Z-Wave

Введение

Беспроводный стандарт для интеллектуальных сетей зданий Как и другие протоколы и системы, предназначенные для жилых, коммерческих, многопроводных и строительных рынков, система Z Wave может управляться со смартфона, планшета или компьютера, а также локально через умный динамик, беспроводный клавиатурный блок или панель, установленную на стене, с шлюзом Z Wave или центральным устройством управления, служащим как хабом, так и контроллером. Z Wave обеспечивает операционную совместимость на уровне приложений между системами домашнего управления различных производителей, которые являются частью альянса. Растет число совместимых продуктов Z Wave; более 1700 в 2017 году, более 2600 к 2019 году,

История

Протокол Z Wave был разработан Zensys, датской компанией, базирующейся в Копенгагене, в 1999 году. В том же году Zensys представила систему управления потребительским освещением, которая превратилась в Z Wave как запатентованная система на чипе (SoC) протокола домашней автоматизации в нелицензионной полосе частот в диапазоне 900 МГц. Чипсеты серии 100 были выпущены в 2003 году, а серия 200 была выпущена в мае 2005 года. Чипсеты серии 500, также известные как Z Wave Plus, были выпущены в марте 2013 года с памятью в четыре раза больше, улучшенным беспроводным диапазоном, улучшенным временем автономной работы, расширенной системой безопасности S2 и функцией настройки SmartStart. Чип серии 700 был выпущен в 2019 году, с возможностью общения на расстоянии до 100 метров непосредственно от точки к точке или 800 метров по всей сети Z Wave, увеличенным сроком службы батареи до 10 лет и поставляется с технологией S2 и SmartStart. В июле 2019 года была объявлена сертификация Z Wave Plus v2. Он предназначен для устройств, построенных на платформе 700. Технология начала распространяться в Северной Америке примерно в 2005 году, когда пять компаний, включая Danfoss, Ingersoll Rand и Leviton Manufacturing, приняли Z Wave. После приобретения штаб-квартира Z Wave в США в Фримонте, Калифорния, была объединена с штаб-квартирой Sigma в Мильпитасе, Калифорния. В рамках этих изменений права на товарный знак Z Wave были сохранены в Соединенных Штатах компанией Sigma Designs и приобретены дочерним предприятием Aeotec Group в Европе. 23 января 2018 года Sigma объявила о планах продажи технологии Z Wave и бизнес-активов Silicon Labs за $240 млн, и продажа была завершена 18 апреля 2018 года. В 2005 году на рынке было шесть продуктов, использующих технологию Z Wave. К 2012 году, поскольку технология умного дома становилась все более популярной, в США было около 600 продуктов, использующих технологию Z Wave. Доступность открытого исходного кода позволяет разработчикам программного обеспечения интегрировать Z Wave в устройства с меньшим количеством ограничений. Безопасность Z Wave S2, Z/IP для транспортировки сигналов Z Wave через IP-сети и Z Wave middleware являются открытым исходным кодом с 2016 года. В 2020 году Z Wave Alliance ратифицировал спецификацию Z Wave, добавив приложение к разработке с открытым исходным кодом. Техническая рабочая группа Альянса управляет разработкой спецификации Z Wave и поддерживает библиотеку стандартных реализаций для продуктов, соответствующих Z Wave.

The Z Wave protocol was developed by Zensys, a Danish company based in Copenhagen, in 1999. That year, Zensys introduced a consumer light control system, which evolved into Z Wave as a proprietary system on a chip (SoC) home automation protocol on an unlicensed frequency band in the 900 MHz range. Its 100 series chip set was released in 2003, and its 200 series was released in May 2005, Its 500 series chip, also known as Z Wave Plus, was released in March 2013, with four times the memory, improved wireless range, improved battery life, an enhanced S2 security framework, and the SmartStart setup feature. Its 700 series chip was released in 2019, with the ability to communicate up to 100 meters directly from point to point, or 800 meters across an entire Z Wave network, an extended battery life of up to 10 years, and comes with S2 and SmartStart technology. In July 2019, the Z Wave Plus v2 certification was announced. It is designed for devices built on the 700 platform. The technology began to catch on in North America around 2005, when five companies, including Danfoss, Ingersoll Rand and Leviton Manufacturing, adopted Z Wave. Following the acquisition, Z Wave's U. S. headquarters in Fremont, California were merged with Sigma's headquarters in Milpitas, California. As part of the changes, the trademark interests in Z Wave were retained in the United States by Sigma Designs and acquired by a subsidiary of Aeotec Group in Europe. On January 23, 2018, Sigma announced it planned to sell the Z Wave technology and business assets to Silicon Labs for $240 million, and the sale was completed on April 18, 2018. In 2005, there were six products on the market that used Z Wave technology. By 2012, as smart home technology was becoming increasingly popular, there were approximately 600 products using Z Wave technology available in the U. S. The open source availability allows software developers to integrate Z Wave into devices with fewer restrictions. Z Wave's S2 security, Z/IP for transporting Z Wave signals over IP networks, and Z Wave middleware are all open source as of 2016. In 2020, the Z Wave Alliance ratified the Z Wave specification, adding the application to open source development. The Alliance Technical Working Group manages Z Wave specification development and maintains a library of standard implementations for Z Wave compliant products.

Стандарты и альянс Z-Wave

Основанный в 2005 году и реинкорпорированный как некоммерческая организация в 2020 году, Z Wave Alliance является организацией по разработке стандартов, основанной на членах, занимающейся разработкой рынка, технической спецификацией Z Wave и сертификацией устройств, а также обучением технологии Z Wave. Z Wave Alliance - это консорциум из более чем 300 компаний на рынке подключенных технологий для жилых и коммерческих помещений. Z Wave Alliance сертифицирует устройства по стандартам, которые гарантируют оперативную совместимость с полной обратной совместимостью между всеми поколениями устройств Z Wave. Эти стандарты включают в себя спецификации для надежности, дальности, потребления электроэнергии и совместимости устройств. В октябре 2013 года была анонсирована новая программа сертификации протокола и операционной совместимости под названием Z Wave Plus, основанная на новых функциях и более высоких стандартах операционной совместимости, объединенных вместе и требуемых для системы серии 500 на чипе (SoC), и включающая некоторые функции, которые были доступны с 2012 года для серии 300/400 SoC. В феврале 2014 года первый продукт был сертифицирован Z Wave Plus. В 2016 году Альянс запустил программу обучения сертифицированных инсталляторов Z Wave, чтобы предоставить инсталляторам, интеграторам и дилерам инструменты для развертывания сетей и устройств Z Wave в их жилых и коммерческих рабочих местах. В том же году Альянс анонсировал Z Wave Certified Installer Toolkit (Z CIT), устройство для диагностики и устранения неполадок, которое может использоваться во время настройки сети и устройства, а также может функционировать как инструмент дистанционной диагностики. Z Wave Long Range (LR) был анонсирован в сентябре 2020 года, новая спецификация с увеличенным диапазоном по сравнению с обычными Z Wave сигналами. Спецификация LR управляется и сертифицируется в соответствии с сертификацией Z Wave Plus v2. Z Wave Alliance поддерживает программу сертификации Z Wave. Сертификация Z Wave состоит из двух компонентов: техническая сертификация и сертификация рынка. В декабре 2019 года Z Wave объявила о проекте Z Wave Source Code Project, в рамках которого она выпустит исходный код на свою платформу, чтобы члены могли внести свой вклад в продвижение стандарта под руководством недавно созданной рабочей группы OS. Проект доступен членам альянса на GitHub. В декабре 2019 года Z Wave Alliance объявил, что спецификация Z Wave станет ратифицированным многоисточниковым стандартом беспроводной связи. Включает в себя ИТУ. G9959 Спецификация радио PHY/MAC, уровень приложений, уровень сети и протокол связи хост-устройства. Вместо того, чтобы быть одной спецификацией источника, он станет многоисточником, беспроводным стандартом умного дома, разработанным коллективными членами рабочей группы Z Wave Alliance. Z Wave Alliance станет организацией по разработке стандартов (SDO), продолжая управлять программой сертификации. В августе 2020 года Z Wave Alliance официально стала независимой некоммерческой организацией по разработке стандартов, с семью членами-основателями в рамках новой структуры SDO: Alarm. Com, Assa Abloy, Leedarson, Ring, Silicon Labs, StratIS и Qolsys. В рамках SDO существуют новые уровни членства, рабочие группы и комитеты, включая технические рабочие группы, специфичные для функций, а также группы по сертификации, безопасности и маркетингу.

Established in 2005 and re incorporated as a non profit in 2020, the Z Wave Alliance is a member driven standards development organization dedicated to market development, technical Z Wave specification and device certification, and education on Z Wave technology. Z Wave Alliance is a consortium of over 300 companies in the residential and commercial connected technology market. Z Wave Alliance certifies devices to standards that guarantee interoperability with full backwards compatibility among all generations of Z Wave devices. These standards include specifications for reliability, range, power consumption, and device interoperability. In October 2013, a new protocol and interoperability certification program called Z Wave Plus was announced, based upon new features and higher interoperability standards bundled together and required for the 500 series system on a chip (SoC), and including some features that had been available since 2012 for the 300/400 series SoCs. In February 2014, the first product was certified by Z Wave Plus. In 2016, the Alliance launched a Z Wave Certified Installer Training program to give installers, integrators and dealers the tools to deploy Z Wave networks and devices in their residential and commercial jobs. That year, the Alliance announced the Z Wave Certified Installer Toolkit (Z CIT), a diagnostics and troubleshooting device that can be used during network and device setup and can also function as a remote diagnostics tool. Z Wave Long Range (LR) was announced in September 2020, a new specification with an increased range over regular Z Wave signals. The LR specification is managed and certified under the Z Wave Plus v2 certification. Z Wave Alliance maintains the Z Wave certification program. There are two components to Z Wave certification: technical certification and market certification. In December 2019, Z Wave announced the Z Wave Source Code Project, in which it would release the source code to its platform, for members to contribute to the advancement of the standard, under the supervision of the newly established OS Work Group. The project is available to alliance members on GitHub. In December 2019, the Z Wave Alliance announced that the Z Wave specification would become a ratified, multi source wireless standard. It includes the ITU. G9959 PHY/MAC radio specification, the application layer, the network layer, and the host device communication protocol. Instead of being a single source specification, it will become a multi source, wireless smart home standard developed by collective working group members of the Z Wave Alliance. The Z Wave Alliance would become a standards development organization (SDO), while continuing to manage the certification program. In August 2020, the Z Wave Alliance officially became incorporated as an independent nonprofit standards development organization, with seven founding members under its new SDO structure: Alarm. com, Assa Abloy, Leedarson, Ring, Silicon Labs, StratIS, and Qolsys. Under the SDO, there are new membership levels, workgroups, and committees, including technical working groups specific to features, and certification, security, and marketing groups.

Радиочастоты

Z Wave предназначен для обеспечения надежной передачи небольших пакетов данных с низкой задержкой передачи данных со скоростью до 100 кбит/с, и подходит для приложений управления и сенсоров, а с возможностью передачи сообщений до четырех раз между узлами, он обеспечивает достаточное покрытие для большинства жилых домов. Модуляция - это переключение частоты (FSK) с кодированием Манчестера, а другие поддерживаемые схемы модуляции включают GFSK и DSSS OQPSK. Z Wave использует нелицензированную промышленную, научную и медицинскую (ISM) полосу, действующую на различных частотах во всем мире. Например, в Европе он работает в полосе 868 869 МГц, в то время как в Северной Америке полоса колеблется от 908 916 МГц, когда Z Wave работает в качестве сети сетчатой сети, и 912 920 МГц, когда Z Wave работает с звездной топологией в режиме Z Wave LR. Частота в МГц, используемая в865.2Индия868.4Китай, Южная Африка868.4, 869.85Армения, Бахрейн, Страны CEPT (Европа и другие страны региона), Египет, Французская Гвиана, Грузия, Ирак, Иордания, Казахстан, Кувейт, Ливан, Ливия, Нигерия, Оман, Филиппины, Катар, Саудовская Аравия, Южная Африка, Туркменистан, ОАЭ, Соединенное Королевство, Узбекистан, Йемен869Россия908.4, 916Аргентина, Багамские острова, Барбадос, Бермуды, Боливия, Британские Виргинские острова, Канада, Каймановы острова, Колумбия, Гватемала, Гаити, Гондурас, Ямайка, Мальдивы, Маврикий, Мексика, Молдова, Марокко, Никарагуа, Панама, Тринидад и Тобаго, Уругвай, Туркс и Кайкос, США, Израиль9169919.98, Австралия 921.4 Бразилия, Бразилия, Чили, Доминиканская Республика, Эквадор, Сальвадор, Сальвадор, Сальвадор, Индонезия, Малайзия, Новая Малайзия, Парагвай, Перу, Уругвай, Венесу, Уругвай, Венесуэла, Вьи, Вьи, Вьи, Вьи, 9220.920.920, Вьи, 921.920, Вьи, Вьетнам, 3.31,1,31,31,1,2,2,2,2,2,2,2,36,33,3,3,3,3,3,35, Сингапур, Боли, Япония, Макао, Маль, Южная, Тайвань, 922.925, Сингапур, Южная, Тайланд, Сингапур, 922.

Настройка сети, топология и маршрутизация

Традиционные сети хаба и спика включают в себя один центральный хаб или точку доступа, к которой подключены все устройства, например, беспроводное устройство, подключающееся к маршрутизатору. Z-Wave устройства создают сеть сетей, где устройства могут общаться друг с другом в дополнение к центральному узлу. Преимущества сети сетчатых сетей включают в себя больший диапазон и совместимость, а также более прочную сеть. Устройства Z Wave LR работают по топологии звездной сети, которая имеет концентратор в центральной точке, а затем устанавливает прямое соединение с каждым устройством, а не отправляет сигналы от узла к узлу до тех пор, пока не будет достигнуто предполагаемое назначение, как в сети сетки. Ключевое различие между звездной сетью и сетью сетки заключается в прямом соединении хаба с устройством. Как Z Wave LR, так и традиционные узлы Z Wave могут сосуществовать в одной сети. Дополнительные устройства могут быть добавлены в любое время, как и вторичные контроллеры, включая традиционные ручные контроллеры, контроллеры ключевых клавиш, контроллеры настенных переключателей и ПК-приложения, предназначенные для управления и управления сетью Z Wave. Сеть Z Wave может состоять из до 232 устройств или до 4000 узлов в одной умной домашней сети с Z Wave LR. Оба позволяют использовать возможность соединения сетей, если требуется больше устройств. Чип Z Wave оптимизирован для устройств с батареей, и большую часть времени остается в режиме экономии энергии, чтобы потреблять меньше энергии, просыпаясь только для выполнения своей функции. В декабре 2019 года Silicon Labs объявила, что выпустит спецификацию Z Wave в качестве открытого беспроводного стандарта для разработки, который будет сертифицирован Z Wave Alliance. 17 ноября 2016 года Z Wave Alliance объявил о ужесточении стандартов безопасности для устройств, получающих сертификацию Z Wave с 2 апреля 2017 года. Известный как Security 2 (или S2), он обеспечивает передовую безопасность для устройств умного дома, шлюзов и хабов. Он поддерживает стандарты шифрования для передачи данных между узлами и устанавливает новые процедуры сопряжения для каждого устройства с уникальными PIN-кодами или QR-кодами на каждом устройстве. Новый уровень аутентификации предназначен для предотвращения взлома и захвата контроля над незащищенными или плохо защищенными устройствами. Согласно Z Wave Alliance, новый стандарт безопасности является самым передовым стандартом безопасности, доступным на рынке для устройств и контроллеров умного дома, шлюзов и хабов. Чип серии 800, выпущенный в конце 2021 года, продолжает поддерживать стандартные возможности безопасности S2, а также технологию Silicon Labs Secure Vault, позволяющую использовать беспроводные устройства с безопасностью уровня 3 сертификации PSA. В 2022 году исследователи опубликовали несколько уязвимостей в чипсетах Z Wave до серии 700, основанных на специальном протоколе с открытым исходным кодом. В результате, в зависимости от чипсета и устройства, злоумышленник в радиосвязи Z Wave может отказать в обслуживании, вызвать сбой устройств, истощить батареи, перехватить, наблюдать и воспроизводить трафик и контролировать уязвимые устройства. Соответствующие СВЭ (CVE 2020 9057, CVE 2020 9058, CVE 2020 9059, CVE 2020 9060, CVE 2020 9061, CVE 2020 10137) были опубликованы CERT. Z Wave устройства с чипсетами серии 100, 200, 300 не могут быть обновлены для устранения уязвимостей. Для устройств с чипсетами серии 500 и 700 эти уязвимости могут быть устранены путем обновления прошивки.

Traditional hub and spoke networks include one central hub or access point to which all devices are connected, such as a wireless device connecting to a router. Z Wave devices create a mesh network, where devices can communicate with each other in addition to the central hub. Advantages to a mesh network include greater range and compatibility, and a stronger network. Z Wave LR devices operate on a star network topology that features the hub at a central point and then establishes a direct connection to each device, rather than sending signals from node to node until the intended destination is met, as in a mesh network. The key difference between a star network and a mesh network is the direct hub to device connection. Both Z Wave LR and traditional Z Wave nodes can coexist within the same network. Additional devices can be added at any time, as can secondary controllers, including traditional hand held controllers, key fob controllers, wall switch controllers and PC applications designed for management and control of a Z Wave network. A Z Wave network can consist of up to 232 devices, or up to 4,000 nodes on a single smart home network with Z Wave LR. Both allow the option of bridging networks if more devices are required. The Z Wave chip is optimized for battery powered devices, and most of the time remains in a power saving mode to consume less energy, waking up only to perform its function. In December 2019, Silicon Labs announced that it would release the Z Wave specification as an open wireless standard for development to be certified by the Z Wave Alliance. On November 17, 2016, the Z Wave Alliance announced stronger security standards for devices receiving Z Wave Certification as of April 2, 2017. Known as Security 2 (or S2), it provides advanced security for smart home devices, gateways and hubs. It shores up encryption standards for transmissions between nodes, and mandates new pairing procedures for each device, with unique PIN or QR codes on each device. The new layer of authentication is intended to prevent hackers from taking control of unsecured or poorly secured devices. According to the Z Wave Alliance, the new security standard is the most advanced security available on the market for smart home devices and controllers, gateways and hubs. The 800 series chip, released in late 2021, continues to support standard S2 security capabilities, as well as Silicon Labs Secure Vault technology, enabling wireless devices with PSA Certification Level 3 security. In 2022, researchers published several vulnerabilities in the Z Wave chipsets up to the 700 series, based on an open source protocol specific fuzzer. As a result, depending on the chipset and device, an attacker within Z Wave radio range can deny service, cause devices to crash, deplete batteries, intercept, observe, and replay traffic, and control vulnerable devices. The related CVEs (CVE 2020 9057, CVE 2020 9058, CVE 2020 9059, CVE 2020 9060, CVE 2020 9061, CVE 2020 10137) were published by CERT. Z Wave devices with 100, 200, 300 series chipsets cannot be updated to fix the vulnerabilities. For devices with 500 and 700 chipset series those vulnerabilities could be mitigated through firmware updates.

Оборудование

Чип для узлов Z Wave - ZW0500, построенный вокруг микроконтроллера Intel MCS 51 с внутренним системным часом 32 МГц. Часть микросхемы с радиочастотным диапазоном содержит приемник-передатчик GisFSK для частоты, подбираемой программным обеспечением. С источником питания 2,2 3,6 вольт, он потребляет 23 мА в режиме передачи. На выставке потребительской электроники 8 января 2018 года Sigma Designs представила свою платформу Z Wave 700. Чип серии 700 был выпущен в 2019 году. Z Wave LR - это дополнительное дополнение к протоколу Z Wave с модуляцией DSSS OQPSK на 100 кбит/с. Модуляция рассматривается как четвертый канал, позволяющий шлюзам добавлять узлы LR к существующему сканированию канала Z Wave. Z Wave LR также увеличивает масштабируемость в одной умной домашней сети до 4000 узлов, что в 20 раз больше по сравнению с Z Wave. Z Wave MAC / PHY стандартизован Международным союзом электросвязи как радио ITU 9959, а спецификации Z Wave Interoperability, Security (S2), Middleware и Z Wave over IP были выпущены в общественное достояние в 2016 году, и Z Wave стал полностью ратифицированным протоколом с открытым исходным кодом для разработки. С 17 ноября 2022 года OpenZWave больше не поддерживается. Matter, созданный Альянсом стандартов подключения и основанный 19 декабря 2019 года, направлен на унификацию связи устройств, чтобы подключенные устройства работали вместе как в беспроводных технологиях, так и в экосистемах умного дома. Сети Z Wave имеют IP на уровне шлюза, что позволяет подключать облако к Материи. Они могут также работать вместе на уровне местной сети.