距离要比红外要长，可以达到10米左右，而且是全方位的，对障碍物衍射能力比红外强很多。蓝牙用的是ISM频段中的2.4GHz，使用跳频扩频技术，将传输的数据分成数据包，并在 79 个指定的蓝牙通道之一上传输每个数据包。每个通道的带宽为 1 MHz。它运用自适应跳频(AFH) ，通常每秒执行 1600 跳。一般用于短距离内在两个设备之间交换数据以及构建个域网(PAN)，通常是移动设备。

蓝牙对应的标准是IEEE 802.15.1。目前蓝牙由1998年成立的蓝牙特殊兴趣小组（Bluetooth Special Interest Group ，简称BSIG) 管理。IEEE 802.15.1定义了物理层 (PHY) 和媒体访问控制(MAC) 规范。蓝牙的协议栈如下：

蓝牙具有主从架构，或者说是星型架构。主设备最多可以与7个设备进行通信，最高速率可以达到24 Mbit/s (Bluetooth v3.0 + HS技术)。在很多场合，蓝牙取代了之前的红外技术。

蓝牙有几个典型的缺陷：1. 蓝牙的频段在2.4G附近，这个频段比较拥挤，容易出现干扰。2. 蓝牙不支持Mesh互联，在组网设备数量上面也不能超过8个。3. 蓝牙的功耗不低，长时间运作还是挺耗电的。

Z-Wave

上文提到的蓝牙的几个缺陷，使得在很多有心部署更为复杂的Mesh组网，房间大一些，数量繁多，但数据传输量又没那么大的传感器运用的智能家居场景中，使用蓝牙就得不偿失了。也是在这种背景下，Z-Wave孕育而生。

Z-Wave是丹麦公司 Zensys于 1999 年开发的。使用低能量无线电波在设备之间进行通信。允许无线控制智能家居设备，例如智能灯、安全系统、恒温器、传感器和智能门锁。现在全球智能家居中有超过 1 亿台 Z-Wave 设备，目前有超过 3,300 种 Z-Wave 认证产品可用。

Z-Wave速度可以达到100kbit/s 的数据速率，提供可靠、低延迟的小数据包传输。传输距离室内50米，室外200米。工作频段在900M附近，避免了和Wi-Fi、蓝牙和其他在拥挤的2.4 GHz频段上的干扰。

Z-Wave是Mesh组网架构。一个 Z-Wave 网络最多可包含 232 个设备。具有Z-Wave LR （长距离）是星型架构，Z-Wave LR单个智能家居网络上最多包含 4,000 个节点。Z-Wave允许桥接网络。消息能够在节点之间跳转四次。

Z-Wave的功耗很低，仅仅是蓝牙的1/10，甚至电池供电的长时间工作。

2005年，Z-Wave 联盟成立，由300多家住宅和商业互联技术市场公司组成，致力于市场开发、技术 Z-Wave 规范和设备认证。Z-Wave的协议栈如下：

为了应对其他技术的竞争，2020年8月，Z-Wave 联盟正式成为一个独立的非营利性标准制定组织，在其新的 SDO 结构下有七个创始成员：Alarm.com、Assa Abloy、Leedarson、Ring、Silicon Labs、StratIS 和 Qolsys。

IEEE 802.15.4

在蓝牙技术出现后，1998年3月，IEEE成立了IEEE 802.15工作组。致力于WPAN网络的物理层(PHY)和媒体访问层(MAC)的标准化工作。目标是为在个人操作空间(Personal Operating Space, 简称POS)内相互通信的无线通信设备提供通信标准。POS一般是指用户附近10米左右的空间范围，在这个范围内用户可以是固定的，也可以是移动的。802.15工作组又分为4个任务组。其中任务组TG4制定了IEEE 802.15.4标准。针对低速无线个人区域网络(Low-Rate Wireless Personal Area Network, LR-WPAN)制定标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之音的低速互连提供统一标准。它规定了LR-WPAN 的物理层和媒体访问控制。协议栈如下：

在网络模型方面，IEEE 802.15.4定义了两个角色，一个是全功能设备(FFD)，另外一个是缩减功能设备(RFD)。前者可以充当网络协调器（Coodinator）的角色，后者不行。FFD是主干，RFD是枝叶。

IEEE 802.15.4首个版本于2003年发布。IEEE这个协议发布后，因为仅定义了物理层(PHY)和媒体访问层(MAC)。在上面开始长出各种分支，也许是IEEE始料未及的。后面的Zigbee、 ISA100.11a、WirelessHART、MiWi、6LoWPAN、Thread和SNAP，都是基于IEEE 802.15.4在上层再进一步扩展标准IEEE 802.15.4 中未定义的层。

Zigbee

物联网产业生态的迅猛发展，即便是Z-Wave的单个组网232个设备，50米的传输距离，也无法满足更为复杂业务场景需求的大公司了。其中的四大巨头：英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司在2002年，IEEE 802.15.4标准还在草案的时候，已经意识到没有网络层和业务层的定义，这个IEEE 802.15.4标准是没有办法去真正实施的，于是抱团取暖，成立了一个新的联盟，取名“Zigbee 联盟”。意图研发下一代PAN的通信标准。Zigbee，顾名思义，源于蜜蜂回到蜂巢后的摇摆舞。Zigbee在组网能力和传输距离上有了质的突变：分别达到了单网最大65536个设备，传输距离最大1000m的指标。

Zigbee是基于IEEE 802.15.4的高级通信协议规范。Zigbee的规范在2005年推出1.0版本。Zigbee定义了物理层和媒体访问控制之上的四个额外的关键组件：网络层、应用层、Zigbee 设备对象(ZDO) 和制造商定义的应用对象。ZDO 负责某些任务，包括跟踪设备角色、管理加入网络的请求以及设备发现和安全性。Zigbee的协议栈定义如下：

Zigbee 网络层本身支持星型、树型网络，以及通用Mesh网状网络。Zigbee设备分为三类：（1）Zigbee 协调器 (ZC)：功能最强大的设备，协调器构成网络树的根，可以桥接到其他网络。（2）Zigbee 路由器 (ZR)：除了运行应用程序功能外，路由器设备还可以充当中间路由器，将数据传递给其他设备。（3）Zigbee 终端设备 (ZED)：仅包含与父节点（协调器或路由器）通信的功能；它无法中继来自其他设备的数据。每个网络都必须有一个协调器设备（ZC）。在星型网络中，协调器（ZC）必须是中心节点。树和网格都允许使用 Zigbee路由器（ZR）来扩展网络级别的通信。

Zigbee有两个硬伤：

  1. 就是不支持IPv6，需要特殊的IPv6网关来进行互联互通。
  2. ZigBee从诞生开始就制订了一套设备控制标准，叫ZCL（ZigBee Cluster Library）。在早期版本的ZigBee协议中，ZCL很不完善，被起步较早的智能家居厂商和其它应用方案商弃用。导致不同的设备厂商的产品互不兼容，甚至这些产品从一开始就要故意设计得互不兼容。随着ZigBee 3.0的推出将ZCL作为必选项，而且芯片厂商也在芯片中强制使用ZCL，但是已经形成生态的设备厂商，仍然处于私利，投入额外花费和研发成本将自己产品做得和其它厂商不兼容，这就导致即便很多小的设备厂商用了ZCL，依然无法互联互通。
6LoWPAN

在Zigbee技术开始起步之后，互联网工程任务组（IETF）看到了它的不支持IPv6的硬伤，决定在IEEE 802.15.4基础上重新设计。于是在2005年成立6LoWPAN工作组。6LoWPAN是“ IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks ”的首字母缩写。创建它的目的是将互联网协议(IP) 应用到最小的设备，使处理能力有限的低功耗设备能够参与物联网。6LoWPAN 组定义了封装、报头压缩、邻居发现和其他允许 IPv6 在基于IEEE 802.15.4的网络上运行的机制。6LoWPAN的协议栈如下：

6LoWPAN技术底层采用IEEE 802.15.4规定的PHY层和MAC层。而在网络层采用IPv6协议。由于IPv6中，MAC支持的载荷长度远大干6LowPan底层所能提供的载荷长度，为了实现MAC层与网络层的无缝链接，6Low-Pan工作组在网络层和MAC层之间增加一个网络适配层，用来完成包头压缩、分片与重组以及网状路由转发等工作。6LowPan支持无状态自动地址配置。IPv6中当节点启动时。可以自动读取MAC地址，并根据相关规则配置好所需的IPv6地址。这个特性对传感器网络来说，非常具有吸引力，因为在大多数情况下，不可能对传感器节点配置用户界面，节点必须具备自动配置功能。6LoWPAN也不想完全和Zigbee隔离，毕竟物理层和链路层是一个协议，于是又做了特殊的网关的设计，以实现和Zigbee的互联互通。

Thread

6LoWPAN标准推出后，并未立即在产业界引起波澜。因为直到2011年2月，互联网号码分配机构(IANA)才将最后一个未分配的 1600 万个 IPv4 地址块分配给了五个地区互联网注册管理机构(RIR)。可以这样说，6LoWPAN这个标准出台过于超前了。直到了2010之后，很多企业才开始意识到Zigbee的局限，而必须要在6LoWPAN基础上真正去钻研开发下一代可实用的技术了。在这种背景下，Thread呼之欲出。2014 年 7 月，由Google旗下Nest Labs牵头，成立Thread Group 联盟，岂在开发和推进基于IPv6的低功耗网状网络技术的产业运用，三星、苹果和高通等都加入了联盟。苹果在2020年，还发布了首款 Thread 产品HomePod Mini 。

和Zigbee相比，Thread 是IP 可寻址的，具有云访问和AES 加密。由于它引入了边缘路由器的技术，解决了互操作性挑战。而且网状网络的路由特质，让它没有单点故障，并且具有自我修复的能力。

Thread的协议栈如下：

Thread 不规定任何特定的应用层协议，这个看似偷懒的做法，其实目的性很强。不去规定，也就意味着，Thread协议可以兼容多个产品制造商应用层的灵活性。比如：RFC  7252中规定的受限应用协议（Constrained Application Protocol，简称CAP），结构化信息标准促进组织OASIS发布的MQTT协议，以及RFC 6120中规定的可扩展消息与存在协议（Extensible Messaging and Presence Protocol，简称XMPP）。

Thread另一个吸引人的点就是BSD许可的开源属性，因此也被称为“OpenThread”。

2014年7月，Thread Group 联盟作为一个行业组织成立，旨在开发、维护和推动采用 Thread 作为物联网应用的行业网络标准。

Matter

Zigbee联盟开始慌了。但是冷静下来后，他们明白，变革始终会到来，与其硬刚可能碰得头破血流之外，还有一个办法，就是结盟和主动示好！或者说主动去拥抱变革。

2019 年12月，由 Zigbee 联盟、谷歌、亚马逊、三星SmartThings和苹果牵头的Connected Home over IP 项目启动了，后来项目直接改名为Matter（It does Matter！）。项目的目标就两个字：和解。具体说来就是简化智能家居产品品牌和制造商的开发，同时提高产品对混合组网的兼容性。

该项目的野心很大，已经不仅仅是拘泥于IEEE 802.15.4（寻找Zigbee和Thread的共识）。他们还向拉拢更多的竞争者入伙。于是底层协议除了IEEE 802.15.4之外，也涵盖了IPv6协议（紧密团结Thread）、 IEEE 802.3（以太网标准）、IEEE 802.11（拉Wi-Fi入伙 ）、IEEE 802.15.1（拉蓝牙入伙），大有一统江湖的意味。而且，Matter软件开发工具包在Apache 许可证下是开源的。

2021年，Zigbee联盟在拿到了Connected Home over IP 项目的运营权基础上，也把自己改名了，叫连接标准联盟（ConnectivityStandard Alliance，简称CSA），这是一次非常成功的品牌升级，实现了华丽转身。

那么Matter的协议栈到底如何呢？

从OSI ( Open System Interconnection 开放式通信系统互联参考模型 ) 来看，Matter 是基于传输层之上的应用层协议。各大巨头参与Matter协议，也就意味着，未来：HomeKit、Google Home、Alexa和Samsung SmartThings等生态，可以实现兼容和互联互通。这确实会给产业界注入一股强心剂。现在越来越多的物联网和智能家居的玩家都开始拭目以待。

Matter现在的规范，可以从连接标准联盟CSA的网站上直接下载。只要输入个人全名、公司名称、电子邮件地址并同意其隐私政策后，可根据要求免费收到Matter规范的邮件：

csa-iot .org /all-solutions /matter/ 

Matter的规范其实正在进行中：

  • Matter 1.0在 2022 年 10 月 4 日发布。规范了照明产品（例如主电源插头、电灯和开关）、门锁、恒温器和供暖、通风和空调控制器、百叶窗和窗帘的支持、家庭安全传感器（例如门、窗和运动传感器），以及电视和流媒体视频播放器。
  • Matter 2.0预计在 2024 年4 月发布。计划包括对机器人真空吸尘器、环境运动和存在感测、烟雾和一氧化碳探测器、环境感测和控制、关闭传感器的支持、能源管理、Wi-Fi接入点、相机和主要电器。
Matter能一统江湖吗？

Matter讲了一个很好的故事，呈现了一个美好的未来，也画了一个很好的路标规划。但Matter真的能一统江湖吗？

  • 首先，作为一个应用层协议，在IEEE802.15.4和IEEE802.11还没有打通的情况下，Matter如果要打通Wi-Fi和蓝牙的互通，还是需要两个协议的桥接设备（边缘网关）。截至2023年1月，只有Apple Home支持Matter桥接设备。如果没有这个Matter Bridge，即便是支持Matter的设备，也无法接入Apple Home。而未来，可以预见到不同厂家的桥接设备之间必然会相互拼杀，因为桥接设备是Matter的关键控制点。
  • 同样逻辑，因为Matter在IP协议上是基于IPv6的，所以让Zigbee和Thread互通，也需要桥接设备。
  • 另外，作为一个应用层协议，是否真的能将应用一统江湖，其实还是存在大量的人机交互的细节需要考虑。以前Homekit有它的App，Google Home也有它的App，现在实现互联互通了，是不是HomeKit上也需要支持所有的Google Home体系下的智能家居产品的交互，交互习惯如何做到相互兼容？反之亦然。如果研发投入和商业价值产出不对等，即便有了Matter，大家也很难真正去100%地拥抱它。逻辑上，可以用一个App完成所有的智能家居的设备控制，问题是，到底是哪一个？哪个厂商准备放弃自己智能家居管理App的开发了吗？
  • 很多大主流智能家居的大厂平台中，都有自己的生态准入策略。有的严一些，有的宽松一些。Matter的认证如果比大厂的认证都严格的话，那生态很难普及开来。如果比很多大厂认证更为宽松，就需要这些严格的大厂，必然要面对，如何应对兼容Matter的问题，是降低身段，准许Matter的认真，还是继续对Matter认证过的产品，继续做自己的平台认证，比如：对于典型的严格认证平台HomeKit和HiLink。这是一个很难立即回答的问题。
  • 还有，作为一个应用层协议，其实Matter目前还没有办法解决Zigbee本身的厂家之间ZCL“品牌壁垒”状况。又或者说连接标准联盟CSA已经完成了华丽转身，并做好了放弃Zigbee的准备？

有太多的疑问还没有被解答，现在就定论Matter一定会一统江湖，我觉得还为时尚早。但确实环视四周，Matter确实是当下最合适的选项。所以，Matter一统江湖的事情是否会真的发生，还是让子弹再飞一会儿，大家拭目以待吧。