スマートホーム ~ UPnPDLNA・Matterとは ~

電製品も今やネットワーク機能が当たり前となり、照明や電気設備、リモコンやヘルスケア機器など、家庭内のあらゆるモノがネットワーク化され、インターネットに接続されるIoT時代に突入しました。

こうした家電は、主にスマートフォンやタブレットからコントロール可能で、スマート家電と呼ばれています。

スマートフォンと連携することで、例えば、冷蔵庫の在庫管理や賞味期限の通知、レシピや産地を教えてくれる、インターネットから特売の情報を取得してくれるといったコミュニケーションも可能になっています。

さらに、照明や空調などの設備とも連動させ、外出先からスマートフォンで家の空調を調整したり、インターホンに対応したり、お風呂を沸かしたりといったことが可能となっています。

近年では、人工知能「AI」を組み込んで、温度や電力消費などの変化に合わせて、自動的に家電や設備をコントロールするなど、電力やエネルギーを「スマート化」する技術も一般化されています。

こうした住宅は、

スマートホーム

と呼ばれています。

2023年現在、日本ではまだまだスマートホームが普及してきたとは言えない状況ですが、海外では徐々に普及してきているようです。今後、日本でも普及してくるのは間違いありません。

スマートホームの定義は難しいですが、ネットワーク化されたIoT機器をベースとして、快適性、セキュリティ、エネルギー効率など、家庭の様々な分野の「スマート化」を目的とする住宅と言えます。

つまり、機器のネットワーク化だけにとどまらず、インターネットやAIを組み合せて、さらなる自動化や効率化、省力化などを目指す家ということです。

ただし、その実現のために、まずはIoT機器を接続してネットワーク化しておく必要があります。

このネットワークを、

ホームネットワーク

と言います。

ホームネットワークは、スマートホームの前段階です。ホームネットワークを活用して、様々なスマート化を実現するのがスマートホームになります。

では、具体的にホームネットワークがどのようなネットワークなのかというと、一般的なLANで構築します。(LANについて詳しくは、LAN・WANとは を参照してください)

したがって、特殊なネットワークではありません。しかし、機器が多くなればなるほど設定が大変になり、新しい機器を買い足した場合は、その接続も必要になってきます。

そこで、こうした接続設定を自動化するプロトコルが開発されました。

UPnP(ユーピーエヌピー)

というプロトコルです。

UPnPは「Universal Plug and Play(ユニバーサル プラグ・アンド・プレイ)」の略になります。文字どおり、ドライバとは で学習した「プラグ・アンド・プレイ」を、ネットワークにまで拡張した技術になります。

プラグ・アンド・プレイは、デバイスをPCに接続するだけで自動的にドライバまでインストールされ、すぐに使用できる仕組みでした。この機能をネットワーク全体に広げているのです。

つまり、

ネットワークに接続するだけですぐに通信が開始できる

ということです。

正確に言えば、UPnPでネットワークに機器を接続すると、自動的にその機器がネットワーク全体に認識されて、機器同士が必要な情報交換を行い、接続設定が自動化されるプロトコルになります。

プラグ・アンド・プレイとの違いは、プラグ・アンド・プレイが、PCなどが新しいデバイスを簡単に追加するための設計思想(アーキテクチャという)であるのに対し、UPnPは、プラグ・アンド・プレイを実現するための具体的なプロトコルになるという違いです。

したがって、UPnPはプラグ・アンド・プレイという大きな概念を実現するプロトコルの1つということです。UPnPに対応している機器であれば、UPnPプロトコルによってネットワークへの自動的な接続が可能になります。

ではなぜ、このような自動化が可能なのでしょうか?

設定を自動化してすぐに使えるということは、普遍的なプロトコルがベースにあるということです。UPnPは、TCP/IPプロトコルベースのネットワーク(IPネットワーク)で用いられる仕組みになります。(TCP/IPについて詳しくは、TCP/IPとは を参照してください)

一般的なLANIPネットワークであり、UPnPも同じです。接続に必要なIPアドレスは、DHCPによって各機器に割り当てることができます。DHCPサーバがネットワーク内にない場合は、その機器が自動的にIPアドレスを決定します。(DHCPについて詳しくは、IPアドレスとは(1) を参照してください)

おわかりのとおり、インターネットと同様の環境が構築されることになり、インターネットを介した様々なサービスが提供される環境が整うというわけです。

逆に言えば、UPnPを用いてネットワーク化することで、同じ体系のIPネットワークに統一され、すべての機器がスムーズに通信し合うことが可能になると言えます。

前項で学習したBluetooth機器を組み込む場合は、IPネットワークと通信プロトコルを仲介する「スマートホームハブ」などの機器を介して接続する方法が一般的です。(Bluetooth機器がTCP/IPで直接IPネットワークに接続するのは一般的ではありません)

UPnPの自動接続の仕組みは、まずネットワーク上に新たに機器が接続されると、その機器が他の機器に対して新たな機器が接続されたことをマルチキャスト(一斉送信)で通知します。

ここで言う「接続」とは、DHCPによってIPアドレスが割り当てられた状態のことで、物理的、論理的に通信が可能な状態になった時点のことです。

また、マルチキャストは前項で学習したブロードキャストに似ていますが、ブロードキャストがネットワーク内のすべての機器に対して送信するのに対し、マルチキャストは特定のグループに送信するイメージになります。

この場合、ブロードキャストするとすべてデバイスに送信されるため、ネットワークが大きくなればなるほど負荷が大きくなったり、ブロードキャストを不正受信されてしまうなどのリスクが発生します。

そのため、通常はマルチキャストグループを作成し、そのグループのみに通知することになります。この通知は、UDPプロトコルの1900番ポートが使われます。(UDP、ポート番号について詳しくは、TCP/IPとは を参照してください)

通知を受けたデバイスは、応答してレスポンスを返送します。レスポンスには、自身の識別情報やIPアドレス、機能やサービスの情報などが含まれます。

そして、新しい機器にどのような機能を持っているのか聞き取りを行うなど、双方がそのネットワークの通信に必要な情報を交換し、接続が確立するという流れになります。

このやり取りは、現在のウェブ標準形式である「XML形式」で行われます。XMLは文書の構造化やタグの拡張が可能なため、基本的な機器の情報を伝えるだけでなく、拡張次第でより細かな機能を伝えることもできます。(XMLについて詳しくは、SGMLXMLXHTMLとは を参照してください)

また、やり取りの通信プロトコルは、HTTPが使われます。(HTTPについて詳しくは、HTTPとは を参照してください)

つまり、機器同士が自動的にHTTPXMLデータをやり取りして必要な情報を交換し、IPネットワークに参加させるということになります。そして、そのまま共通のプロトコルでインターネット接続まで可能となります。

一方、インターネット側からホームネットワーク内へのアクセスもUPnPによって自動化することができます。

通常、LANからインターネットへ接続する場合、ルータのNAT(ナット)機能によって、LAN内のプライベートアドレスからグローバルアドレスへアドレス変換している場合はほとんどです。(NATについて詳しくは、IPアドレスとは(2)を参照してください)

NAT変換を行っている場合は、インターネット側からLAN側の機器への接続はできません。接続するには、手動でLAN内の特定機器のプライベートアドレスとルータのグローバルアドレスを固定して対応させる必要があります。

例えばLAN内の特定機器をAとすると、インターネット側のスマホなどからAと通信するには、ルータのグローバルアドレスとAのプライベートアドレスを静的(固定)に対応させた情報とその設定が必要になるということです。

こうした接続を通称「NAT越え」と呼びますが、UPnPは自動的にNAT越えを機器同士で設定します。(プライベートアドレスを固定する必要がありません)

このようにUPnP対応機器は、ネットワークに接続するだけで必要な設定が完了し、その機器の機能までネットワーク内のデバイスが把握することができます。ホームネットワークの構築には非常に有益なプロトコルなのです。

ただし、もうすでにお気づきのことと思いますが、接続の自動化は大きなセキュリティリスクとなります。

UPnPは、1999年にMicrosoft社が開発した比較的古いプロトコルです。接続するだけで通信できてしまうため、不正アクセスであっても認証なしで接続することが可能です。

インターネットに接続しないクローズのLANであればリスクは低くなりますが、インターネットに接続している場合のリスクは高くなります。インターネットとLANの接続を中継するルータが、UPnP機能によって自動的にポートを開放してインターネット側の機器やアプリケーションと接続させてしまうのです。(ポート番号について詳しくは、TCP/IPとは を参照してください)

例えば、外出先からスマートフォンで自宅の防犯カメラにアクセスする場合、UPnPルータが、双方のアプリケーション同士の情報交換と指定されたポートの開放を自動化します。これによって、簡単にアクセスすることが可能になりますが、悪用されてしまうと、容易に進入が可能ということになります。

そのため、UPnPでも認証機能を持たせるようになりましたが、基本的にはセキュリティ機能が十分ではありません。実際にUPnPは、複数の脆弱性が発見されています。

特にルータにUPnP機能がある場合は、OFFにすることが推奨されています。すると、インターネット側からUPnP接続ができなくなり、ルータがポートを開くことはなくなります。

しかし、OFFにしてしまうと設定を手動で行う必要があります。例えば、オンラインゲームやスマホからのリモートアクセスなど、アプリケーションごとにポート設定などが必要になり、ある程度の知識が必要になります。

オンラインゲームなどはインターネット上のゲームサーバと通信が必要であり、UPnP機能を利用したほうが必要なポート開閉を自動化してくれるので便利でしたが、やはりセキュリティ上の問題を含むことになります。

こうした背景から、UPnP機能は非推奨とされるケースが多くなっています。

とは言え、ルータのUPnPを有効にすることが求められる機器やオンラインサービスもあり、非常に難しい判断を求められます。

現在では、UPnPに替わる機能や仕組みがいくつかあるので、代用できる場合は、UPnPの使用を控えるほうがよいでしょう。

IPv6に切り替える

ネットワーク内の機器がIPv6に対応していることが前提ですが、IPv4よりもセキュリティが向上しています。(IPv6について詳しくは、IPアドレスとは(2) を参照してください)

IPv6は非常に大きなアドレス空間を持ち、理論的にはすべてのアドレスが一意のグローバルアドレスになります。そうすると、NATのような機能が不要となり、ポート番号が競合する可能性が非常に低いため、ポート設定の手間が減ります。(UPnPのように自動化されるわけではありません)

ただし、アドレスが固定されてしまうと逆にセキュリティリスクが高まるので、IPv6ネットワークでは各デバイスが複数のアドレスを持ち、アドレスを切り替えることによってセキュリティを確保しています。

したがって、IPv6に切り替えるとUPnPが不要になる場合があり、インターネット側からは、グローバスアドレスを指定して直接接続するなどの方法が可能になります。

ただし、LAN側の機器にはIPv6の自動設定機能等によりアドレスの割り当てが可能ですが、インターネット接続をIPv6に切り替える場合は、プロバイダの契約を変更する必要があります。

また、IPv6でもUPnPに対応している機器もあります。UPnPに限って言うと、その仕組みが変わるわけではないので、IPv6でもセキュリティが確保されているわけではありません。

DLNA(ディーエルエヌエー)

DLNAは「Digital Living Network Alliance」の略で、2003年に設立された団体の名称です。

リビングネットワークというとおり、家庭内のLANに様々なIoT機器を接続して利用するためのガイドラインを策定している団体になります。したがって、DLNAは規格やプロトコルの名称ではなく団体名であり、一般的にはガイドラインを意味します。

DLNAに準拠した機器を利用することで、UPnPと同様にネットワークに接続するだけで自動的に使用できる状態になります。そのため、DLNAでもUPnPを利用して接続を行いますが、一般的なUPnPのセキュリティリスクに対応したガイドラインを策定しています。

具体的には、ユーザー認証やアクセス制御の仕組みを持ち、アクセス権限が設定されていないユーザーからのアクセスを制限することができます。また、通信データの暗号化などもサポートしています。

ただし、DLNAUPnPとして同義で扱われる場合も多く、セキュリティが万全なわけではありません。現在、たいていの製品がDLNAに準拠するまでに普及しています。

DLNA対応機器を接続すると、PCに保存している写真や動画をテレビで再生したり、音楽を別のオーディオ機器で再生するなど、場所を気にせずどこからでも楽しむことができるようになります。

基本的な仕組みは、ネットワーク内のPCやテレビなどの記憶媒体に保存されている写真や動画を他のデバイスと共有します。これは「DLNAサーバ」と呼ばれる機能で、ソフトウェアがインストールされているPCやルータ、テレビなどの機器が担います。

DLNAサーバとなった機器は、ネットワーク内の指定されたテレビやPCなどの保存領域をスキャンして、ライブラリを作成します。そして、それらにアクセスするデバイスからの要求に応じて、ライブラリのコンテンツを提供するという仕組みです。

しかし、このDLNAも2017年に突如解散が発表されました。

DLNAが普及し、役目を終えたということのようですが、実態は多くのメーカーが離れ、独自の規格が乱立していったからのようです。

製品認証サービスは、スパイアスパーク・インターナショナル社に引き継がれており、ガイドラインは継続していますが、求心力の低下は免れず、規格が乱立する時代に逆戻りしてしまいました。

OpenHome(オープンホーム)

UPnP/DLNAをベースに開発された規格です。

ただし、高品質のオーディオ(音楽)再生に特化しており、スマートホームを構築するための汎用的な規格とは言えません。

異なるメーカーや機器であっても、OpenHome規格に対応していれば、UPnP/DLNAと同様に接続し、ホームオーディオを構築することができます。

Roon Ready(ルーンレディ)

高品質のオーディオソフト「Roon(ルーン)」と接続して連携できる規格(正確には認証ラベル)です。

Roon Readyの認証を受けた製品がネットワークに接続されると、Roonサーバー用のソフトウェアがインストールされたPCなどの機器と連携し、離れた場所にあるデバイスから高品質のオーディオを再生することができます。

OpenHomeとの違いは、Roonソフトウェアに連携する点です。Roonによって機器が制御されます。

Matter(マター)

2022年に発表されたスマートホームの規格です。

Apple、Google、Amazonなどの巨大企業が参加する無線通信規格標準化団体「Connectivity Standards Alliance(CSA)」によって策定された、スマートホームのためのIoT規格になります。

学習してきたとおり、様々な規格が乱立し、Wi-FiやBluetoothも含めると、一般的なユーザーにとってネットワークの接続手段を選択するのは非常に難しくなっています。

また、スマート家電製品それぞれに専用アプリが必要になるなど、逆に設定や操作がスマートではなくなってしまう状況になってしまいました。これではスマートホームの普及が進むはずがありません。

そのため、多くの団体が規格の標準化を進めてきましたが、どれも統一された規格とはなりませんでした。Matterが注目されているのは、業界最大手の巨大企業が参加している点で、いよいよ標準規格になることが期待されています。

Matterの特徴は、オープンソースで仕様が公開されていることで、多くのメーカーや技術者によって開発されています。

これにより、

BluetoothやWi-Fiなどの規格と互換性がある

という大きな特徴があります。

つまり、複数のプロトコルをサポートしているということです。そのため、プロトコルの異なるBLE機器などと接続することが可能になっています。(BLEについて詳しくは前項を参照してください)

サポートしているプロトコルや規格には、IPv6、BLE、Wi-Fi、Ethernet(イーサネット)などがあり、Matter規格に適合しておけば、こうした異なるプロトコルの機器でもスムーズに連携することが可能になります。

なかでも、

Thread(スレッド)

と呼ばれるプロトコルをサポートしたことで、基本的な接続方法はすべて使えるようになっています。

Threadプロトコルは、次世代無線通信規格として注目されている規格です。

前項で学習したBLEとよく似ており、同じ2.4GHz帯の電波を利用する低消費電力無線技術になります。メッシュトポロジで通信することが可能で、大規模なネットワークを構築することができます。

BLEとの違いは、

IPプロトコル(IPv6)で通信する規格

ということです。

IPv6対応により、先述のとおりインターネット側との通信が容易になります。

ただし、注目されているプロトコルですが、現在のところThreadをサポートしている製品は少ないようです。

こうしてMatterは、異なるプロトコルを同じネットワーク内で共存できるように統合し、相互接続を可能にします。Matterに適合することで、プロトコルの違いを気にする必要がなくなり、IPv6でもBLEでもWi-Fiでも有線LANのイーサネットでも、新しい規格Threadであっても、同じネットワークで接続が可能になります。

さらにMatterは、適合要件として 電子証明書とPKI で学習した電子証明書の取得を求めています。そのため、Matterの通信では、PKIを活用した信頼性の高い暗号通信を行うことができます。

また、UPnPを使用しない設計となっており、セキュリティに配慮された設計になっています。

Matterの登場により、ようやく乱立していた規格が統一される様相になっています。規格の標準化によって、スマートホームの普及が加速していくかもしれません。

今後は、異なるプロトコルを中継するスマートホームハブなどの機器は不要となり、機種やメーカーに関係なく、ホームネットワーク内のあらゆる機器を容易にコントロールすることが可能になっていくはずです。

具体的には、Microsoftの「Cortana」、Appleの「Siri」、Googleの「Google Assistant」、Amazonの「Alexa」など、話しかけるとコミュニケーションを取りながら様々なタスクを処理してくれる有名なAI音声アシスタントサービスがあります。

それらを通じて、スマートホームデバイスを制御するためのフレームワークもそれぞれ各社が開発しています。Appleの「HomeKit」、Googleの「Google Home」などがあります。(フレームワークについて詳しくは、JavaとJavaScript を参照してください)

例えば、Appleであれば「HomeKit」で開発した自社製品をSiriでコントロールできるわけです。しかし、いくらAIでも他社製品をコントロールすることはできません。

そのため、どうしてもスマートホームデバイスを1社に統一せざるを得ないという状況でした。Matterに適応することで、例えば「Alexa」からApple製品をコントロールできるようになることが期待されています。

更新履歴

2009年7月28日
ページを公開。
2009年7月29日
ページをXHTML1.0とCSS2.1で、Web標準化。レイアウト変更。
2018年2月1日
ページをSSL化によりHTTPSに対応。
2023年11月1日
内容修正。

参考文献・ウェブサイト

当ページの作成にあたり、以下の文献およびウェブサイトを参考にさせていただきました。

文献
図解入門 インターネットのしくみ
UPnPとは?その仕組みの原点に立ち返る
https://www.itmedia.co.jp/broadband/0210/18/honda4.html
DLNAとは?録画したテレビ番組を家中どこでも楽しもう!
https://www.tdk.com/ja/tech-mag/knowledge/113
ネットワーク再生の種類【スマホで始めるオーディオ&ネット動画再生読本】テーマ7
https://online.stereosound.co.jp/_ct/17572048
Roonをはじめてみようかなと言う方に向けて、何が必要で音の質をどこが決めているのか
https://ameblo.jp/docono38/entry-12777396414.html
スマートホームのゲームチェンジャー「Matter」とは何か
https://monoist.itmedia.co.jp/mn/articles/2302/13/news046.html
スマートデバイスを本当に“スマート”にする新たな標準規格「Matter」について知っておくべきこと
https://wired.jp/article/what-is-matter/