Z-WAVE là gì? tại sao nó quan trọng đối với ngôi nhà thông minh của bạn?

Nếu bạn đã từng sử dụng hoặc biết đến các sản phẩm nhà thông minh chất lượng cao, có lẽ bạn đã nhận thấy logo Z-Wave được in trên nhiều hộp của các thiết bị mà bạn thấy. Và rất có thể, bạn đã tự hỏi, "Z-Wave là gì?"
Z-Wave là giao thức giao tiếp không dây được sử dụng chủ yếu trong điều khiển nhà tự động (Home automation) hay nhà thông minh (Smarthome), cho phép các thiết bị thông minh kết nối và trao đổi các lệnh và dữ liệu điều khiển với nhau.
Với giao tiếp hai chiều thông qua kết nối mạng và nhận tin nhắn, giao thức Z-Wave giúp giảm bớt các vấn đề về điện và mang lại kết nối không dây giá rẻ cho tự động hóa nhà, cung cấp giải pháp thay thế năng lượng thấp hơn cho Wi-Fi và thay thế phạm vi dài hơn cho Bluetooth.
Lịch sử hình thành
Đầu tiên được hình dung bởi công ty Zensys của Đan Mạch, giao thức Z-Wave bắt đầu như một hệ thống điều khiển ánh sáng cho người tiêu dùng và phát triển thành giao thức lưới mạng tự động hóa nhà được thực hiện trên một hệ thống độc quyền ( SoC ). Công ty nhằm mục đích tạo ra một sự thay thế đơn giản hơn, ít tốn kém hơn cho các giao thức nhà thông minh hiện có. Zensys được Sigma Design Inc. mua lại vào năm 2008.
Năm 2001, chipset 100 Series được phát hành, tiếp theo là 200 Series vào năm 2005. Năm 2013, 500 Series, còn được gọi là Z-Wave Plus, đã được phát hành, mang lại sự cải thiện 50% về thời lượng pin, cải thiện 67% về phạm vi và băng thông rộng hơn 250%, cũng như các khả năng plug-and-play và các bản cập nhật qua mạng được tiêu chuẩn hóa.
Liên minh Z-Wave, một tập đoàn gồm các nhà lãnh đạo, nhà sản xuất và nhà tích hợp trong ngành nhằm phát triển và mở rộng các ứng dụng và khả năng của Z-Wave, được thành lập năm 2005 khi các thành viên của Intermatic Inc., Leviton Sản xuất Inc., Wayne Dalton, Danfoss và Universal Electronics đã gặp Zensys để thảo luận về tình trạng của các giao thức tự động hóa nhà. Hơn 700 thành viên hiện tại bao gồm D-Link Systems Inc., Honeywell International Inc., LG Electronics và Verizon, trong số những người khác.
Năm 2016, một số công nghệ Z-Wave đã được tạo thành nguồn mở. Sigma Design đã thêm một lớp khả năng tương tác vào thư viện nguồn mở Z-Wave với mục đích cung cấp cho các nhà phát triển phần mềm, nhà sản xuất, người có sở thích và học giả, trong số những người khác, khả năng đọc, sử dụng và nhận xét về cách Z-Wave hoạt động mà không tham gia Z- Wave Alliance hoặc mua bộ phát triển Z-Wave. Trước đó, các thỏa thuận không tiết lộ là bắt buộc và các thông số kỹ thuật chỉ dành cho các thành viên của Z-Wave Alliance và chủ sở hữu bộ phát triển Z-Wave.
Sigma Design cũng đã phát hành thông số bảo mật Z-Wave S2, Thông số kỹ thuật Z-Wave qua IP để truyền tín hiệu Z-Wave qua mạng IP và phần mềm trung gian Z-Ware trong năm 2016.
Vào năm 2017, Sigma Design đã công bố Z-Wave SmartStart, sự kết hợp của các lớp phần mềm cổng Z-Wave và cổng Z-Wave, cho phép cấu hình sẵn và loại bỏ nhu cầu thêm các thiết bị vào mạng gia đình Z-Wave, vì chúng có thể tự động kết nối khi bật nguồn.
Sê-ri 700 đã được công bố tại Triển lãm Điện tử tiêu dùng 2018 và sẽ ra mắt vào cuối năm nay. Lặp đi lặp lại này cung cấp một phạm vi từ thiết bị đến thiết bị hơn 328 feet và phạm vi lưới hơn 1.312 feet. Nó cũng sử dụng Arm Cortex SoC 32 bit, không giống như các phiên bản trước đó sử dụng nền tảng tương thích Intel MCS-51/8051 8 bit.
Năm 2018, Sigma Design đã bán Z-Wave cho Silicon Labs.
Cách thức hoạt động của Z-Wave

Mạng Z-Wave bao gồm các thiết bị internet (IoT) và bộ điều khiển chính, còn được gọi là trung tâm nhà thông minh, là thiết bị duy nhất trong mạng Z-Wave thường được kết nối với internet. Khi trung tâm Z-Wave nhận lệnh từ ứng dụng nhà thông minh trên điện thoại thông minh, máy tính bảng hoặc máy tính của người dùng, nó sẽ điều hướng lệnh đến thiết bị đích của mình qua các mạng của tối đa 232 thiết bị - bao gồm cả trung tâm.
Sử dụng công nghệ mạng lưới định tuyến nguồn , tín hiệu Z-Wave có thể nhảy qua các thiết bị Z-Wave khác để tiếp cận thiết bị mà người dùng dự định điều khiển. Mỗi mạng Z-Wave có sức chứa tối đa bốn bước nhảy.
Giao thức Z-Wave hoạt động trên băng tần 908,42 tần số thấp ở Mỹ và băng tần 868,42 MHz ở châu Âu. Mặc dù có thể can thiệp vào các thiết bị điện tử gia dụng khác, chẳng hạn như điện thoại không dây, nhưng giao thức này tránh được nhiễu với băng tần 2,4 GHz nơi Wi-Fi và Bluetooth hoạt động.
Z-Wave cung cấp tốc độ truyền của các gói dữ liệu nhỏ sử dụng tốc độ truyền thông là 9,6 kbps, 40 kbps hoặc 100 kbps. Các lớp Z-Wave PHY và MAC dựa trên tiêu chuẩn vô tuyến toàn cầu ITU-T G.9959 và giao thức sử dụng điều chế GFSK và mã hóa Manchester. Nó cũng bao gồm mã hóa AES 128 , IPv6 và hoạt động đa kênh.
Về mặt nhận dạng và ủy quyền, mỗi mạng Z-Wave được xác định bằng ID mạng và mỗi thiết bị đầu cuối được xác định bằng ID. Ví dụ, ID mạng duy nhất ngăn không cho một ngôi nhà được trang bị Z-Wave kiểm soát các thiết bị trong một ngôi nhà được trang bị tương tự khác.
Giao tiếp giữa các thiết bị nằm trong khoảng từ 30 đến 100 Mét; 500 Series có phạm vi 40 Mét và 700 Series là 100 Mét. Do các bức tường và các vật liệu xây dựng dày đặc khác giới hạn phạm vi, nên cách triển khai tốt nhất là đặt các thiết bị Z-Wave cách nhau 15 Mét hoặc ít hơn để cường độ tín hiệu tối đa.
Sử dụng bộ lặp Z-Wave - một thiết bị Z-Wave bổ sung giữa các thiết bị khác - hoặc sử dụng các thiết bị chạy bằng dòng - không dùng pin - trong mạng cũng có thể tăng cường tín hiệu và giúp thiết bị đến đích. Phạm vi tối đa với bốn bước nhảy được ước tính là khoảng 180 Méy.
Liên quan đến tuổi thọ pin, một số thiết bị Z-Wave 700 Series có thể tồn tại tới 10 năm trên pin cell, trong khi nhiều thiết bị chạy bằng pin khác kéo dài một năm hoặc lâu hơn.
Tất cả công nghệ Z-Wave đều tương thích ngược.
Để mang nhãn hiệu Z-Wave, các sản phẩm nhà thông minh phải được chứng nhận Z-Wave. Điều này liên quan đến việc đáp ứng một số yêu cầu và quan trọng nhất là có thể tương tác với tất cả các thiết bị được chứng nhận Z-Wave khác.
Khả năng bảo mật của Z-Wave
Ngay từ sớm, Z-Wave đã có tiếng xấu về bảo mật. Mặc dù nó cung cấp mã hóa AES, có một số sự cố bảo mật liên quan đến Z-Wave chủ yếu là do lỗi triển khai của các nhà sản xuất hoặc nhà sản xuất không sử dụng bảo mật được đề xuất ở nơi đầu tiên.
Trong bài thuyết trình Black Hat 2013, tin tặc đã trình diễn cách sử dụng công cụ tiêm và chặn gói Z-Force để xác định lỗ hổng triển khai quan trọng trong lớp bảo mật Z-Wave. Họ đã chỉ ra cách thỏa hiệp khóa cửa Z-Wave được mã hóa AES, hóa ra đó không phải là lỗ hổng được giới thiệu bởi Z-Wave, mà bởi nhà sản xuất khóa cửa. Đáp lại, Sigma Design đã bổ sung các trường hợp kiểm tra bảo mật bổ sung vào các quy trình chứng nhận của mình.
Trong bài thuyết trình ShmooCon năm 2016, hai tin tặc đã trình diễn cách sử dụng công cụ kiểm tra thâm nhập EZ-Wave nguồn mở để phá hủy ánh sáng và làm hỏng vật lý các thiết bị được chứng nhận Z-Wave. Trong nghiên cứu của họ, tin tặc phát hiện ra rằng chỉ có chín trong số 33 thiết bị mà họ đã thử nghiệm hỗ trợ AES. Đổi lại, Liên minh Z-Wave đã bắt buộc mã hóa AES 128 để thiết bị được chứng nhận.
Các thiết bị được chứng nhận Z-Wave Alliance bắt buộc tuân theo khung Bảo mật 2 (S2) bắt đầu vào tháng 4 năm 2017. Điều này đã sửa đổi quy trình từ quy trình ba bước trong khung S0 trước đó sang quy trình một bước trong S2.
Trong một nỗ lực để giảm thiểu man-in-the-middle , phân phối denial-of-dịch vụ và brute-force tấn công chống lại các thiết bị Z-Wave, S2 sử dụng đường cong elliptic Diffie-Hellman mật mã và đòi hỏi một mã QR hoặc mã PIN ở cấp thiết bị cho xác thực. S2 cũng thực hiện tăng cường giao tiếp đám mây bằng cách tạo đường hầm cho tất cả lưu lượng truy cập IP qua IP thông qua đường hầm TLS 1.1 an toàn.
Vào tháng 5 năm 2018, các nhà nghiên cứu từ Pen Test Partners đã tìm thấy lỗ hổng phần mềm 5 năm trong giao thức Z-Wave có tên là Z-Shave, ảnh hưởng đến khoảng 100 triệu SoC trong các thiết bị nhà thông minh được sản xuất bởi hơn 2.400 nhà cung cấp.
Trong cuộc tấn công, một thiết bị bị lừa tin rằng thiết bị kia không hỗ trợ khung S2 của Z-Wave, do đó, thiết bị này hạ cấp bảo mật của thiết bị xuống khung S0 để tương thích. Vì S0 sử dụng khóa mã hóa cứng, tin tặc trong phạm vi có khả năng chặn giao tiếp và khóa khóa thông minh để mở khóa cửa nhà.
Silicon Labs đã bác bỏ khả năng của cuộc tấn công, cho rằng cuộc tấn công này đòi hỏi sự gần gũi về mặt vật lý với thiết bị trong quá trình ghép nối, được thực hiện trong quá trình cài đặt ban đầu hoặc cài đặt lại. Điều này có nghĩa là người dùng sẽ phải có mặt tại thời điểm bị tấn công và sẽ được biết về một thiết bị chạy S0. Công ty cũng tuyên bố rằng họ đang cập nhật thông số kỹ thuật để đảm bảo người dùng nhận được cảnh báo bất cứ khi nào thiết bị bị hạ cấp xuống S0. Người dùng sẽ phải thừa nhận và chấp nhận cảnh báo để chạy hệ thống.
Áp dụng và phổ biến Z-Wave

Năm 2002, sáu thiết bị được chứng nhận Z-Wave đã có mặt trên thị trường. Năm 2012, con số đó đã tăng lên 1.000. Hiện tại, vào năm 2018, hơn 2.400 thiết bị được chứng nhận Z-Wave có sẵn từ hơn 700 thành viên của Liên minh Z-Wave.
Trang web của Z-Wave tuyên bố họ có nhiều lựa chọn sản phẩm thông minh nhất có sẵn trên các thương hiệu được công nhận rộng rãi và hơn 100 triệu giao thức Z-Wave đã được bán cho nhà thông minh trên toàn thế giới.
Ngày nay, các thiết bị được chứng nhận Z-Wave được sử dụng để điều khiển và quản lý từ xa trong nhiều ứng dụng và thiết bị IoT thông minh, bao gồm bộ điều nhiệt thông minh, khóa thông minh, ánh sáng thông minh , cảm biến thông minh, phích cắm và ổ cắm thông minh và trung tâm nhà thông minh .
Các sản phẩm được chứng nhận Z-Wave có sẵn từ các thương hiệu bao gồm ADT, GE, Honeywell, Kwikset, Schlage và SmartThings.
Z-Wave so với Zigbee

Z-Wave và Zigbee là hai trong số những tên tuổi lớn nhất trong các giao thức giao tiếp nhà thông minh. Cả hai đều sử dụng tín hiệu vô tuyến tầm ngắn, công suất thấp và công nghệ mạng lưới và cả hai đều được bảo mật bằng AES. Tuy nhiên, có một số khác biệt đáng chú ý.
Z-Wave hoạt động trên băng tần 908,42 tần số thấp trong khi giao thức Zigbee hoạt động ở tốc độ 2,4 GHz. Mặc dù tần số cao hơn cho phép Zigbee truyền nhiều dữ liệu nhanh hơn - 40-250 kbps đến 9,6 đến 100 kbps của Z-Wave - nhưng nó làm giảm phạm vi tín hiệu. Phạm vi 30 Mét của Z-Wave lớn hơn phạm vi 10 Mét của Zigbee. Là một tiêu chuẩn mở được điều hành bởi Liên minh Zigbee, chip Zigbee có sẵn từ nhiều nhà cung cấp, trong khi chip Z-Wave chỉ có sẵn từ Phòng thí nghiệm Silicon.
Zigbee thường được coi là phức tạp hơn do nhiều giao thức của nó; ví dụ, nó cung cấp các thông số kỹ thuật cho năng lượng thông minh, chăm sóc sức khỏe, cổng thông tin và nhiều thứ khác - trong lịch sử không giao tiếp tốt với nhau. Tuy nhiên, việc phát hành Zigbee 3.0 nhằm giải quyết vấn đề này và giải quyết sự phức tạp.
Mạng Zigbee, không có số bước nhảy tối đa được phép, có thể hỗ trợ hơn 65.000 thiết bị, trong khi mạng Z-Wave, giới hạn ở bốn bước, hỗ trợ tối đa 232 thiết bị.
Thường được coi là một hoặc một tình huống, nhiều trung tâm nhà thông minh ngày nay, bao gồm cả Samsung SmartThings và Wink Hub, hỗ trợ cả hai tiêu chuẩn, cho phép các thiết bị Zigbee và Z-Wave giao tiếp với nhau, do đó không cần phải chọn cái khác.
Do tính chất mở của Z-Wave, nhiều thương hiệu với bộ Z-Wave có các ứng dụng tuyệt vời không chỉ điều khiển các thiết bị gốc của riêng họ mà còn cả công nghệ Z-Wave của bên thứ ba. Kiểm tra các tên tuổi lớn như Wink, Samsung, Insteon và Honeywell nhưng cũng xem xét openHAB, Home Assistant Copmanion và Imperihome.
Các thiết bị có sử dụng công nghệ Z-Wave kể đến như: 
- Fibaro Flood Sensor
- Kwikset Obsidian Smart Lock
- Ring Door/Window Sensor
- Oomi Dual In-Wall Switch
- Logitech Home Harmony Hub Extender
- August Smart Lock
- Zipato Bulb 2
- Abode Gateway
- Yale Keyfree Connected
- D-Link mydlink sensors
- Somfy ILT Series blinds
- ADT Security Hub
- GE Lighting Control