Z-Wave

Fréquences radioEdit

Z-Wave est conçu pour fournir une transmission fiable et à faible latence de petits paquets de données à des débits allant jusqu’à 100kbit/s. Le débit est de 40kbit/s (9,6kbit/s avec les anciennes puces) et convient aux applications de contrôle et de capteurs, contrairement au Wi-Fi et aux autres systèmes LAN sans fil basés sur l’IEEE 802.11 qui sont conçus principalement pour des débits de données élevés. La distance de communication entre deux nœuds est d’environ 30 mètres (40 mètres avec les puces de la série 500) et, grâce à la possibilité de sauter jusqu’à quatre fois entre les nœuds, elle offre une couverture suffisante pour la plupart des maisons résidentielles. La modulation est une modulation par déplacement de fréquence (FSK) avec codage Manchester.

Z-Wave utilise la bande industrielle, scientifique et médicale (ISM) sans licence de la partie 15. Il fonctionne à 868,42 MHz en Europe, à 908,42 MHz en Amérique du Nord et utilise d’autres fréquences dans d’autres pays en fonction de leur réglementation. Cette bande est en concurrence avec certains téléphones sans fil et d’autres appareils électroniques grand public, mais évite les interférences avec les systèmes Wi-Fi, Bluetooth et autres qui fonctionnent sur la bande très fréquentée des 2,4 GHz. Les couches inférieures, MAC et PHY, sont décrites par la norme UIT-T G.9959 et sont entièrement rétrocompatibles. En 2012, l’Union internationale des télécommunications (UIT) a inclus les couches PHY et MAC de Z-Wave comme option dans sa norme G.9959 pour les appareils sans fil de moins de 1 GHz. Les débits de données comprennent 9600 bps et 40 kbps, avec une puissance de sortie de 1 mW ou 0 dBm. Les puces émettrices-réceptrices Z-Wave sont fournies par Silicon Labs.

Tableau des fréquences utilisées dans diverses parties du monde :

Configuration du réseau, topologie et routageModifier

Z-Wave utilise une architecture de réseau maillé à routage par la source. Les réseaux maillés sont également connus sous le nom de réseaux ad hoc sans fil. Dans ces réseaux, les appareils utilisent le canal sans fil pour envoyer des messages de contrôle qui sont ensuite relayés par les appareils voisins à la manière d’une onde. Le dispositif source qui veut transmettre est donc appelé l’initiateur. D’où le nom de routage ad hoc maillé initié par la source. Plusieurs protocoles de routage maillé initié par la source ont été proposés au début des années 1990. Les plus anciens étaient Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV) et Dynamic Source Routing (DSR).

Les appareils peuvent communiquer entre eux en utilisant des nœuds intermédiaires pour contourner activement et contourner les obstacles domestiques ou les points morts radio qui peuvent se produire dans l’environnement à trajets multiples d’une maison. Un message du nœud A au nœud C peut être livré avec succès même si les deux nœuds ne sont pas à portée, à condition qu’un troisième nœud B puisse communiquer avec les nœuds A et C. Si la route préférée n’est pas disponible, l’émetteur du message tentera d’autres routes jusqu’à ce qu’un chemin soit trouvé jusqu’au nœud C. Par conséquent, un réseau Z-Wave peut s’étendre bien plus loin que la portée radio d’un seul appareil ; cependant, avec plusieurs de ces sauts, un léger retard peut être introduit entre la commande de contrôle et le résultat souhaité.

Le réseau le plus simple est constitué d’un seul appareil contrôlable et d’un contrôleur principal. Des dispositifs supplémentaires peuvent être ajoutés à tout moment, tout comme des contrôleurs secondaires, notamment des contrôleurs manuels traditionnels, des contrôleurs de porte-clés, des contrôleurs d’interrupteurs muraux et des applications PC conçues pour la gestion et le contrôle d’un réseau Z-Wave. Un réseau Z-Wave peut comprendre jusqu’à 232 appareils, avec la possibilité de créer des ponts entre les réseaux si davantage d’appareils sont nécessaires.

Un appareil doit être « inclus » au réseau Z-Wave avant de pouvoir être contrôlé via Z-Wave. Ce processus (également connu sous le nom de « jumelage » et « ajout ») est généralement réalisé en appuyant sur une séquence de boutons sur le contrôleur et sur le dispositif ajouté au réseau. Cette séquence ne doit être effectuée qu’une seule fois, après quoi le dispositif est toujours reconnu par le contrôleur. Les dispositifs peuvent être retirés du réseau Z-Wave par un processus similaire. Le contrôleur apprend l’intensité du signal entre les dispositifs pendant le processus d’inclusion. L’architecture s’attend donc à ce que les dispositifs se trouvent à l’emplacement final prévu avant d’être ajoutés au système. En général, le contrôleur dispose d’une petite batterie interne de secours, ce qui lui permet d’être débranché temporairement et d’être amené à l’emplacement d’un nouveau dispositif pour le couplage. Le contrôleur est ensuite remis à son emplacement normal et reconnecté.

Chaque réseau Z-Wave est identifié par un ID de réseau, et chaque dispositif est en outre identifié par un ID de nœud. L’ID de réseau (également appelé Home ID) est l’identification commune de tous les nœuds appartenant à un réseau Z-Wave logique. L’ID réseau a une longueur de 4 octets (32 bits) et est attribué à chaque dispositif, par le contrôleur principal, lorsque le dispositif est « inclus » dans le réseau. Les nœuds ayant des ID de réseau différents ne peuvent pas communiquer entre eux. L’ID du nœud est l’adresse d’un seul nœud du réseau. L’ID du nœud a une longueur de 1 octet (8 bits) et doit être unique dans son réseau.

La puce Z-Wave est optimisée pour les appareils fonctionnant sur batterie, et reste la plupart du temps en mode d’économie d’énergie pour consommer moins d’énergie, ne se réveillant que pour exécuter sa fonction. Avec les réseaux maillés Z-Wave, chaque appareil de la maison fait rebondir les signaux sans fil dans toute la maison, ce qui entraîne une faible consommation d’énergie, permettant aux appareils de fonctionner pendant des années sans avoir à remplacer les piles. Pour que les appareils Z-Wave puissent acheminer des messages non sollicités, ils ne peuvent pas être en mode veille. Par conséquent, les appareils fonctionnant sur piles ne sont pas conçus comme des répéteurs. Les appareils mobiles, tels que les télécommandes, sont également exclus puisque Z-Wave suppose que tous les appareils capables de répéter dans le réseau restent dans leur position détectée d’origine.

SécuritéEdit

Z-Wave est basé sur une conception propriétaire, soutenue par Sigma Designs en tant que principal fournisseur de puces, mais l’unité commerciale Z-Wave a été acquise par Silicon Labs en 2018. En 2014, Mitsumi est devenu une deuxième source sous licence pour les puces Z-Wave de la série 500. Bien qu’il y ait eu un certain nombre de recherches académiques et pratiques en matière de sécurité sur les systèmes domotiques basés sur les protocoles Zigbee et X10, la recherche en est encore à ses débuts pour analyser les couches de la pile de protocoles Z-Wave, ce qui nécessite la conception d’un dispositif de capture de paquets radio et d’un logiciel connexe pour intercepter les communications Z-Wave. Une vulnérabilité précoce a été découverte dans les serrures de porte Z-Wave à chiffrement AES, qui pouvaient être exploitées à distance pour déverrouiller les portes sans connaître les clés de chiffrement. En raison des clés modifiées, les messages réseau suivants, comme « la porte est ouverte », étaient ignorés par le contrôleur établi du réseau. La vulnérabilité n’était pas due à une faille dans la spécification du protocole Z-Wave, mais à une erreur de mise en œuvre par le fabricant du verrou de porte.

Le 17 novembre 2016, la Z-Wave Alliance a annoncé des normes de sécurité plus strictes pour les appareils recevant la certification Z-Wave à partir du 2 avril 2017. Connue sous le nom de Security 2 (ou S2), elle offre une sécurité avancée pour les appareils, les passerelles et les hubs de la maison intelligente. Elle renforce les normes de cryptage pour les transmissions entre les nœuds et impose de nouvelles procédures d’appariement pour chaque appareil, avec des codes PIN ou QR uniques sur chaque appareil. Cette nouvelle couche d’authentification est destinée à empêcher les pirates de prendre le contrôle d’appareils non ou mal sécurisés. Selon la Z-Wave Alliance, la nouvelle norme de sécurité est la sécurité la plus avancée disponible sur le marché pour les appareils et les contrôleurs, les passerelles et les concentrateurs de la maison intelligente. Mais en raison de la rétrocompatibilité, les appareils S2 sont toujours vulnérables pendant le processus d’appairage.

MatérielEdit

La puce des nœuds Z-Wave est le ZW0500, construit autour d’un microcontrôleur Intel MCS-51 avec une horloge système interne de 32 MHz. La partie RF de la puce contient un émetteur-récepteur GisFSK pour une fréquence sélectionnable par logiciel. Avec une alimentation de 2,2-3,6 volts, il consomme 23mA en mode transmission. Ses caractéristiques comprennent le cryptage AES-128, un canal sans fil de 100kbps, l’écoute simultanée sur plusieurs canaux et le support USB VCP.

Comparaison avec d’autres protocolesEdit

Pour les réseaux sans fil de la maison intelligente, de nombreuses technologies sont en concurrence pour devenir la norme de choix. Le Wi-Fi consomme beaucoup d’énergie, et Bluetooth est limité en termes de portée du signal et de nombre d’appareils. Les autres normes de réseau en concurrence avec Z-Wave sont Wi-Fi HaLow, Bluetooth 5, Insteon, Thread et ZigBee. Z-Wave a une longue portée de fonctionnement à l’air libre de 90 mètres (extérieur) et de plus de 24 mètres (intérieur). Insteon peut théoriquement s’adresser à un grand nombre de dispositifs, soit 17,7 millions (contre 65 000 pour ZigBee et 232 pour Z-Wave). Insteon a un taux de transmission de données rapide à 250 kbps. Z-Wave a une meilleure interopérabilité que ZigBee, mais ZigBee a un taux de transmission de données plus rapide. Thread et Zigbee fonctionnent sur la fréquence standard Wi-Fi très utilisée de 2,4 GHz, tandis que Z-Wave fonctionne à 908 MHz aux États-Unis, ce qui permet de réduire le bruit et d’élargir la zone de couverture. Tous trois sont des réseaux maillés. Le MAC/PHY de Z-Wave est normalisé au niveau mondial par l’Union internationale des télécommunications en tant que radio UIT 9959, et les spécifications d’interopérabilité, de sécurité (S2), de middleware et de Z-Wave sur IP ont toutes été publiées dans le domaine public en 2016, ce qui rend Z-Wave très accessible aux développeurs de l’internet des objets.