Z-Wave

Frequenze radioModifica

Z-Wave è progettato per fornire una trasmissione affidabile e a bassa latenza di piccoli pacchetti di dati a velocità fino a 100kbit/s. Il throughput è di 40kbit/s (9.6kbit/s usando i vecchi chip) e adatto ad applicazioni di controllo e sensori, a differenza del Wi-Fi e di altri sistemi LAN wireless basati su IEEE 802.11 che sono progettati principalmente per alte velocità di trasmissione dati. La distanza di comunicazione tra due nodi è di circa 30 metri (40 metri con il chip della serie 500), e con la capacità del messaggio di saltare fino a quattro volte tra i nodi, dà una copertura sufficiente per la maggior parte delle case residenziali. La modulazione è frequency-shift keying (FSK) con codifica Manchester.

Z-Wave usa la banda industriale, scientifica e medica (ISM) senza licenza Part 15. Opera a 868.42 MHz in Europa, a 908.42 MHz in Nord America e utilizza altre frequenze in altri paesi a seconda delle loro normative. Questa banda compete con alcuni telefoni senza fili e altri dispositivi elettronici di consumo, ma evita l’interferenza con Wi-Fi, Bluetooth e altri sistemi che operano sull’affollata banda a 2,4 GHz. I livelli inferiori, MAC e PHY, sono descritti da ITU-T G.9959 e completamente compatibili all’indietro. Nel 2012, l’International Telecommunication Union (ITU) ha incluso i livelli PHY e MAC di Z-Wave come opzione nel suo standard G.9959 per i dispositivi wireless sotto 1 GHz. Le velocità di trasmissione dati includono 9600 bps e 40 kbps, con potenza di uscita a 1 mW o 0 dBm. I chip transceiver Z-Wave sono forniti da Silicon Labs.

Tabella delle frequenze utilizzate in varie parti del mondo:

Impostazione rete, topologia e routingModifica

Z-Wave utilizza un’architettura di rete mesh con instradamento alla fonte. Le reti mesh sono anche conosciute come reti wireless ad hoc. In tali reti, i dispositivi utilizzano il canale wireless per inviare messaggi di controllo che vengono poi ritrasmessi dai dispositivi vicini in modo simile a un’onda. Il dispositivo sorgente che vuole trasmettere è quindi conosciuto come l’iniziatore. Da qui, il nome di routing ad hoc a rete avviato alla fonte. Ci sono stati diversi protocolli di routing a rete iniziati alla fonte proposti nei primi anni ’90. I primi erano Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV) e Dynamic Source Routing (DSR).

I dispositivi possono comunicare tra loro utilizzando nodi intermedi per aggirare attivamente gli ostacoli domestici o i punti morti radio che potrebbero verificarsi nell’ambiente multipath di una casa. Un messaggio dal nodo A al nodo C può essere consegnato con successo anche se i due nodi non sono nel raggio d’azione, a condizione che un terzo nodo B possa comunicare con i nodi A e C. Se il percorso preferito non è disponibile, l’autore del messaggio tenterà altri percorsi fino a quando un percorso viene trovato per il nodo C. Pertanto, una rete Z-Wave può estendersi molto più lontano della portata radio di una singola unità; tuttavia, con diversi di questi salti un leggero ritardo può essere introdotto tra il comando di controllo e il risultato desiderato.

La rete più semplice è un singolo dispositivo controllabile e un controller primario. Dispositivi aggiuntivi possono essere aggiunti in qualsiasi momento, così come controller secondari, compresi i tradizionali controller manuali, controller per portachiavi, controller per interruttori a muro e applicazioni PC progettate per la gestione e il controllo di una rete Z-Wave. Una rete Z-Wave può essere composta da un massimo di 232 dispositivi, con la possibilità di ponti di reti se più dispositivi sono richiesti.

Un dispositivo deve essere “incluso” alla rete Z-Wave prima che possa essere controllato tramite Z-Wave. Questo processo (noto anche come “accoppiamento” e “aggiunta”) si ottiene di solito premendo una sequenza di pulsanti sul controller e sul dispositivo da aggiungere alla rete. Questa sequenza deve essere eseguita solo una volta, dopo di che il dispositivo è sempre riconosciuto dal controller. I dispositivi possono essere rimossi dalla rete Z-Wave con un processo simile. Il controller impara la forza del segnale tra i dispositivi durante il processo di inclusione, quindi l’architettura si aspetta che i dispositivi siano nella loro posizione finale prevista prima di essere aggiunti al sistema. Tipicamente, il controller ha una piccola batteria interna di riserva, che gli permette di essere scollegato temporaneamente e portato nella posizione di un nuovo dispositivo per l’accoppiamento. Il controller viene poi riportato nella sua posizione normale e ricollegato.

Ogni rete Z-Wave è identificata da un ID di rete, e ogni dispositivo è ulteriormente identificato da un ID di nodo. Il Network ID (chiamato anche Home ID) è l’identificazione comune di tutti i nodi appartenenti a una rete logica Z-Wave. Il Network ID ha una lunghezza di 4 byte (32 bit) e viene assegnato a ciascun dispositivo, dal controller primario, quando il dispositivo viene “incluso” nella rete. I nodi con diversi ID di rete non possono comunicare tra loro. Il Node ID è l’indirizzo di un singolo nodo nella rete. Il Node ID ha una lunghezza di 1 byte (8 bit) e deve essere unico nella sua rete.

Il chip Z-Wave è ottimizzato per dispositivi alimentati a batteria, e la maggior parte del tempo rimane in una modalità di risparmio energetico per consumare meno energia, svegliandosi solo per svolgere la sua funzione. Con le reti mesh Z-Wave, ogni dispositivo in casa rimbalza i segnali wireless in tutta la casa, il che si traduce in un basso consumo energetico, permettendo ai dispositivi di lavorare per anni senza bisogno di sostituire le batterie. Affinché le unità Z-Wave siano in grado di instradare messaggi non richiesti, non possono essere in modalità sleep. Pertanto, i dispositivi a batteria non sono progettati come ripetitori. Anche i dispositivi mobili, come i telecomandi, sono esclusi poiché Z-Wave presuppone che tutti i dispositivi in grado di ripetere nella rete rimangano nella loro posizione originale rilevata.

SecurityEdit

Z-Wave è basato su un design proprietario, supportato da Sigma Designs come suo principale fornitore di chip, ma la business unit Z-Wave è stata acquisita da Silicon Labs nel 2018. Nel 2014, Mitsumi è diventata una seconda fonte con licenza per i chip Z-Wave serie 500. Anche se ci sono state numerose ricerche di sicurezza accademiche e pratiche sui sistemi di automazione domestica basati sui protocolli Zigbee e X10, la ricerca è ancora nella sua infanzia per analizzare i livelli dello stack di protocollo Z-Wave, richiedendo la progettazione di un dispositivo di cattura dei pacchetti radio e il relativo software per intercettare le comunicazioni Z-Wave. Una prima vulnerabilità è stata scoperta nelle serrature delle porte Z-Wave con crittografia AES che potrebbe essere sfruttata da remoto per sbloccare le porte senza la conoscenza delle chiavi di crittografia, e a causa delle chiavi cambiate, i successivi messaggi di rete, come “la porta è aperta”, verrebbero ignorati dal controller stabilito della rete. La vulnerabilità non era dovuta a un difetto nella specifica del protocollo Z-Wave, ma era un errore di implementazione da parte del produttore della serratura della porta.

Il 17 novembre 2016, la Z-Wave Alliance ha annunciato standard di sicurezza più forti per i dispositivi che ricevono la certificazione Z-Wave a partire dal 2 aprile 2017. Conosciuto come Security 2 (o S2), fornisce una sicurezza avanzata per i dispositivi di casa intelligente, gateway e hub. Esso rafforza gli standard di crittografia per le trasmissioni tra i nodi e impone nuove procedure di accoppiamento per ogni dispositivo, con codici unici PIN o QR su ogni dispositivo. Il nuovo strato di autenticazione ha lo scopo di impedire agli hacker di prendere il controllo di dispositivi non protetti o scarsamente protetti. Secondo la Z-Wave Alliance, il nuovo standard di sicurezza è la sicurezza più avanzata disponibile sul mercato per i dispositivi di casa intelligente e controller, gateway e hub. Ma a causa della compatibilità all’indietro, i dispositivi S2 sono ancora vulnerabili durante il processo di accoppiamento.

HardwareEdit

Il chip per i nodi Z-Wave è lo ZW0500, costruito intorno a un microcontrollore Intel MCS-51 con un clock di sistema interno di 32 MHz. La parte RF del chip contiene un transceiver GisFSK per una frequenza selezionabile via software. Con un’alimentazione di 2,2-3,6 volt, consuma 23mA in modalità di trasmissione. Le sue caratteristiche includono la crittografia AES-128, un canale wireless a 100kbps, l’ascolto simultaneo su più canali e il supporto USB VCP.

Confronto con altri protocolliModifica

Per la rete wireless di casa intelligente, ci sono numerose tecnologie che competono per diventare lo standard di scelta. Il Wi-Fi consuma molta energia, e il Bluetooth è limitato nella portata del segnale e nel numero di dispositivi. Altri standard di rete in competizione con Z-Wave includono Wi-Fi HaLow, Bluetooth 5, Insteon, Thread e ZigBee. Z-Wave ha un lungo raggio operativo all’aperto a 90 metri (all’aperto) e 24+ metri (all’interno). Insteon può teoricamente indirizzare un gran numero di dispositivi a 17,7 milioni (rispetto ai 65.000 di ZigBee e ai 232 di Z-Wave). Insteon ha una velocità di trasmissione dati a 250 kbps. Z-Wave ha una migliore interoperabilità di ZigBee, ma ZigBee ha una velocità di trasmissione dati più veloce. Thread e Zigbee operano sulla frequenza standard Wi-Fi occupato di 2,4 GHz, mentre Z-Wave opera a 908 MHz negli Stati Uniti, che ha un rumore ridotto e una maggiore area di copertura. Tutti e tre sono reti mesh. Il Z-Wave MAC/PHY è standardizzato a livello globale dall’International Telecommunications Union come radio ITU 9959, e le specifiche Z-Wave Interoperability, Security (S2), Middleware e Z-Wave over IP sono state tutte rilasciate nel pubblico dominio nel 2016, rendendo Z-Wave altamente accessibile agli sviluppatori di Internet of Things.