ZigBee

ZigBee ist ein Industriestandard zur drahtlosen Gebäudeautomation für Kurzstrecken (10 bis 100 Meter), er baut auf IEEE 802.15.4 auf. Der Standard ist eine Entwicklung der ZigBee-Allianz, die Ende 2002 gegründet wurde. Sie ist ein Zusammenschluss von derzeit mehr als 230 Unternehmen, welche die weltweite Entwicklung dieser Technologie vorantreiben. Erste ZigBee-Produkte kamen Anfang 2005 auf den Markt.

Handelsübliches ZigBee Modul

Einleitung

ZigBee setzt auf IEEE 802.15.4 auf

ZigBee ist eine Spezifikation, welche ein Framework für drahtlose Funknetzwerke beschreibt. ZigBee baut auf dem IEEE 802.15.4 Standard auf und erweitert dessen Funktionalität insbesondere um die Möglichkiet des Routings und des sicheren Schlüsselaustausches. Im IEEE 802.15.4 Standard sind die PHY-Schicht und die MAC-Schicht definiert. ZigBee erweitert diesen Protokollstapel um die Schichten NWK und APL. Wobei zu beachten ist, dass es sich bei ZigBee um ein Framework handelt und eine Anwendung in die APL-Schicht eingebettet wird.

Die Einsatzmöglichkeiten von ZigBee sind vielfälltig, z.B. Home Automation, im medizinischen Bereich, Steuerungsanlagen und alle Arten von Sensormessungen.

Die ZigBee Spezifikation stellen dem Entwickler drei verschiedene Gerätearten (ZigBee Devices) zur Verfügung. Mit diesen Geräten wird ein ZigBee Wireless Personal Area Network (WPAN) aufgebaut. Man unterscheidet drei Rollen, die ein ZigBee-Gerät erfüllen kann:

Endgerät (ZigBee End Device, ZED)

Geräte wie zum Beispiel Steuerungs- oder Sensormodule werden meist mit Batterien betrieben. Diese können als zigBee-Engeräte implementiert werden und benötigen nur einen Teil der Funktionen der ZigBee-Spezifikation. Sie nehmen nicht am Routing im Netzwerk teil und können in einen Schlafmodus gehen. Sie melden sich an einem Router ihrer Wahl an und treten so dem ZigBee-Netzwerk bei. Sie können ausschliesslich mit dem Router kommunizieren über dem sie dem Netzwerk beigetreten sind. Werden Daten an so ein Endgerät geschickt und dieses befindet sich im Schlafmodus, speichert der Router diese Pakete, bis das Endgerät diese abruft.

Router (ZigBee Router, ZR)

ZigBee-Router nehmen am Routing der Pakete durh das Netzwerk teil. Sie benötigen einen größeren Funktionsumfang und damit auch etwas mehr Hardwareresourcen. ZigBee-Router treten einem Netzwerk bei indem sie sich an einem im Netzwerk befindlichen Router anmelden. Das Routing im Netzwerk erfolgt entweder entlang eines sich so bildenden Baumes (Stackprofil ZigBee) oder durch dynamische Routing als Meshnetzwerk (Stackrofil ZigBee PRO). Tritt ein Funkmodul über einen Router dem Netzwerk bei vergibt dieser diesem eine 16-Bit Kurzadressen (engl. short address). Bei Meshnetzwerken erfolgt dies meist stochastisch. Auftretende Adresskonflikte müssen ggf. erkannt und dann behoben werden.

Koordinator (ZigBee coordinator, ZC)

Ein ZigBee-Koordinator startet das Netzwerk mit festgelegten Paramtern. Nach dem Start übernimmt er die selben Aufgaben wie ein ZigBee-Router.

Adressierungsmodi

Es ist sowohl direkte als auch indirekte Adressierung möglich.

Bei der direkten Adressierung wird Knoten und Endpunkt der Gegenseite angegeben. Ein Knoten (= ein ZigBee-Modul) kann mehrere Endpunkte bedienen. (Ähnlich wie jeder Rechner im Internet auf mehreren Ports TCP-Verbindungen betreiben kann). Allerdings ist keine feste Zuordnung zwischen Dienst und Endpunkt vorgesehen. (Also nicht: Thermostate horchen üblicherweise auf Endpunkt 26). Jeder Knoten stellt maximal 255 Endpunkte zur Verfügung, von denen viele für spezielle Aufgaben reserviert sind. Für Anwendungslogik sind die Endpunkte 1 bis 240 vorgesehen. Endpunkt 255 ist für Rundrufe an alle Endpunkte reserviert. Die Endpunkte 241 bis 254 sind für spätere spezielle Aufgaben reserviert, Endpunkt 0 ist für das ZigBee Device Object reserviert, welches die Steuerung der Netzwerkaufgaben übernimmt. Dort können zum Beispiel andere Module abfragen, auf welchen Endpunkten zum Beispiel Thermostate anzusprechen sind.

Beim Verbinden eines Knoten mit einem Netzwerk meldet er sich beim sogennanten Binding-Cache (meist der Koordinator) an. Der Koordinator legt die Kurzadresse mit der dazugehörigen MAC-Adresse in einer Tabelle in seinem Speicher ab. Möchte ein Knoten mit einem anderen kommunizieren, wird zunächst eine Anfrage an den Koordinator gesendet, der sie an den jeweiligen Empfängerknoten weiterleitet. Diese Information über das logische Verbinden von Knoten wird Binding genannt. Ein Schalter kann auf diese Weise z. B. mehrere Lampen steuern. Der Koordinator legt für jede logische Verbindung in der Bindingtabelle einen Eintrag an. So wird das Verwalten des Netzwerks erheblich vereinfacht und flexibilisiert. Funktionen neuer Geräte können durch einmaliges Binding schnell hinzugefügt oder vorhandene Geräte ersetzt werden.

Y2K

Die Standard-Datentypen für Zeitangaben in ZigBee-Paketen sind für absolute Zeitangaben sekundengenau und umfassen die Jahre 2000 bis 2187. Zeiträume werden auf Millisekunden genau wiedergegeben (0 Millisekunden bis 49 Tage).

ZigBee IP

ZigBee IP ist die Erweiterung des ZigBee-Stacks für IPv6. Die ZigBee Alliance orientiert sich bei der Entwicklung an bestehenden Protokollen von Standardisierungsgremien wie IETF, IEEE, W3C, ISO und IEC.

Der Stack nutzt in der Netzwerk-Schicht (OSI-Modell Network Layer) unter anderem die von der IETF entwickelten Protokolle 6LoWPAN und RPL. Das 6LoWPAN-Protokoll ermöglicht die direkte Anbindung von Geräten oder Sensornetzwerken an das Internet über IPv6 (Internet of Things).

ZigBee RF4CE

RF4CE ist ein Akronym für radio frequency for consumer electronics.

ZigBee RF4CE soll einen Standard für die drahtlose Vernetzung von konsumentenfreundlichen Endgeräten etablieren.

Anwendungsgebiete

Aufgestecktes ZigBee Modul (XBee) mit Entwicklungsboard (Arduino)

• Industrie- und Automatisierungstechnik (z.B. A.N. Solutions)
  • Anlagensteuerung
  • Güterüberwachung
  • Übertragen von Sensordaten
• Medizintechnik (z. B. Telemedizinische Geräte der Brunel University London)
  • Patientendatenübertragung
• Heim- und Gebäudeautomatisierung (z. B. Smart Home-Plattform Qivicon)
  • Unterhaltungselektronik (z. B. 3D-Shutterbrillen)
  • Computer-Peripherie
  • Funkmelder
  • Waschmaschinen (z. B. Miele)
  • Kaffeautomaten

Konkurrenz

Im Bereich Heimautomation und M2M steht ZigBee in direkter Konkurrenz zu Z-Wave. Für beide Protokolle gibt es eine Reihe OSGi-basierter Framework-Lösungen, die über das reine Protokoll hinausgehende Heimautomatisierungsfunktionen beinhalten, wie z.B. einen Geräteabstraktionslayer.

Im Bereich Medizintechnik ist als Konkurrenzstandard Bluetooth bzw. die Spezifikation der Continua Health Allianz erwähnenswert.

Risiken bei ZigBee

Da im ZigBee-Standard 2003 nur ein Koordinator möglich ist, kann bei Verwendung indirekter Adressierung der Ausfall des Koordinators das gesamte Netz gefährden, da dieser alle Routing- und Geräteinformationen in einem flüchtigen Speicher hält. Das ZigBee-Netz ist hierarchisch strukturiert und hat dadurch einen Single Point of Failure (SPOF). Allerdings können Router so konfiguriert sein, dass sie im Fehlerfall die Aufgabe des Koordinators übernehmen.

Praxistests zeigten im 2,45-GHz-Band größere Probleme bei der Koexistenz von IEEE 802.15.4 mit WLAN und Bluetooth. Bei Bluetooth erweist sich das seit der Version 1.2 eingeführte adaptive Frequenzsprungverfahren (engl. frequency hopping), welches WLAN ausweicht, aber dafür die verbleibenden Frequenzen häufiger belegt, als Störer. WLAN macht durch den stark gewachsenen Datenverkehr Probleme. Die Aussagekraft dieser Ergebnisse wird von der ZigBee Alliance angezweifelt und durch eine Verträglichkeitsstudie ein Gegenbeweis angetreten. Um die Problematik der Interferenzen zu vermeiden, bietet ZigBee die Möglichkeit, anstelle des 2,4-GHz-Bandes das 868-MHz-Band zu verwenden, in welchem die geringen maximal erlaubten Belegungszeiten (unter einem Prozent Sendeaktivität pro Sender) für die Minimierung möglicher Interferenzen sorgen.

Als Bedrohung könnten sich Angriffsmöglichkeiten ähnlich dem WLAN herauskristallisieren. Dabei verfügt ZigBee über viele Fehler, die im veralteten WEP-Standard enthalten waren. Eine Entschlüsselung des ZigBee-Keys geht sehr schnell und ist in Tools wie Wireshark schon fest implementiert. Ferner sind Replay und Frame-Injection Angriffe möglich.

Siehe auch

• IrDA
• Zeroconf bzw. Bonjour (Apple)
• Near Field Communication (NFC)
• Wireless Personal Area Network (WPAN)
• Bluetooth Low Energy
• Z-Wave, einfaches Mesh-Protokoll, speziell für die Heimautomatisierung
• ANT (Netzwerk)
• Internet der Dinge

Weblinks

• offizielle Webpräsenz der ZigBee Alliance
• Zigbee a wireless mesh network
• Tutorial und Forum zu ZigBee Umfasst Informationen über Technologie, Architektur, Vorrichtungen, Vergleichen und Anwendungen. Betriebsmittel schließen Forum, Nachrichten und Bücher ZigBee mit ein.
• BSI-Studie „Drahtlose Kommunikationssysteme und ihre Sicherheitsaspekte“ Das Protokoll ZigBee wird auf 31 Seiten dargestellt und bewertet (PDF-Datei 14,5 MB)