پروتکل Z-Wave چیست؟

پروتکل Z-Wave (زد ویو) یک پروتکل ارتباط بی سیم است که در درجه اول در شبکه های خانگی هوشمند مورد استفاده قرار می گیرد و دستگاه‌های هوشمند را به یکدیگر متصل می‌کند و امکان تبادل اطلاعات بین دستگاه‌ها را فراهم می‌کند.

پروتکل Z-Wave با  برقراری ارتباط دو طرفه از طریق شبکه محلی و تأیید پیام، به کاهش مشکلات برق کمک کرده و اتصال بی‌سیم کم هزینه را برای اتوماسیون منزل به ارمغان می‌آورد، یک جایگزین کم مصرف برای Wi-Fi و جایگزینی با برد طولانی‌تر برای بلوتوث را ارائه می‌دهد؛ با یوکا همراه باشید.

Z-Wave چگونه کار می‌کند؟

یک شبکه Z-Wave از دستگاه‌های اینترنت اشیاء (IoT) اشاره دارد به اشیا و تجهیزات محیط پیرامون‌مان که به شبکه اینترنت متصل شده و توسط اپلیکیشن‌های موجود در تلفن‌های هوشمند و تبلت قابل کنترل و مدیریت هستند.

اینترنت چیزها به زبان ساده، ارتباط سنسورها و دستگاه‌‌ها با شبکه ‌ای است که از طریق آن می‌‌توانند با یکدیگر و با کاربران‌شان تعامل کنند و یک کنترل کننده اصلی تشکیل شده است، همچنین به عنوان یک مرکز خانگی هوشمند شناخته می‌شود، که تنها دستگاه در یک شبکه Z-Wave است و معمولاً به اینترنت متصل است.

هنگامی که یک هاب Z-Wave از طریق یک تلفن هوشمند، تبلت یا کامپیوتر شخصی یک فرمان از یک برنامه خانگی هوشمند دریافت می‌کند، این دستور را به دستگاه مقصد خود از طریق شبکه‌های حداکثر ۲۳۲ دستگاه از جمله هاب هدایت می‌کند.

سیگنال‌های پروتکل Z-Wave با استفاده از فناوری مسیریابی شبکه مش می‌توانند از طریق سایر دستگاه‌های Z-Wave برای دستیابی به دستگاهی که کاربر قصد کنترل آن را دارد، عمل کنند. هر شبکه Z-Wave حداکثر چهار هاپ در شبکه‌های کامپیوتری هاپ قسمتی از یک مسی بین مبدا و مقصد بسته اطلاعاتی است را در خود جای می‌دهد.

پروتکل زی‌ویو (Z-Wave) روی باند فرکانسی ۹۰۸٫۴۲ مگاهرتز در آمریکا و ۸۶۸٫۴۲ مگاهرتز در اروپا کار می‌‌کند. در مقایسه با دیگر تجهیزات الکتریکی خانه مانند تلفن بی‌سیم، این پروتکل از اختلال با باند ۲٫۴ گیگاهرتز که مربوط به وای‌فای (WiFi) و بلوتوث (Bluetooth) است، جلوگیری می‏‌کند.

نرخ انتقال اطلاعات در شبکه زی‌ویو پایین و حدود ۹٫۶، ۴۰ و یا ۱۰۰ کیلوبایت بر ثانیه است. در شبکه زی‌ویو، لایه فیزیکی و کنترل دسترسی به رسانه (MAC) بر اساس استاندارد جهانی ITU-T G.9959 تعریف شده است و پروتکل از مودولاسیون GFSK و کدنویسی منچستر استفاده می‌کند. این برنامه همچنین شامل رمزگذاری AES 128 ،IPv6 و عملکرد چند کاناله است.

هر شبکه Z-Wave با یک ID شبکه و هر دستگاه نیز یک ID مخصوص دارد. به این ترتیب هیچ دو وسیله‌ای یک ID مشترک ندارند. به طور مثال، ID شبکه مختص یک خانه هوشمند نمی‌تواند دستگاه‌های مشابه در خانه‌ای دیگر را کنترل کند.

ارتباط بین دستگاه‌ها از ۹۸ تا ۳۲۸ پا متغیر است. سری ۵۰۰ دارای ۱۳۰ پا و سری ۷۰۰ دارای ۳۲۸ پا است. در این شبکه ارتباط بین تجهیزات در فاصله ۳۰ تا ۱۰۰ متر برقرار می‌شود. به ‌علت وجود دیوارها و مصالح ساختمانی دیگر، محدوده عملکرد شبکه زی‌ویو را محدود می‌کند به همین دلیل بهترین راهکار قرار دادن دستگاه‌های Z-Wave در ۵۰  فوتی یا کمتر از یکدیگر برای استفاده از حداکثر توان سیگنال‌ها است.

با استفاده از یک تکرار کننده پروتکل Z-Wave یک دستگاه اضافی Z-Wave بین سایر دستگاه‌ها یا با استفاده از دستگاه‌هایی که از پاورلاین (پاورلاین یک کیت توسعه دهنده شبکه از طریق کابل کشی برق منزل یا محل کار) استفاده می‌کنند، ارتباط برقرار می‌کند. دستگاه‌های بدون باتری در شبکه همچنین می‌توانید سیگنال را تقویت کرده و آن را در رسیدن به مقصد خود کمک کنید. حداکثر برد با چهار هاپ، ۶۰۰ فوت تخمین زده می‌شود.

با توجه به عمر باتری، برخی از دستگاه‌های سری ۷۰۰ Z-Wave می‌توانند تا ۱۰ سال با استفاده از باتری سکه‌ای تک سلولی، استفاده شوند، در حالی که بسیاری از دستگاه‌هایی که با باطری کار می‌کنند، یک سال یا کمی بیشتر دوام می‌آورند. فناوری زد ویو تماما بک وارد کامپتیبل است. برای داشتن برند Z-Wave، محصولات خانگی هوشمند باید گواهی Z-Wave داشته باشند. این شامل برآورده شدن تعدادی از الزامات و مهم‌تر از همه، قابلیت همکاری با سایر دستگاه‌های دارای مجوز زی ویو است.

تاریخچه پروتکل Z-Wave

پروتکل Z-Wave برای اولین بار توسط شرکت دانمارکی Zensys به عنوان یک سیستم کنترل هوشمند روشنایی برای مصرف کنندگان آغاز شد و به یک پروتکل مش اتوماسیون شبکه خانگی تکامل یافت که این پروتکل بر روی یک سیستم برون تراشه‌ای SoC  پیاده سازی شد. این شرکت با هدف ایجاد جایگزینی ساده‌تر و ارزان‌تر از پروتکل‌های موجود در خانه‌های هوشمند ایجاد شد. Zensys توسط شرکت Sigma Designs Inc در سال ۲۰۰۸ به وجود آمد.

در سال ۲۰۰۱، چیپست سری ۱۰۰ و به دنبال آن سری ۲۰۰ در سال ۲۰۰۵ به بازار عرضه شد. در سال ۲۰۱۳، سری ۵۰۰ که با نام Z-Wave Plus شناخته می‌شود، عرضه شد که ویژگی‌های آن از این قبیل بودند: افزایش ۵۰ درصد بهینه سازی در مصرف باتری، ۶۷ درصد بهبود در رنج دریافت سیگنال، ۲۵۰ درصد پهنای باند بیشتر، قابلیت Plug and Play (این قابلیت به ما این امکان را می‌دهد که به محض متصل کردن دستگاه به کامپیوتر، درایور دستگاه به طور خودکار توسط سیستم عامل شناسایی شده و نصب می‌شود و ما می‌توانیم با آن دستگاه کار کنیم.

همچنین به قابلیت Plug and Play به طور اختصار PnP نیز می‌گویند و به دستگاهی که از قابلیت PnP پشتیبانی می‌کند PnP Device می‌گویند)،  به روزرسانی‌های استاندارد OTA را دارند (واژه OTA مخفف عبارت Over The Air بوده و به روشی از بروزرسانی گفته می ‌شود که به طور مستقیم و از طریق ارتباط بی‌سیم توسط کمپانی منبع ارائه شده و هر کاربری بدون نیاز به استفاده از هیچ لوازم جانبی خاصی قادر به استفاده از آن خواهد بود).

The Z-Wave Alliance (ائتلاف ۳۰۰ کمپانی تولید کننده کالاها و خدمات Z-Wave است)، هدف این ائتلاف توسعه و گسترش برنامه‌ها و قابلیت‌های پروتکل Z-Wave بود که در سال ۲۰۰۵ تاسیس شد. اعضای این ائتلاف شامل شرکت‌های  Intermatic  Inc.,  Leviton Manufacturing Co. Inc., Wayne Dalton, Danfoss و  Universal Electronics بودند که اعضای این شرکت‌ها برای گفتگو در مورد وضعیت پروتکل‌های اتوماسیون خانگی با Zensys دیدار و گفتگو کردند. بیش از ۷۰۰ عضو فعلی این ائتلاف از شرکت‌های D-Link Systems Inc ،Honeywell International Inc. ،LG Electronics و Verizon هستند.

در سال ۲۰۱۶، برخی از نرم افزار‌های Z-Wave با منبع آزاد یا open source ساخته شدند. شرکت Sigma Designs قابلیتی به منبع باز زد ویو اضافه کرد با این هدف که برنامه نویسان نرم افزار، تولید کنندگان و دانشگاهیان، توانایی خواندن، استفاده و اظهار نظر در مورد نحوۀ عملکرد Z-Wave را بدون نیاز به پیوستن به ائتلاف آن و یا خرید کیت توسعه این سیستم داشته باشند. پیش از این، توافق نامۀ عدم افشای اطلاعات لازم بود، و مشخصات فقط در دسترس اعضای ائتلاف Z-Wave و دارندگان کیت توسعه بود.

شرکت Sigma Designs همچنین مشخصات امنیتی Z-Wave S2  و مشخصات Z-Wave over IP را برای انتقال سیگنال‌های پروتکل Z-Wave از طریق شبکه‌های IP و واسط Z-Ware در سال ۲۰۱۶ منتشر کرد.

در سال ۲۰۱۷، Sigma Designs اعلام کرد که Z-Wave SmartStart، ترکیبی از پروتکل Z-Wave و لایه‌های دروازه ی نرم افزاری Z-Wave است که امکان پیکربندی تنظیمات و حذف نیاز به اتصال مستقیم دستگاه‌ها به شبکه خانگی Z-Wave را فراهم می‌کند، زیرا آن‌ها می‌توانند به صورت خودکار هنگام روشن بودن دستگاه به آن وصل شوند.

از سری ۷۰۰ چیپست‌ها در نمایشگاه الکترونیک Consumer Electronics 2018 رو نمایی شد و در اواخر سال عرضه شد. این تکرار طیف وسیعی از دستگاه به دستگاه را بیش از ۳۲۸ فوت و محدوده مش بیش از ۱۳۱۲ فوت را ارائه می‌دهد. همچنین برخلاف نسخه‌های قبلی که از پایه ۸-بیتی Intel MCS-51/8051 استفاده کرده‌اند، از یک کورتکس SoC 32 بیتی نیز استفاده می‌کند. در سال ۲۰۱۸،Sigma Designs، زد ویو  را به شرکت Silicon Labs فروخت.

میزان امنیت Z-Wave چقدر است؟

در اوایل، Z-Wave اعتبار امنیتی بدی داشت. در حالی که سیستم رمزگذاری پیشرفته یا AES را ارائه می‌داد، چندین حادثه امنیتی رخ داد که پروتکل Z-Wave را نیز درگیر کرد که عمدتا به دلیل خطاهای اجرا توسط سازندگان یا تولید کنندگان است که در وهله ی اول از امنیت پیشنهادی استفاده نمی‌کنند.

در یکی از کنفرانس‌های بلک هت در سال ۲۰۱۳ (کنفرانس بلک هت با سابقه‌ای ۱۸ ساله در تلاش است که با گرد هم آوردن متخصصین امینت اطلاعات، هکرها و علاقه‌مندان این رشته در کنار هم و ارائه بهترین اندیشه‌ها و ایده‌ها، آخرین دستاوردهای علمی و تجارب آن‌ها را به اشتراک می‌گذارد)، هکرها چگونگی استفاده از بسته نرم افزاری امنیتی و تزریق بسته Z-Force را برای شناسایی یک آسیپ پذیر بحرانی در لایه امنیتی زی ویو نشان دادند. آن‌ها نشان دادند که چگونه می‌توان قفل درب Z-Wave رمزگذاری شده بر اساس استانداردهای پیشرفته یا AES را به خطر انداخت، که معلوم شد مقصر عیب مطرح شده، Z-Wave نیست، بلکه مقصر سازنده قفل درب است. در پاسخ، Sigma Designs موارد تست امنیتی اضافی را به فرآیندهای صدور گواهینامه آن اضافه کرد.

در یکی از همایش‌های ShmooCon (همایش هکر های آمریکایی) در سال ۲۰۱۶، دو هکر نشان دادند که چگونه می توان از ابزار تست نفوذ منبع باز EZ-Wave برای از بین بردن چراغ‌ها و آسیب دیدن جسمی دستگاه ‌های فیزیکی مجوز پروتکل Z-Wave استفاده کرد. در تحقیقات خود، هکرها دریافتند که تنها ۹ دستگاه از ۳۳ دستگاهی که آن‌ها آزمایش کرده‌اند، توسط سیستم استاندارد رمز گذاری پشتیبانی می‌شوند. به همین دلیل، ائتلاف Z-Wave رمزنگاری AES 128 را برای صدور گواهینامه دستگاه اجباری کرد.

ائتلاف Z-Wave دستگاه‌های دارای مجوز را براساس چارچوب Security 2 (S2) قرار داده که در آوریل سال ۲۰۱۷ آغاز شده است. به این ترتیب این روند را از یک فرآیند سه مرحله‌ای در چارچوب S0 قبلی به یک فرایند یک مرحله ای در S2 اصلاح کرد.

در تلاش برای کاهش حملات مرد یا شخص میانی(شیوه ‌ای از شنود فعال است که حمله‌کننده، ارتباط مستقلی را با قربانی، برقرار می‌کند و پیام‌های بین آن ها را بازپخش می‌کند. به گونه‌ای که آن‌ها را متقاعد می‌کند که در یک ارتباط مستقیم و خصوصی با یکدیگر، صحبت می‌کنند؛ در حالی که همه گفتگوهای آن‌ها توسط حمله‌کننده، کنترل می ‌شود، انکار سرویس تلاش‌هایی هستند که در  آن مهاجمین با ایجاد ترافیک هرز و با نرخ زیاد موجب مصرف حجم زیادی از منابع سمت سرویس دهنده مانند پهنای باند، زمان پردازنده و غیره می‌شوند که این خود موجب عدم دسترسی کاربران قانونی به سرویس دهنده می‌شود) و حمله بی رحم هکرها Z-Wave ،S2 از رمزنگاری منحنی بیضوی Diffie-Hellman استفاده می‌کند و به یک QR کد یا PIN در سطح دستگاه برای احراز هویت نیاز دارد. S2 همچنین با تونل کردن تمام ترافیک Z-Wave از طریق IP از طریق تونل ایمن TLS 1.1 ، ارتباط ابری تقویت شده را برقرار می کند.

در می ۲۰۱۸ ، محققان Pen Test Partners یک آسیب پذیری پنج ساله ی نرم افزاری را در پروتکل Z-Wave با نام Z-Shave یافتند ، که برآورد تقریبی ۱۰۰ میلیون SoC در دستگاه های خانگی هوشمند است که توسط بیش از ۲۴۰۰ فروشنده تولید شده است.

در این حمله، یک دستگاه به این متقاعد می شود که دیگری از چارچوب S2 Z-Wave پشتیبانی نمی کند ، بنابراین امنیت دستگاه را برای سازگاری با چارچوب S0 پایین می آورد. از آنجا که S0 از یک کلید رمزگذاری شده استفاده می کند ، هکرهای در محدوده می توانند مانع باز شدن کلید های ارتباطی و کلید های قفل هوشمند درب منازل شوند.

Silicon Labs توانایی حمله را تکذیب کرد و ادعا کرد که این حمله نیاز به نزدیکی فیزیکی به دستگاه را در طی فرآیند جفت شدن دارد، که در حین نصب اولیه یا نصب مجدد انجام می شود. این بدان معنی است که کاربر باید در زمان حمله حضور داشته باشد و از دستگاهی که دارای S0 است آگاه شود. این شرکت همچنین اظهار داشت که در حال به روز کردن ویژگی های دستگاه به نحوی است که کاربران در صورت تنزل یافتن دستگاهشان به S0، پیام اخطار دریافت کنند. کاربر برای اجرای سیستم باید پیام را تأیید و قبول کند.

کلام آخر

امروزه بسیاری از منازل مجهز به سیستم زد ویو هستند. این سیستم باعث ارتباط بهتر و کارآمد دستگاه های مختلف می شود، به ویژه در قفل های هوشمند  نیز یافت می‌شود. به مانند هر تکنولوژی دیگری، این سیستم نیز فواید و معایب خود را دارد، اما می‌تواند همچنان روشی سودمند و قابل اعتماد باشد.