© aimage, 123RF

Z-Wave verbindet Komponenten im Smart Home und sorgt dafür, dass abgesetzte Kommandos der Kontrollstation tatsächlich Aktionen an echten Haushaltsgeräten einleiten. Doch wie funktioniert es genau, wie weit funkt es und ist das Protokoll sicher? Einige Grundlagen, die jeder Z-Waver kennen sollte.

Das Türschloss öffnet sich, wenn das Mobiltelefon des Besitzers sich dem Eingang nähert. Das Licht in der Wohnung geht an, als der Bewegungsmelder ein herumwandelndes Wesen registriert und der Lichtsensor feststellt, dass es Nacht ist. Das Garagentor schließt sich automatisch, als das Auto eingefahren ist, und ein Controller erkennt, dass der schusslige Fahrer mal wieder vergessen hat, vor dem Entsteigen durch die Hintertür den Schließen-Knopf des Tores zu drücken, und nun das Tor selbst zumacht.

Das ist die Fiktion des Smart Home, die wohl bald Realität wird. Bevor es aber so weit ist, muss sich der Hausherr noch entscheiden, welches Verfahren zum Einsatz kommt, um von Sensoren aufgeschnappte Signale an Controller zu melden, die dann wiederum Aktionen einleiten und Endgeräte bedienen.

Einfach kabellos

Nicht jeder baut sein Haus selbst neu und kann für jeden Firlefanz Kabel in der Wand verlegen, also bieten sich drahtlose Lösungen an. In den 90er Jahren begannen vor allem in den USA bastelfreudige Elektriker Lampen oder gar Haushaltsgeräte mit einer Technologie namens X10 ein- und auszuschalten, die entweder über die Stromleitung oder drahtlos mit RF-Technologie Signale übertrug. Doch bot X10 keine zuverlässige Kommunikation, ob ein Gerät ein gesendetes Signal tatsächlich empfangen hatte, ließ sich oft nicht mit Sicherheit sagen.

In den USA, wo Schlamperei und Unzuverlässigkeit eher akzeptiert sind, lief das Produkt ganz gut, doch in Deutschland widersprach es offensichtlich der Perfektions-närrischen deutschen Seele und setzte sich nie flächendeckend durch. Neben anderen drahtlosen Alternativen wie Zigbee Abbildung 3 das Kommando des Controllers gar nicht erst beim Slave ankommt, oder aber der Slave es zwar empfängt, das »ACK« losschickt, aber dieses nicht wieder zum Controller gelangt. In beiden Fällen nimmt der Controller an, dass das Kommando fehlgeschlagen ist, und wiederholt das Verfahren einfach bis zu zwei Mal. Schlägt auch der dritte Versuch fehl, meldet der Controller einen Fehler und nimmt an, dass die Verbindung zum Slave außer Betrieb ist.

Unerreichbare Distanzen überbrücken

Je nach Beschaffenheit des Hauses kann das Z-Wave-Signal zwischen Sender und Empfänger schon mal einige Räume durchqueren. Die Reichweite variiert je nach Geräteversion und Anzahl und Dicke der zu durchquerenden Wände erfahrungsgemäß zwischen etwa 10 Metern und 30 Metern. Für mehr überbrückbare Distanz sorgt das Z-Wave-eigene Maschennetzwerk: Viele Z-Wave-Geräte arbeiten neben ihrer eigentlichen Aufgabe als Schalter oder Sensor auch noch als Router für andere Signale, die ein Controller einem eigentlich zu weit entfernten Empfänger schicken möchte.

Dazu fordert sie der Controller bei der Initialisierung auf, ihre Nachbarn ausfindig zu machen und zu melden. Möchte der Controller dann später einem dieser Geräte eine Nachricht schicken, kann dies aber wegen begrenzter Reichweite nicht, schickt er ein Paket mit den Routinginformationen an das Gerät, das diesen Nachbarn vorher gemeldet hat. Dieses leitet das Paket dann aufgrund der beiliegenden Routingtabelle an den Empfänger weiter, der auf demselben Weg in umgekehrter Richtung so mit dem eigentlich unerreichbaren Controller kommunizieren kann (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der Controller kann den Slave nicht erreichen: x. Aber ein drittes Z-Wave-Gerät tritt als Router auf und ermöglicht die Kommunikation.

Nach diesem Verfahren bauen sich Z-Wave-Geräte untereinander ein Maschennetzwerk auf, das im Fehlerfall sogar seine Routen dynamisch anpassen kann. Jedes Gerät im Verbund erhält eine eigene Node-ID, alle Geräte eines Hauses sind unter einer Home-ID zusammengefasst. So weiß ein bestimmtes Gerät mit Sicherheit, dass ein in der Luft herumschwirrendes Paket für es selbst und nicht für einen anderen Knoten im Maschennetzwerk bestimmt ist.

Stromversorgung

Z-Wave-Geräte kommen in drei verschiedenen Kategorien bei der Energiezufuhr und entsprechenden Leistungsprofilen daher. Geräte mit permanenter Stromversorgung über die Steckdose lauschen dauerhaft im Äther nach Funksignalen und bearbeiten diese nach Empfang sofort. Sie stellen deshalb auch oft Routerfunktionen für andere Geräte im Maschennetz bereit.

Bei batteriebetriebenen Geräten, zum Beispiel einem Türschloss, ist das nicht so einfach möglich, wenn die Batterie einige Zeit halten soll. Sie wachen in regelmäßigen Abständen auf, sehen nach, ob überhaupt Funksignale in der Luft liegen, und springen dann erst richtig an, um diese zu dekodieren und eventuell zu verarbeiten.

In die dritte Kategorie fallen Geräte wie eine Fernbedienung, die im Ruhezustand absolut nichts tun und nur auf Knopfdruck anspringen und Signale absetzen. Sie sind für einen Controller in umgekehrter Richtung normalerweise nicht zu erreichen.

Regionale Unterschiede

Da die Freigabe von Funkfrequenzen der Kontrolle nationaler Regierungen unterliegt, operieren Z-Wave-Geräte je nach Land auf unterschiedlichen Frequenzen. So funken deutsche Z-Wave-Geräte auf 868,4 MHz, die in den USA auf 908,4 MHz. Während ein Sender und ein Empfänger aus demselben Land zwar andernorts funktionieren, lässt sich die Kombination nicht einfach auf der falschen Frequenz legal betreiben. Vielmehr muss der User die Geräte mit der zugelassenen Frequenz für sein Land erwerben.

Grillen Wellen das Hirn?

Bleibt die Frage zu klären, ob drahtlose Verbindungen die Gesundheit der Bewohner eines Smart Home beeinträchtigt. Laut [5] emittieren Z-Wave-Geräte etwa 1/1000stel der Energie, die während eines Telefongesprächs von einem Mobiltelefon abgestrahlt wird. Hinzu kommt, dass Z-Wave-Controller und -Schalter nur sporadisch aktiv werden und sich normalerweise nicht in unmittelbarer Körpernähe befinden, also sollte ihre Verwendung unbedenklich sein.

Ist es sicher?

Im Jahr 2013 unterlief dem Hersteller eines zertifizierten Z-Wave-Türschlosses ein Fehler bei der Implementierung der verwendeten AES-Verschlüsselung, was Angreifer dazu befähigte, das Schloss per Fernsteuerung aufzusperren und anschließend dem Besitzer zu melden, dass das Schloss versperrt sei obwohl es offen war. Sonst sind derzeit keine Lücken bekannt.

Doch die Sicherheitsanalyse des Z-Wave-Protokolls steckt noch in den Anfängen, Bösewichte dürften bei steigender Verbreitung eines so lukrativen Angriffsziels in ihren Bemühungen sicher Gas geben.

Ausblick

Diese kurze Einführung konnte naturgemäß nur an der Oberfläche der Technik kratzen. Wem Z-Wave gefällt, konnte sich bis vor Kurzem detailliertere Ausführungen nur in der Form des Fachbuchs von Christian Pätz [5] finden – ea war das einzige verfügbare Standardwerk. Die nun aber öffentlichen Spezifikationen von Sigma Designs zum Z-Wave-Standard [3] vermitteln dem interessierten Anwender besonders auf der technischen Ebene fundiertere Informationen direkt vom Hersteller. Für die praktische Anwendung einer Lampensteuerung mit Linux sei zudem auf den Anfang des Jahres erschienenen Praxisartikel [6] verwiesen.

Erfahrungsgemäß starten viele Bastler erst mal mit zwei, drei Z-Wave-Komponenten. Finden sie dann aber Geschmack an den automatischen Funktionen, entsteht im Laufe der Zeit manchmal ein palastgroßes Smart Home.