Funktechnologien im Smart Home - Möglichkeiten und Herausforderungen Screenreader-Unterstützung aktiviert. Funktechnologien im Smart Home - Möglichkeiten und Herausforderungen

Eine einheitliche Funktechnik ist für den Smart-Home-Bereich nicht abzusehen. Neben allgemein üblichen Protokollen wie der IEEE-802.11-Familie, gibt es auch zahlreiche Protokolle, welche auf batteriebetriebene Geräte optimiert sind, so z.B. Bluetooth, Zigbee oder EnOcean. Auch proprietäre Lösungen einzelner Hersteller haben es geschafft, Marktrelevanz zu erlangen.

Alle Funkverfahren müssen sich prinzipbedingt mit den Themen Verschlüsselung, Reichweite und Latenzen auseinandersetzen. Da es sich bei den Geräten oft um Embedded-Geräte mit geringer Stromaufnahme handelt, müssen hierbei Kompromisse gefunden werden, ohne die Nutzererfahrung zu stark einzuschränken.

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1. FUNKTECHNOLOGIEN IM SMART HOME 
 MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN Dipl.-Math. Kai Kreuzer
2. THEMEN ➤ Kontext ➤ Frequenzbänder ➤ Protokolle ➤ Zuverlässigkeit ➤ Sicherheit ➤ Smart Home Integration
3. DAS SMART HOME ➤ Heimautomatisierung ➤ übergreifende Vernetzung ➤ Protokolle / Technologien / Hersteller ➤ Internetdienste (Wetter, Musik, etc.) ➤ Benutzerschnittstellen ➤ physikalische Schalter ➤ Smartphone ➤ Sprachassistent ➤ Zugang über das Internet,
 Push-Benachrichtigungen
4. WARUM FUNK? Alternativen Kabel & PLC
5. PROBLEME KABELBASIERTER LÖSUNGEN ➤ praktikabel primär bei Neubau und Kernsanierung ➤ erfordert Elektriker ➤ schwer zu erweitern ➤ hochpreisig ➤ teilweise proprietär
6. FREQUENZBÄNDER ➤ ISM-Bänder ➤ 433 MHz ➤ 868 MHz (SRD) ➤ 2.4 & 5.0 GHz ➤ Reservierte Bänder ➤ 1,9GHz (DECT)
7. 433 MHZ ISM-BAND ➤ Keine Beschränkungen ➤ Überlaufen ➤ Nutzung nicht mehr empfohlen ➤ Bsp. Brennenstuhl, Intertechno, Baumarktware u.ä.
8. 868 MHZ SRD BAND ➤ Mehrere Sub-Bänder 
 863–870 MHz ➤ Duty-Cycle Regelung ➤ unterschiedliche Regionen 
 (US: 915MHz) ➤ Bsp. Z-Wave, Homematic, EnOcean, KNX-RF
9. 1.9 GHZ - DECT ➤ Reserviertes Band ➤ 10 Kanäle zwischen 1880-1900 MHz ➤ unterschiedliche Regionen
 (USA/Kanada 1910-1920 MHz) ➤ DECT Ultra Low Energy (DECT ULE) ➤ ULE funktioniert mit bestehender Hardware ➤ HAN-FUN als Applikationsprotokoll
10. 2.4 GHZ (+5 GHZ) ISM-BAND ➤ Viele Sub-Bänder ➤ keine Duty-Cycle Regelung ➤ weltweit einsetzbar ➤ Bsp. Wi-Fi (IEEE 802.11), Bluetooth, ZigBee, Thread
11. TOPOLOGIEN ➤ Peer-2-Peer / Broadcast ➤ Stern ➤ Mesh (mit/ohne Coordinator)
12. PROTOKOLLE Protokoll Wi-Fi Bluetooth ZigBee Z-Wave BidCoS EnOcean DECT ULE Frequenz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 868 MHz 868 MHz 868 MHz 1.9 GHz Topologie Stern P2P Mesh Mesh Mesh Stern Stern Stern Bandbreite 450 Mbit/s 1 Mbit/s 250 Kbit/s 100 Kbit/s 9.6 Kbit/s 125 Kbit/s 800 kBit/s Besonder- heiten stromhungrig omnipräsent Lichttechnik stark in USA proprietär Energy Harvesting präsent in Routern
13. WI-FI ➤ WLAN Mesh verbessert Reichweite ➤ kostengünstige Chips wie ESP8266 eignen sich für Aktorik & Sensorik
14. PROTOKOLLE Protokoll Wi-Fi Bluetooth ZigBee Z-Wave BidCoS EnOcean DECT ULE Frequenz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 868 MHz 868 MHz 868 MHz 1.9 GHz Topologie Stern P2P Mesh Mesh Mesh Stern Stern Stern Bandbreite 450 Mbit/s 1 Mbit/s 250 Kbit/s 100 Kbit/s 9.6 Kbit/s 125 Kbit/s 800 kBit/s Besonder- heiten stromhungrig omnipräsent Lichttechnik stark in USA proprietär Energy Harvesting präsent in Routern
15. ZIGBEE LIGHT LINK ➤ ZigBee definiert verschiedene „Profile“, z.B. „Home Automation“ (HA), „Smart Energy“ (SE) oder „Light Link“ (ZLL). ➤ ZLL erlaubt Netze ohne ZigBee Coordinator. ➤ Beleuchtung von Philips, Osram, IKEA, Innr, Paul Neuhaus, uvm.
16. PROTOKOLLE Protokoll Wi-Fi Bluetooth ZigBee Z-Wave BidCoS EnOcean DECT ULE Frequenz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 868 MHz 868 MHz 868 MHz 1.9 GHz Topologie Stern P2P Mesh Mesh Mesh Stern Stern Stern Bandbreite 450 Mbit/s 1 Mbit/s 250 Kbit/s 100 Kbit/s 9.6 Kbit/s 125 Kbit/s 800 kBit/s Besonder- heiten stromhungrig omnipräsent Lichttechnik stark in USA proprietär Energy Harvesting präsent in Routern
17. ENOCEAN ➤ Energy Harvesting durch Piezoelemente, Solarzellen oder Thermoenergiewandler ➤ verbreitet im Büro- und Gewerbebau ➤ Telegramme ca. 1 ms,
 meist unidirectional
18. PROTOKOLLE Protokoll Wi-Fi Bluetooth ZigBee Z-Wave BidCoS EnOcean DECT ULE Frequenz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 868 MHz 868 MHz 868 MHz 1.9 GHz Topologie Stern P2P Mesh Mesh Mesh Stern Stern Stern Bandbreite 450 Mbit/s 1 Mbit/s 250 Kbit/s 100 Kbit/s 9.6 Kbit/s 125 Kbit/s 800 kBit/s Besonder- heiten stromhungrig omnipräsent Lichttechnik stark in USA proprietär Energy Harvesting präsent in Routern
19. WEITERE PROTOKOLLE ➤ WMBus - Zählerablesung ➤ CoSip - RWE SmartHome ➤ Lemonbeat - Innogy ➤ HomematicIP - eQ.3 ➤ Thread - Konsortium um Google ➤ …
20. ZUVERLÄSSIGKEIT - HERAUSFORDERUNGEN ➤ Reichweite ➤ Störungen ➤ Duty Cycle ➤ 1 % = 36 Sekunden pro Stunde ➤ Latenz ➤ 300ms ist Akzeptanzgrenze ➤ Batterielebensdauer ➤ Bereitschaft vs. Schlafzustand
21. ZUVERLÄSSIGKEIT - MAßNAHMEN ➤ Reichweite: ➤ niedrigere Frequenzen im Vorteil ➤ niedrigere Bandbreiten ➤ Repeater & Meshing ➤ ACK Telegramme ➤ mehrfaches Senden ➤ Erhöhung Batterielebensdauer durch ➤ Listen-after-Send ➤ Burst-Telegramme
22. SICHERHEIT - HERAUSFORDERUNGEN ➤ Authentizität ➤ Ist es der richtige Absender? ➤ Ist es der richtige Empfänger? ➤ Wurde die Nachricht verändert? ➤ Vertraulichkeit ➤ Wer kann die Nachricht lesen? ➤ Nur Empfänger? ➤ Jeder im gleichen Funknetz? ➤ Jeder in der Nähe?
23. SICHERHEIT - MAßNAHMEN ➤ Symmetrische Verfahren: ➤ gemeinsamer Schlüssel benötigt ➤ 50 Teilnehmer: 1225 Schlüssel
 ➤ Asymmetrische Verfahren: ➤ rechenintensiv (~1000x) ➤ speicherintensiv ➤ nur relevant für Schlüsseltausch
24. SICHERHEIT - MAßNAHMEN ➤ Netzwerkschlüssel ➤ Pre-shared Key
 
 
 
 
 
 
 
 ➤ In-Band Austausch während Pairing ➤ Out-of-Band Austausch
25. SICHERHEIT - HERAUSFORDERUNGEN ➤ Authentizität ➤ Ist es der richtige Absender? ➤ Ist es der richtige Empfänger? ➤ Wurde die Nachricht verändert? ➤ Vertraulichkeit ➤ Wer kann die Nachricht lesen? ➤ Nur Empfänger? ➤ Jeder im gleichen Funknetz! ➤ Jeder in der Nähe!
26. SICHERHEIT - REPLAY-ATTACKE ➤ BidCoS: ➤ Unverschlüsselte Telegramme ➤ AES Challenge Response Verfahren
27. SICHERHEIT - REPLAY-ATTACKE ➤ Rolling Code als Basis eines CMAC
 (Cypher-based Message Authentication Code) ➤ Probleme: ➤ längere Telegramme
 (EnOcean sendet nur noch 2 statt 3) ➤ Gültigkeitsprüfung ➤ Überlauf
28. IP-INTEGRATION der Weg ins Internet
29. IP-INTEGRATION ➤ Gateways als Übersetzer ins (W)LAN
30. IP-INTEGRATION ➤ USB-Dongles serielle Schnittstelle ➤ Shields für Single Board Computer
31. IP-INTEGRATION ➤ Vielzahl von Protokollen, Bsp. ZigBee: ➤ Serielles Format TI-Dongle ➤ Serielles Format Ember-Dongle ➤ Serielles Format Telegesis-Dongle ➤ Serielles Format XBee-Shield ➤ RaspBee / deCONZ REST-API ➤ REST-API auf Philips Hue Bridge ➤ CoAP-API auf IKEA TRÅDFRI-Gateway ➤ Binary-TCP auf OSRAM Lightify Gateway ➤ REST-API auf OSRAM Lightify Cloud ➤ usw.
32. BASKET OF REMOTES PROBLEM Interoperabilität im Smart Home?
33. CLOUD-ZENTRIERTE INTEGRATION
34. LOKALE INTEGRATION
35. FAZIT ➤ Viele Protokolle - keine klaren Gewinner ➤ Wi-Fi wird immer relevanter ➤ Sicherheit oft ausbaufähig ➤ eigentlicher Angriffsvektor: Internet!
36. VIELEN DANK! Dipl.-Math. Kai Kreuzer