Z-Wave

Frecuencias de radioEditar

Z-Wave está diseñado para proporcionar una transmisión fiable y de baja latencia de pequeños paquetes de datos a velocidades de hasta 100kbit/s. El rendimiento es de 40kbit/s (9,6kbit/s con los chips antiguos) y es adecuado para aplicaciones de control y sensores, a diferencia de Wi-Fi y otros sistemas LAN inalámbricos basados en IEEE 802.11 que están diseñados principalmente para altas velocidades de datos. La distancia de comunicación entre dos nodos es de unos 30 metros (40 metros con el chip de la serie 500) y, gracias a la capacidad de los mensajes de saltar hasta cuatro veces entre nodos, ofrece suficiente cobertura para la mayoría de las casas residenciales. La modulación es por desplazamiento de frecuencia (FSK) con codificación Manchester.

Z-Wave utiliza la banda industrial, científica y médica (ISM) sin licencia de la Parte 15. Opera a 868,42 MHz en Europa, a 908,42 MHz en Norteamérica y utiliza otras frecuencias en otros países en función de su normativa. Esta banda compite con algunos teléfonos inalámbricos y otros dispositivos electrónicos de consumo, pero evita las interferencias con Wi-Fi, Bluetooth y otros sistemas que operan en la saturada banda de 2,4 GHz. Las capas inferiores, MAC y PHY, se describen en la norma ITU-T G.9959 y son totalmente compatibles con las anteriores. En 2012, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) incluyó las capas PHY y MAC de Z-Wave como opción en su norma G.9959 para dispositivos inalámbricos de menos de 1 GHz. Las velocidades de datos incluyen 9600 bps y 40 kbps, con una potencia de salida de 1 mW o 0 dBm. Los chips transceptores Z-Wave son suministrados por Silicon Labs.

Tabla de frecuencias utilizadas en varias partes del mundo:

Configuración de red, topología y enrutamientoEditar

Z-Wave utiliza una arquitectura de red de malla con enrutamiento de origen. Las redes de malla también se conocen como redes ad hoc inalámbricas. En este tipo de redes, los dispositivos utilizan el canal inalámbrico para enviar mensajes de control que luego son retransmitidos por los dispositivos vecinos en forma de onda. El dispositivo de origen que quiere transmitir se conoce como iniciador. De ahí el nombre de enrutamiento ad hoc de malla iniciado por la fuente. A principios de los años 90 se propusieron varios protocolos de enrutamiento en malla iniciados por la fuente. Los primeros fueron Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV) y Dynamic Source Routing (DSR).

Los dispositivos pueden comunicarse entre sí mediante el uso de nodos intermedios para rodear y sortear activamente los obstáculos domésticos o los puntos muertos de radio que puedan producirse en el entorno multitrayecto de una casa. Un mensaje del nodo A al nodo C puede entregarse con éxito incluso si los dos nodos no están dentro del rango, siempre que un tercer nodo B pueda comunicarse con los nodos A y C. Si la ruta preferida no está disponible, el emisor del mensaje intentará otras rutas hasta que se encuentre un camino hacia el nodo C. Por lo tanto, una red Z-Wave puede abarcar mucho más que el rango de radio de una sola unidad; sin embargo, con varios de estos saltos se puede introducir un ligero retraso entre el comando de control y el resultado deseado.

La red más simple es un solo dispositivo controlable y un controlador primario. Se pueden añadir dispositivos adicionales en cualquier momento, así como controladores secundarios, incluyendo los tradicionales controladores de mano, controladores de llavero, controladores de interruptor de pared y aplicaciones de PC diseñadas para la gestión y el control de una red Z-Wave. Una red Z-Wave puede constar de hasta 232 dispositivos, con la opción de puentear redes si se necesitan más dispositivos.

Un dispositivo debe ser «incluido» en la red Z-Wave antes de que pueda ser controlado a través de Z-Wave. Este proceso (también conocido como «emparejamiento» y «adición») se consigue normalmente pulsando una secuencia de botones en el controlador y en el dispositivo que se añade a la red. Esta secuencia sólo tiene que realizarse una vez, después de lo cual el dispositivo es siempre reconocido por el controlador. Los dispositivos se pueden eliminar de la red Z-Wave mediante un proceso similar. El controlador aprende la intensidad de la señal entre los dispositivos durante el proceso de inclusión, por lo que la arquitectura espera que los dispositivos estén en su ubicación final prevista antes de añadirlos al sistema. Normalmente, el controlador dispone de una pequeña batería interna de reserva que permite desenchufarlo temporalmente y llevarlo a la ubicación de un nuevo dispositivo para emparejarlo. A continuación, el controlador se devuelve a su ubicación normal y se vuelve a conectar.

Cada red Z-Wave se identifica con un ID de red, y cada dispositivo se identifica además con un ID de nodo. El ID de red (también llamado ID de hogar) es la identificación común de todos los nodos que pertenecen a una red Z-Wave lógica. El ID de Red tiene una longitud de 4 bytes (32 bits) y es asignado a cada dispositivo, por el controlador primario, cuando el dispositivo es «incluido» en la Red. Los nodos con diferentes ID de red no pueden comunicarse entre sí. El ID de nodo es la dirección de un solo nodo en la red. El ID de nodo tiene una longitud de 1 byte (8 bits) y debe ser único en su red.

El chip Z-Wave está optimizado para dispositivos alimentados por batería, y la mayor parte del tiempo permanece en un modo de ahorro de energía para consumir menos energía, despertándose sólo para realizar su función. Con las redes de malla Z-Wave, cada dispositivo de la casa hace rebotar las señales inalámbricas por toda la casa, lo que se traduce en un bajo consumo de energía, permitiendo que los dispositivos funcionen durante años sin necesidad de cambiar las pilas. Para que las unidades Z-Wave puedan dirigir mensajes no solicitados, no pueden estar en modo de reposo. Por lo tanto, los dispositivos que funcionan con pilas no están diseñados como unidades repetidoras. Los dispositivos móviles, como los mandos a distancia, también están excluidos, ya que Z-Wave asume que todos los dispositivos con capacidad de repetidor en la red permanecen en su posición original detectada.

SeguridadEdit

Z-Wave se basa en un diseño propietario, apoyado por Sigma Designs como su principal proveedor de chips, pero la unidad de negocio Z-Wave fue adquirida por Silicon Labs en 2018. En 2014, Mitsumi se convirtió en una segunda fuente con licencia para los chips de la serie Z-Wave 500. Aunque ha habido una serie de investigaciones académicas y prácticas de seguridad en los sistemas de automatización del hogar basados en los protocolos Zigbee y X10, la investigación todavía está en su infancia para analizar las capas de la pila del protocolo Z-Wave, lo que requiere el diseño de un dispositivo de captura de paquetes de radio y el software relacionado para interceptar las comunicaciones Z-Wave. Se descubrió una primera vulnerabilidad en las cerraduras de puertas Z-Wave cifradas con AES que podía ser explotada de forma remota para desbloquear las puertas sin el conocimiento de las claves de cifrado, y debido a las claves cambiadas, los mensajes de red posteriores, como «la puerta está abierta», serían ignorados por el controlador establecido de la red. La vulnerabilidad no se debía a un fallo en la especificación del protocolo Z-Wave, sino que se trataba de un error de implementación por parte del fabricante de la cerradura de la puerta.

El 17 de noviembre de 2016, la Z-Wave Alliance anunció unos estándares de seguridad más fuertes para los dispositivos que recibieran la certificación Z-Wave a partir del 2 de abril de 2017. Conocido como Seguridad 2 (o S2), proporciona seguridad avanzada para los dispositivos, pasarelas y concentradores del hogar inteligente. Refuerza los estándares de encriptación para las transmisiones entre nodos y exige nuevos procedimientos de emparejamiento para cada dispositivo, con códigos PIN o QR únicos en cada uno de ellos. La nueva capa de autenticación pretende evitar que los piratas informáticos tomen el control de los dispositivos inseguros o mal protegidos. Según la Z-Wave Alliance, la nueva norma de seguridad es la más avanzada disponible en el mercado para los dispositivos y controladores del hogar inteligente, las pasarelas y los concentradores. Pero debido a la compatibilidad con versiones anteriores, los dispositivos S2 siguen siendo vulnerables durante el proceso de emparejamiento.

HardwareEdit

El chip para los nodos Z-Wave es el ZW0500, construido en torno a un microcontrolador Intel MCS-51 con un reloj de sistema interno de 32 MHz. La parte de RF del chip contiene un transceptor GisFSK para una frecuencia seleccionable por software. Con una alimentación de 2,2-3,6 voltios, consume 23 mA en modo de transmisión. Sus características incluyen encriptación AES-128, un canal inalámbrico de 100kbps, escucha concurrente en múltiples canales y soporte USB VCP.

Comparación con otros protocolosEditar

Para las redes inalámbricas del hogar inteligente, hay numerosas tecnologías que compiten para convertirse en el estándar de elección. El Wi-Fi consume mucha energía, y el Bluetooth está limitado en cuanto al alcance de la señal y el número de dispositivos. Otros estándares de red que compiten con Z-Wave son Wi-Fi HaLow, Bluetooth 5, Insteon, Thread y ZigBee. Z-Wave tiene un largo rango de funcionamiento al aire libre de 90 metros (en exteriores) y de más de 24 metros (en interiores). Insteon puede dirigirse teóricamente a un gran número de dispositivos con 17,7 millones (en comparación con los 65.000 de ZigBee y los 232 de Z-Wave). Insteon tiene una rápida tasa de transmisión de datos a 250 kbps. Z-Wave tiene mejor interoperabilidad que ZigBee, pero ZigBee tiene una velocidad de transmisión de datos más rápida. Thread y Zigbee operan en la frecuencia estándar del Wi-Fi, de 2,4 GHz, mientras que Z-Wave lo hace a 908 MHz en EE.UU., que tiene menos ruido y una mayor área de cobertura. Las tres son redes de malla. La MAC/PHY de Z-Wave está estandarizada a nivel mundial por la Unión Internacional de Telecomunicaciones como radio ITU 9959, y las especificaciones de interoperabilidad, seguridad (S2), middleware y Z-Wave sobre IP se hicieron públicas en 2016, lo que hace que Z-Wave sea muy accesible para los desarrolladores del Internet de las cosas.