Zigbee

Zigbee™ spezifiziert einen Standard für die Kommunikation zwischen intelligenten Geräten in einem drahtlosen Netzwerk. Smart Home-Installationen sind dabei nur eine von vielen Einsatzmöglichkeiten. Die treibende Kraft hinter der Entwicklung der Technologie ist die Zigbee Alliance™. Die Industrieallianz hat es sich zum Ziel gesetzt, die heterogene IoT-Landschaft zu vereinheitlichen. Dennoch passte die Marktstrategie bis vor Kurzem nicht ganz zu diesem Anspruch: Statt eines übergreifenden Standards wurden für unterschiedliche Anwendungsgebiete jeweils individuelle (Teil-)Spezifikationen definiert. Erst mit der Version 3.0 hat sich das Vorgehen geändert und bemüht sich nun um umfassende Kompatibilität.

Die Entwicklung des Zigbee-Protokolls

Zigbee ist ein Protokoll für die netzwerkbasierte Funkkommunikation mit geringem Datenaufkommen. Für die Entwicklung und Verbreitung des Standards ist die Zigbee Alliance zuständig. Die Industrieallianz wurde Ende des Jahres 2002 gegründet, hat ihren Sitz in den USA und umfasst mittlerweile mehrere Hundert Unternehmen. Die Zigbee-Industrieallianz sorgt für die Marktverbreitung des Standards und vergibt Lizenzen für kompatible Geräte.

Anders als der große Konkurrent Z-Wave ist Zigbee nicht auf der Grundlage eines marktreifen Produkts entstanden. Die Technologie basiert auf dem Übertragungsprotokoll für Kurzstrecken-Funktechnik IEEE-802.15.4. Am 14. Dezember 2004 wurde Zigbee als Erweiterung des IEEE-Standards anerkannt.

Die erste Ausgabe der Kommunikationsplattform wurde am 13. Juni 2005 unter dem Namen Zigbee 2004 veröffentlicht und schon im September 2006 durch die völlig neu überarbeitete Version Zigbee 2006 ersetzt. Im Laufe der Zeit hat sich der Standard verzweigt, wobei eigenständige Protokolle für unterschiedliche Einsatzgebiete definiert worden sind:

• Zigbee Pro stammt aus dem Jahr 2007 und wurde für größere drahtlose Mesh-Systeme entworfen, welche auch die Integration energieautarker, auf Basis von Micro Energy Harvesting arbeitender Sensoren ermöglichen.
• Zigbee RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics) aus dem Jahr 2010 legt Regeln für die Steuerung von Licht oder Home-Entertainment im Heimnetzwerk fest.
• Zigbee IP aus dem Jahr 2012 ist für die Kommunikation zwischen einem lokalen drahtlosen Netzwerk und dem Internet zuständig.

Entsprechend der aktuell gültigen Architektur (Stand Herbst 2018) gelten Zigbee Pro, Zigbee RF4C und Zigbee IP als eigenständige Spezifikationen unter dem Dach des Standards Zigbee 3.0, sind aber selbst noch weiter in sogenannte Profile untergliedert. Dabei entsteht eine Baumstruktur, die man sich bildlich folgendermaßen vorstellen kann:

Das Konzept der Profile basiert auf der Zigbee Cluster Library, die schon mit Zigbee 2006 eingeführt wurde. Die Funktionsbibliothek legt Verhaltensmuster für unterschiedliche Anwendungsbereiche fest und fasst sie zu Profilen zusammen. Smarte Geräte müssen sich in ein solches Cluster einordnen, um sich in ein gemeinsames Netzwerk integrieren zu können. Eine Zigbee-Installation kann Produkte mit unterschiedlicher Profilzugehörigkeit umfassen. Die Zusammenarbeit in einer Smart Home-Anwendung war aber lange Zeit auf Komponenten mit gleichem Profil beschränkt.

Man muss die technischen Hintergründe von Standards, Spezifikationen und Profilen nicht bis ins Detail durchdringen, um sich vorstellen zu können, dass die stark zergliederte Architektur im alltäglichen Betrieb zu Problemen führen kann. Aus der Praxis sind derartige Kompatibilitätsprobleme beispielsweise von Smart Home-Produkten bekannt, die an Lichtszenarien beteiligt sind: TRÅDFRI LED-Lampen von IKEA implementieren das Profil Zigbee Home Automation und konnten sich ursprünglich nicht an einer Philips Hue Bridge mit dem Profil Zigbee Light Link anmelden. Ein Gateway, das mit Zigbee Home Automation arbeitet, ist der Hub des Lichtsystems Elements von Sengled. Die smarten Lampen von Innr oder von Ledvance/Osram gehören wiederum zu Zigbee Light Link.

Eine Besserung der unübersichtlichen Situation soll der im Dezember 2016 verabschiedete Standard 3.0 mit sich bringen. Das aktuelle Protokoll hebt die Profile zwar nicht auf, verlangt aber von zertifizierten Produkten eine Interoperabilität über Profilgrenzen hinweg.

Wie funktioniert Zigbee?

Smarte Geräte, die auf Grundlage des Zigbee-Protokolls kommunizieren, tauschen Datenpakete über das Frequenzband von 2.4 GHz aus. Auf zehn Kanälen ist die Übertragung von bis zu 250 Kbit/s möglich. Den mitunter überfüllten oberen Frequenzbereich muss sich Zigbee aber beispielsweise mit der WLAN-Kommunikation teilen. Alle Produkte, die für den Standard 3.0 zertifiziert sind, können in Europa darüber hinaus Funkfrequenzen zwischen 868 und 870 MHz nutzen. Im unteren Frequenzbereich steht ein Kanal für den Datenaustausch zur Verfügung und die Übertragungsrate beträgt 20 KBit/s. Batteriebetriebene Geräte erreichen in einer Smart Home-Installation Reichweiten zwischen 10 und 15 Meter. Produkte, die vom Stromnetz mit Energie versorgt werden, verfügen über eine ungefähr fünf Meter höhere Reichweite.

Das Zigbee-Protokoll weist den vernetzten Komponenten unterschiedliche Rollen zu. Gemessen an den Aufgaben im Verbund ergibt sich dabei folgende Hierarchie:

• Auf unterster Stufe stehen die Zigbee-Endgeräte (Zigbee End Devices, ZED). Sie verfügen über einen reduzierten Funktionsumfang, arbeiten batteriebetrieben und wechseln phasenweise in einen Schlafmodus, um Energie zu sparen. Endgeräte können nicht untereinander kommunizieren. Sie tauschen Daten lediglich mit den auf der nächsthöheren Stufe angesiedelten Full Function Devices aus.
• Zigbee Full Function Devices (FFD) implementieren alle vom Standard vorgegebenen Funktionen. In ihrer Rolle als Router leiten sie Datenpakete weiter und tragen dadurch zur Netzreichweite bei. Geräte mit voller Protokollfunktion kommunizieren ohne Einschränkung untereinander, mit Endgeräten und mit dem sogenannten PAN-Koordinator, der obersten Instanz im Netzwerk.
• Der PAN- (Personal Area Network) oder Zigbee-Koordinator erfüllt übergeordnete netzwerktechnische Aufgaben in der Installation. Er legt die Netzwerkstruktur fest, initialisiert das Netzwerk mit vorgegebenen Parametern und teilt den Knoten die Bandbreite zu. In Smart Home-Installationen übernimmt das zentrale Gateway die steuernden Funktionen. Prinzipiell kann aber jeder FFD-Knoten die Rolle des Koordinators einnehmen.

Wie sicher ist das Zigbee-Protokoll?

Zigbee arbeitet mit einem dreischichtigen Sicherheitsmodell. Dabei sieht das Protokoll Sicherheitsvorkehrungen auf Funk-, Netzwerk- und Applikationsebene vor. Im Mittelpunkt des Konzepts steht ein sogenanntes Trustcenter, das als vertrauenswürdige Instanz die Komponenten zertifiziert und das Management der Sicherheitsschlüssel übernimmt. In der Regel fällt die Rolle des Trustcenters dem Zigbee PAN-Koordinator zu.

Das Zigbee-Protokoll kennt drei unterschiedliche Sicherheitsschlüssel. Dabei handelt es sich um den Master Key, den Network Key und den in der Praxis nicht genutzten Link Key.

• Der Master Key wird für jedes zertifizierte Gerät gesondert vergeben und ist in der Zigbee-Komponente vorinstalliert.
• Der Network Key ist ein 128-Bit-Schlüssel, den sich alle Endgeräte einer Installation teilen. Er wird vom Trustcenter generiert und vergeben.
• Der Link Key ist ebenfalls ein 128-Bit-Schlüssel. Er wird in der Applikationsschicht verwaltet und soll den Datenaustausch zwischen kommunizierenden Knoten schützen, kommt aber im Alltagsbetrieb nicht zum Einsatz.

In Zusammenhang mit dem Zigbee-Protokoll sind immer wieder Sicherheitslücken bekannt geworden. Unter anderem im Sommer 2017, als es Wissenschaftlern des Fachbereichs Informatik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gelungen ist, ein Zigbee-Netzwerk anzugreifen und smarte Lampen der Hersteller GE, IKEA, Philips und Osram zu manipulieren. Die Schwachstelle hängt mit der Funktion Touchlink Commissioning des Standards Zigbee 3.0 zusammen. Sie öffnet ein Einfallstor für unerlaubte Eingriffe während des Pairing-Prozesses, wenn neue Geräte in eine Smart Home-Installation integriert werden.

Fazit und Marktsituation

Zigbee ist ein Protokoll für die energieeffiziente Kommunikation in drahtlosen Netzwerken mit geringem Datenaufkommen. Der Standard eignet sich für industrielle und medizinische Anwendungen ebenso wie für Installationen im Smart Home. Im intelligenten Haus reicht der Leistungsumfang sowohl für die Heimautomatisierung als auch für smarte Funktionen in größeren Zweckbauten.

Zigbee-Anwendungen für das Smart Home sind auf die Anforderungen von Endkunden zugeschnitten. Wer das drahtlose System installieren möchte, muss keine Baumaßnahmen in Kauf nehmen und kommt mit einem überschaubaren Aufwand an Arbeit und Geld aus. Smarte Produkte lassen sich dabei mit durchschnittlichem technischem Geschick in Neubauten installieren oder in schon bestehenden Gebäuden nachrüsten. Ein Zigbee-Netzwerk schont die Bausubstanz in denkmalgeschützten Gebäuden und erfordert keine unzulässigen Eingriffe in Mietwohnungen. Die Plattform lässt sich flexibel über einen längeren Zeitraum hinweg aufbauen und bei einem Umzug ohne Weiteres abbauen und mitnehmen. Zu den Komfortfunktionen gehört darüber hinaus die Anbindung an die Cloud mit der Möglichkeit der Steuerung über mobile Endgeräte.

Zur Marktstrategie der Zigbee Alliance zählt die Öffnung der Plattform für eine Vielzahl von Produkten unterschiedlicher Hersteller und Marken. Smart Home-Zentralen mit Zigbee-Unterstützung sind beispielsweise von Almond, Telekom, Schwaiger oder Samsung SmartThings zu haben. Anwender, die eine Smart Home-Installation in Handarbeit aufbauen möchten, kaufen einen Zigbee-Chip und integrieren ihn in einen Raspberry PI. IKEA, Osram und Philips bieten Gateways für die Lichtsteuerung an. Heizkörperthermostate, die mit dem Zigbee-Protokoll kompatibel sind, kommen von HomeMatic. Alle entsprechend dem Standard 3.0 zertifizierten Geräte sollten volle Interoperabilität garantieren, sodass Anwender beim Kauf der Produkte nicht mehr auf die Profilzugehörigkeit achten müssen.