Z-Wave

FunkfrequenzenBearbeiten

Z-Wave wurde entwickelt, um eine zuverlässige, latenzarme Übertragung von kleinen Datenpaketen mit Datenraten von bis zu 100kbit/s zu ermöglichen. Der Durchsatz beträgt 40kbit/s (9,6kbit/s mit alten Chips) und eignet sich für Steuerungs- und Sensoranwendungen, im Gegensatz zu Wi-Fi und anderen IEEE 802.11-basierten Wireless-LAN-Systemen, die vor allem für hohe Datenraten ausgelegt sind. Die Kommunikationsdistanz zwischen zwei Knoten beträgt etwa 30 Meter (40 Meter mit Chips der 500er Serie), und mit der Möglichkeit, bis zu viermal zwischen Knoten zu springen, bietet es eine ausreichende Abdeckung für die meisten Wohnhäuser. Die Modulation ist Frequenzumtastung (FSK) mit Manchester-Kodierung.

Z-Wave nutzt das nicht lizenzierte ISM-Band (Industrial, Scientific, and Medical) Part 15. Es arbeitet in Europa auf 868,42 MHz, in Nordamerika auf 908,42 MHz und nutzt in anderen Ländern je nach den dortigen Bestimmungen andere Frequenzen. Dieses Band konkurriert mit einigen schnurlosen Telefonen und anderen Geräten der Unterhaltungselektronik, vermeidet aber Interferenzen mit Wi-Fi, Bluetooth und anderen Systemen, die auf dem überfüllten 2,4-GHz-Band arbeiten. Die unteren Schichten, MAC und PHY, werden durch ITU-T G.9959 beschrieben und sind vollständig abwärtskompatibel. Im Jahr 2012 nahm die International Telecommunication Union (ITU) die Z-Wave PHY- und MAC-Layer als Option in ihren G.9959-Standard für Wireless-Geräte unter 1 GHz auf. Die Datenraten umfassen 9600 bps und 40 kbps, die Ausgangsleistung liegt bei 1 mW oder 0 dBm. Die Z-Wave-Transceiver-Chips werden von Silicon Labs geliefert.

Tabelle der verwendeten Frequenzen in verschiedenen Teilen der Welt:

Netzwerkaufbau, Topologie und RoutingBearbeiten

Z-Wave verwendet eine Source-Routed-Mesh-Netzwerkarchitektur. Mesh-Netzwerke werden auch als drahtlose Ad-hoc-Netzwerke bezeichnet. In solchen Netzwerken nutzen Geräte den drahtlosen Kanal, um Kontrollnachrichten zu senden, die dann von benachbarten Geräten wellenförmig weitergegeben werden. Das Quellgerät, das senden möchte, wird daher als Initiator bezeichnet. Daher auch der Name source-initiated mesh ad hoc routing. Es gab mehrere quellinitiierte Mesh-Routing-Protokolle, die in den frühen 1990er Jahren vorgeschlagen wurden. Die früheren waren Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV) und Dynamic Source Routing (DSR).

Geräte können miteinander kommunizieren, indem sie Zwischenknoten verwenden, um aktiv zu routen und Hindernisse oder Funklöcher zu umgehen, die in der Mehrwegeumgebung eines Hauses auftreten können. Eine Nachricht von Knoten A zu Knoten C kann auch dann erfolgreich zugestellt werden, wenn sich die beiden Knoten nicht in Reichweite befinden, vorausgesetzt, dass ein dritter Knoten B mit den Knoten A und C kommunizieren kann. Wenn die bevorzugte Route nicht verfügbar ist, versucht der Absender der Nachricht andere Routen, bis ein Pfad zum C-Knoten gefunden wird. Daher kann ein Z-Wave-Netzwerk viel weiter reichen als die Funkreichweite eines einzelnen Geräts; bei mehreren dieser Hops kann es jedoch zu einer leichten Verzögerung zwischen dem Steuerbefehl und dem gewünschten Ergebnis kommen.

Das einfachste Netzwerk besteht aus einem einzelnen steuerbaren Gerät und einem primären Controller. Zusätzliche Geräte können jederzeit hinzugefügt werden, ebenso wie sekundäre Controller, einschließlich traditioneller Handheld-Controller, Schlüsselanhänger-Controller, Wandschalter-Controller und PC-Anwendungen, die für die Verwaltung und Steuerung eines Z-Wave-Netzwerks entwickelt wurden. Ein Z-Wave-Netzwerk kann aus bis zu 232 Geräten bestehen, mit der Möglichkeit, Netzwerke zu überbrücken, wenn mehr Geräte benötigt werden.

Ein Gerät muss in das Z-Wave-Netzwerk „aufgenommen“ werden, bevor es über Z-Wave gesteuert werden kann. Dieser Vorgang (auch als „Pairing“ und „Adding“ bezeichnet) wird in der Regel durch eine Abfolge von Tastendrücken am Controller und am Gerät, das dem Netzwerk hinzugefügt werden soll, erreicht. Diese Sequenz muss nur einmal durchgeführt werden, danach wird das Gerät immer vom Controller erkannt. Geräte können durch einen ähnlichen Prozess aus dem Z-Wave-Netzwerk entfernt werden. Der Controller lernt die Signalstärke zwischen den Geräten während des Aufnahmeprozesses, daher erwartet die Architektur, dass sich die Geräte an ihrem vorgesehenen endgültigen Standort befinden, bevor sie dem System hinzugefügt werden. Typischerweise verfügt der Controller über eine kleine interne Batteriepufferung, so dass er vorübergehend ausgesteckt und zum Standort eines neuen Geräts gebracht werden kann, um es zu koppeln. Der Controller wird dann an seinen normalen Standort zurückgebracht und wieder angeschlossen.

Jedes Z-Wave-Netzwerk wird durch eine Netzwerk-ID identifiziert, und jedes Gerät wird weiter durch eine Knoten-ID identifiziert. Die Netzwerk-ID (auch Home-ID genannt) ist die gemeinsame Identifikation aller Knoten, die zu einem logischen Z-Wave-Netzwerk gehören. Die Netzwerk-ID hat eine Länge von 4 Byte (32 Bit) und wird jedem Gerät durch den primären Controller zugewiesen, wenn das Gerät in das Netzwerk „aufgenommen“ wird. Knoten mit unterschiedlichen Netzwerk-IDs können nicht miteinander kommunizieren. Die Knoten-ID ist die Adresse eines einzelnen Knotens im Netzwerk. Die Node ID hat eine Länge von 1 Byte (8 Bit) und muss in ihrem Netzwerk eindeutig sein.

Der Z-Wave-Chip ist für batteriebetriebene Geräte optimiert und verbleibt die meiste Zeit in einem Energiesparmodus, um weniger Energie zu verbrauchen, und wacht nur auf, um seine Funktion auszuführen. Bei Z-Wave-Mesh-Netzwerken sendet jedes Gerät im Haus drahtlose Signale aus, was zu einem geringen Stromverbrauch führt, so dass die Geräte jahrelang arbeiten können, ohne dass die Batterien ausgetauscht werden müssen. Damit die Z-Wave-Geräte unaufgeforderte Nachrichten weiterleiten können, dürfen sie sich nicht im Ruhezustand befinden. Daher sind batteriebetriebene Geräte nicht als Repeater konzipiert. Mobile Geräte, wie Fernbedienungen, sind ebenfalls ausgeschlossen, da Z-Wave davon ausgeht, dass alle Repeater-fähigen Geräte im Netzwerk in ihrer ursprünglich erkannten Position verbleiben.

SecurityEdit

Z-Wave basiert auf einem proprietären Design, das von Sigma Designs als primärem Chip-Anbieter unterstützt wird, aber die Z-Wave-Geschäftseinheit wurde 2018 von Silicon Labs übernommen. Im Jahr 2014 wurde Mitsumi zu einer lizenzierten zweiten Quelle für Z-Wave-Chips der 500er-Serie. Obwohl es eine Reihe akademischer und praktischer Sicherheitsforschungen zu Heimautomatisierungssystemen auf Basis von Zigbee- und X10-Protokollen gab, steckt die Forschung zur Analyse der Z-Wave-Protokollstapelschichten noch in den Kinderschuhen, was die Entwicklung eines Geräts zum Abfangen von Funkpaketen und entsprechender Software zum Abfangen der Z-Wave-Kommunikation erfordert. Eine frühe Schwachstelle wurde in AES-verschlüsselten Z-Wave-Türschlössern aufgedeckt, die aus der Ferne ausgenutzt werden konnte, um Türen ohne Kenntnis der Verschlüsselungsschlüssel zu entriegeln, und aufgrund der geänderten Schlüssel würden nachfolgende Netzwerknachrichten, wie z. B. „Tür ist offen“, vom etablierten Controller des Netzwerks ignoriert werden. Die Schwachstelle beruhte nicht auf einem Fehler in der Z-Wave-Protokollspezifikation, sondern war ein Implementierungsfehler des Türschlossherstellers.

Am 17. November 2016 kündigte die Z-Wave Alliance stärkere Sicherheitsstandards für Geräte an, die ab dem 2. April 2017 eine Z-Wave-Zertifizierung erhalten. Bekannt als Security 2 (oder S2), bietet es erweiterte Sicherheit für Smart Home-Geräte, Gateways und Hubs. Es verstärkt die Verschlüsselungsstandards für Übertragungen zwischen den Knotenpunkten und schreibt neue Kopplungsverfahren für jedes Gerät vor, mit eindeutigen PIN- oder QR-Codes auf jedem Gerät. Die neue Authentifizierungsebene soll Hacker daran hindern, die Kontrolle über ungesicherte oder schlecht gesicherte Geräte zu übernehmen. Laut der Z-Wave Alliance ist der neue Sicherheitsstandard der fortschrittlichste, der auf dem Markt für Smart Home-Geräte und -Controller, Gateways und Hubs verfügbar ist. Aber wegen der Abwärtskompatibilität sind S2-Geräte während des Pairing-Prozesses immer noch angreifbar.

HardwareEdit

Der Chip für Z-Wave-Knoten ist der ZW0500, der um einen Intel MCS-51-Mikrocontroller mit einem internen Systemtakt von 32 MHz aufgebaut ist. Der HF-Teil des Chips enthält einen GisFSK-Transceiver für eine per Software wählbare Frequenz. Bei einer Spannungsversorgung von 2,2-3,6 Volt verbraucht er im Sendebetrieb 23mA. Zu seinen Merkmalen gehören AES-128-Verschlüsselung, ein drahtloser Kanal mit 100kbps, gleichzeitiges Mithören auf mehreren Kanälen und USB-VCP-Unterstützung.

Vergleich zu anderen Protokollen

Für die drahtlose Vernetzung im Smart Home gibt es zahlreiche Technologien, die darum konkurrieren, der Standard der Wahl zu werden. Wi-Fi verbraucht viel Strom, und Bluetooth ist in der Signalreichweite und der Anzahl der Geräte begrenzt. Andere Netzwerkstandards, die mit Z-Wave konkurrieren, sind Wi-Fi HaLow, Bluetooth 5, Insteon, Thread und ZigBee. Z-Wave hat eine große Reichweite im Freien mit 90 Metern (Outdoor) und 24+ Metern (Indoor). Insteon kann mit 17,7 Millionen theoretisch eine große Anzahl von Geräten ansprechen (im Vergleich zu ZigBee mit 65.000 und Z-Wave mit 232). Insteon hat eine schnelle Datenübertragungsrate mit 250 kbps. Z-Wave hat eine bessere Interoperabilität als ZigBee, aber ZigBee hat eine schnellere Datenübertragungsrate. Thread und Zigbee arbeiten auf der stark frequentierten Wi-Fi-Standardfrequenz von 2,4 GHz, während Z-Wave in den USA auf 908 MHz arbeitet, was weniger Rauschen und einen größeren Abdeckungsbereich hat. Alle drei sind Mesh-Netzwerke. Der Z-Wave-MAC/PHY ist weltweit von der International Telecommunications Union als ITU 9959-Funk standardisiert, und die Z-Wave-Spezifikationen für Interoperabilität, Sicherheit (S2), Middleware und Z-Wave over IP wurden alle im Jahr 2016 in die öffentliche Domäne entlassen, was Z-Wave für Internet-of-Things-Entwickler sehr zugänglich macht.