Z-Wave

Częstotliwości radioweEdit

Z-Wave jest zaprojektowany do zapewnienia niezawodnej, nisko-opóźnionej transmisji małych pakietów danych z szybkością do 100kbit/s. Przepustowość wynosi 40kbit/s (9.6kbit/s przy użyciu starych chipów) i jest odpowiednia dla aplikacji kontrolnych i czujników, w przeciwieństwie do Wi-Fi i innych systemów bezprzewodowych sieci LAN opartych na IEEE 802.11, które są zaprojektowane głównie dla wysokich prędkości przesyłu danych. Odległość komunikacji pomiędzy dwoma węzłami wynosi około 30 metrów (40 metrów z chipem serii 500), a dzięki możliwości przesyłania wiadomości do czterech razy pomiędzy węzłami, zapewnia wystarczający zasięg dla większości domów mieszkalnych. Modulacja to kluczowanie z przesunięciem częstotliwości (FSK) z kodowaniem Manchester.

Z-Wave wykorzystuje nielicencjonowane pasmo przemysłowe, naukowe i medyczne (ISM) Part 15. Działa na częstotliwości 868,42 MHz w Europie, na 908,42 MHz w Ameryce Północnej i używa innych częstotliwości w innych krajach w zależności od ich przepisów. Pasmo to konkuruje z niektórymi telefonami bezprzewodowymi i innymi urządzeniami elektroniki użytkowej, ale pozwala uniknąć interferencji z Wi-Fi, Bluetooth i innymi systemami, które działają w zatłoczonym paśmie 2,4 GHz. Niższe warstwy, MAC i PHY, są opisane przez ITU-T G.9959 i są w pełni kompatybilne wstecz. W 2012 roku, Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU) włączył warstwy Z-Wave PHY i MAC jako opcję do swojego standardu G.9959 dla urządzeń bezprzewodowych poniżej 1 GHz. Szybkości transmisji danych obejmują 9600 bps i 40 kbps, a moc wyjściowa wynosi 1 mW lub 0 dBm. Chipy transceiverów Z-Wave są dostarczane przez Silicon Labs.

Tablica używanych częstotliwości w różnych częściach świata:

.

Konfiguracja sieci, topologia i routingEdit

Z-Wave wykorzystuje architekturę sieci mesh z rutingiem źródłowym. Sieci mesh znane są również jako bezprzewodowe sieci ad hoc. W takich sieciach, urządzenia używają kanału bezprzewodowego do wysyłania wiadomości kontrolnych, które są następnie przekazywane przez sąsiednie urządzenia w sposób przypominający falę. Urządzenie źródłowe, które chce nadawać jest więc nazywane inicjatorem. Stąd nazwa source-initiated mesh ad hoc routing. W okresie wczesnych lat 90-tych XX wieku zaproponowano kilka protokołów routingu mesh inicjowanego przez źródło. Wcześniejsze z nich to Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV) i Dynamic Source Routing (DSR).

Urządzenia mogą komunikować się ze sobą za pomocą węzłów pośrednich, aby aktywnie wyznaczać trasy wokół i omijać przeszkody domowe lub martwe punkty radiowe, które mogą wystąpić w wielościeżkowym środowisku domu. Wiadomość z węzła A do węzła C może być pomyślnie dostarczona nawet jeśli te dwa węzły nie są w zasięgu, pod warunkiem, że trzeci węzeł B może komunikować się z węzłami A i C. Jeśli preferowana trasa jest niedostępna, inicjator wiadomości będzie próbował innych tras aż do znalezienia ścieżki do węzła C. Dlatego sieć Z-Wave może rozciągać się znacznie dalej niż zasięg radiowy pojedynczego urządzenia; jednakże, przy kilku takich przeskokach może pojawić się niewielkie opóźnienie pomiędzy komendą sterującą a pożądanym rezultatem.

Najprostsza sieć składa się z jednego sterowalnego urządzenia i głównego kontrolera. Dodatkowe urządzenia można dodawać w dowolnym momencie, podobnie jak kontrolery drugorzędne, w tym tradycyjne kontrolery ręczne, kontrolery na breloczki, kontrolery na przełączniki ścienne oraz aplikacje PC przeznaczone do zarządzania i kontroli sieci Z-Wave. Sieć Z-Wave może składać się z maksymalnie 232 urządzeń, z opcją mostkowania sieci, jeśli potrzebnych jest więcej urządzeń.

Urządzenie musi być „dołączone” do sieci Z-Wave, zanim będzie mogło być kontrolowane przez Z-Wave. Proces ten (znany również jako „parowanie” i „dodawanie”) jest zwykle osiągany poprzez naciśnięcie sekwencji przycisków na kontrolerze i na urządzeniu dodawanym do sieci. Sekwencja ta musi być wykonana tylko raz, po czym urządzenie jest zawsze rozpoznawane przez kontroler. Urządzenia można usuwać z sieci Z-Wave w podobny sposób. Kontroler poznaje siłę sygnału pomiędzy urządzeniami podczas procesu dołączania, dlatego architektura oczekuje, że urządzenia będą znajdowały się w docelowej lokalizacji zanim zostaną dodane do systemu. Zazwyczaj kontroler posiada niewielką wewnętrzną baterię podtrzymującą, co pozwala na tymczasowe odłączenie go od zasilania i przeniesienie do miejsca, w którym znajduje się nowe urządzenie w celu sparowania. Następnie kontroler jest przywracany do normalnej lokalizacji i ponownie podłączany.

Każda sieć Z-Wave jest identyfikowana przez Network ID, a każde urządzenie przez Node ID. Network ID (zwany również Home ID) jest wspólną identyfikacją wszystkich węzłów należących do jednej logicznej sieci Z-Wave. Network ID ma długość 4 bajtów (32 bity) i jest przypisany do każdego urządzenia, przez główny kontroler, kiedy urządzenie jest „włączane” do sieci. Węzły o różnych identyfikatorach sieciowych nie mogą się ze sobą komunikować. Node ID to adres pojedynczego węzła w sieci. Node ID ma długość 1 bajtu (8 bitów) i musi być unikalny w swojej sieci.

Chip Z-Wave jest zoptymalizowany dla urządzeń zasilanych bateryjnie, i przez większość czasu pozostaje w trybie oszczędzania energii, aby zużywać mniej energii, budząc się tylko w celu wykonania swojej funkcji. Dzięki sieciom mesh Z-Wave każde urządzenie w domu odbija sygnały bezprzewodowe wokół domu, co skutkuje niskim zużyciem energii, pozwalając urządzeniom pracować przez lata bez konieczności wymiany baterii. Aby urządzenia Z-Wave mogły przekazywać niechciane wiadomości, nie mogą znajdować się w trybie uśpienia. Dlatego urządzenia zasilane bateryjnie nie są projektowane jako repeatery. Urządzenia mobilne, takie jak piloty zdalnego sterowania, są również wykluczone, ponieważ Z-Wave zakłada, że wszystkie urządzenia zdolne do repeaterów w sieci pozostają w swojej pierwotnie wykrytej pozycji.

SecurityEdit

Z-Wave opiera się na zastrzeżonym projekcie, wspieranym przez Sigma Designs jako głównego dostawcę chipów, ale jednostka biznesowa Z-Wave została przejęta przez Silicon Labs w 2018 roku. W 2014 roku Mitsumi stał się licencjonowanym drugim źródłem dla chipów Z-Wave serii 500. Chociaż przeprowadzono szereg akademickich i praktycznych badań bezpieczeństwa systemów automatyki domowej opartych na protokołach Zigbee i X10, badania nad analizą warstw stosu protokołu Z-Wave są wciąż w powijakach, co wymaga zaprojektowania urządzenia do przechwytywania pakietów radiowych i powiązanego oprogramowania do przechwytywania komunikacji Z-Wave. Wczesna luka została odkryta w szyfrowanych AES zamkach drzwi Z-Wave, które mogły być zdalnie wykorzystane do odblokowania drzwi bez znajomości kluczy szyfrujących, a z powodu zmienionych kluczy, kolejne komunikaty sieciowe, takie jak „drzwi są otwarte”, byłyby ignorowane przez ustanowionego kontrolera sieci. Luka nie wynikała z wady w specyfikacji protokołu Z-Wave, ale była błędem implementacyjnym producenta zamka do drzwi.

17 listopada 2016 roku, Z-Wave Alliance ogłosiło silniejsze standardy bezpieczeństwa dla urządzeń otrzymujących certyfikaty Z-Wave od 2 kwietnia 2017 roku. Znany jako Security 2 (lub S2), zapewnia zaawansowane bezpieczeństwo dla urządzeń inteligentnego domu, bram i hubów. Podwyższa standardy szyfrowania transmisji pomiędzy węzłami, a także wymaga nowych procedur parowania każdego urządzenia, z unikalnymi kodami PIN lub QR na każdym urządzeniu. Nowa warstwa uwierzytelniania ma na celu uniemożliwienie hakerom przejęcia kontroli nad niezabezpieczonymi lub słabo zabezpieczonymi urządzeniami. Według Z-Wave Alliance, nowy standard bezpieczeństwa jest najbardziej zaawansowanym zabezpieczeniem dostępnym na rynku urządzeń inteligentnego domu oraz kontrolerów, bramek i hubów. Jednak ze względu na kompatybilność wsteczną, urządzenia S2 są nadal podatne na ataki podczas procesu parowania.

HardwareEdit

Układem scalonym dla węzłów Z-Wave jest ZW0500, zbudowany wokół mikrokontrolera Intel MCS-51 z wewnętrznym zegarem systemowym 32 MHz. Część RF układu zawiera transceiver GisFSK dla częstotliwości wybieranej programowo. Przy zasilaniu napięciem 2,2-3,6 V pobiera 23 mA w trybie nadawania. Jego funkcje obejmują szyfrowanie AES-128, kanał bezprzewodowy 100kbps, jednoczesne nasłuchiwanie na wielu kanałach oraz obsługę USB VCP.

Porównanie z innymi protokołamiEdit

W przypadku sieci bezprzewodowych w inteligentnych domach istnieje wiele technologii konkurujących o miano standardu wyboru. Wi-Fi zużywa dużo energii, a Bluetooth ma ograniczony zasięg sygnału i liczbę urządzeń. Inne standardy sieciowe konkurujące z Z-Wave to Wi-Fi HaLow, Bluetooth 5, Insteon, Thread i ZigBee. Z-Wave ma duży zasięg działania na otwartej przestrzeni wynoszący 90 metrów (na zewnątrz) i 24+ metrów (wewnątrz). Insteon może teoretycznie zaadresować dużą liczbę urządzeń – 17,7 miliona (w porównaniu do 65 000 w ZigBee i 232 w Z-Wave). Thread ma szybką prędkość transmisji danych na poziomie 250 kbps. Z-Wave ma lepszą interoperacyjność niż ZigBee, ale ZigBee ma szybszą transmisję danych. Thread i Zigbee działają na zajętej częstotliwości standardu Wi-Fi 2,4 GHz, podczas gdy Z-Wave działa na częstotliwości 908 MHz w USA, która charakteryzuje się mniejszym szumem i większym obszarem pokrycia. Wszystkie trzy są sieciami typu mesh. Z-Wave MAC/PHY jest globalnie standaryzowany przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny jako radio ITU 9959, a specyfikacje Z-Wave Interoperability, Security (S2), Middleware i Z-Wave over IP zostały wydane do domeny publicznej w 2016 roku, co czyni Z-Wave wysoce dostępnym dla deweloperów Internetu Rzeczy.

.