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FUNKTECHNOLOGIEN IM SMART HOME 

MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN
Dipl.-Math. Kai Kreuzer
THEMEN
➤ Kontext
➤ Frequenzbänder
➤ Protokolle
➤ Zuverlässigkeit
➤ Sicherheit
➤ Smart Home Integration
DAS SMART HOME
➤ Heimautomatisierung
➤ übergreifende Vernetzung
➤ Protokolle / Technologien / Hersteller
➤ Internetdienste (Wetter, Musik, etc.)
➤ Benutzerschnittstellen
➤ physikalische Schalter
➤ Smartphone
➤ Sprachassistent
➤ Zugang über das Internet,

Push-Benachrichtigungen
WARUM FUNK?
Alternativen Kabel & PLC
PROBLEME KABELBASIERTER LÖSUNGEN
➤ praktikabel primär bei Neubau
und Kernsanierung
➤ erfordert Elektriker
➤ schwer zu erweitern
➤ hochpreisig
➤ teilweise proprietär
FREQUENZBÄNDER
➤ ISM-Bänder
➤ 433 MHz
➤ 868 MHz (SRD)
➤ 2.4 & 5.0 GHz
➤ Reservierte Bänder
➤ 1,9GHz (DECT)
433 MHZ ISM-BAND
➤ Keine Beschränkungen
➤ Überlaufen
➤ Nutzung nicht mehr empfohlen
➤ Bsp. Brennenstuhl, Intertechno,
Baumarktware u.ä.
868 MHZ SRD BAND
➤ Mehrere Sub-Bänder 

863–870 MHz
➤ Duty-Cycle Regelung
➤ unterschiedliche Regionen 

(US: 915MHz)
➤ Bsp. Z-Wave, Homematic,
EnOcean, KNX-RF
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
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
TOPOLOGIEN
➤ Peer-2-Peer / Broadcast
➤ Stern
➤ Mesh (mit/ohne Coordinator)
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
WI-FI
➤ WLAN Mesh verbessert Reichweite
➤ kostengünstige Chips wie ESP8266
eignen sich für Aktorik & Sensorik
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
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.
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
ENOCEAN
➤ Energy Harvesting durch Piezoelemente,
Solarzellen oder Thermoenergiewandler
➤ verbreitet im Büro- und Gewerbebau
➤ Telegramme ca. 1 ms,

meist unidirectional
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
WEITERE PROTOKOLLE
➤ WMBus - Zählerablesung
➤ CoSip - RWE SmartHome
➤ Lemonbeat - Innogy
➤ HomematicIP - eQ.3
➤ Thread - Konsortium um Google
➤ …
ZUVERLÄSSIGKEIT - HERAUSFORDERUNGEN
➤ Reichweite
➤ Störungen
➤ Duty Cycle
➤ 1 % = 36 Sekunden pro Stunde
➤ Latenz
➤ 300ms ist Akzeptanzgrenze
➤ Batterielebensdauer
➤ Bereitschaft vs. Schlafzustand
ZUVERLÄSSIGKEIT - MAßNAHMEN
➤ Reichweite:
➤ niedrigere Frequenzen im Vorteil
➤ niedrigere Bandbreiten
➤ Repeater & Meshing
➤ ACK Telegramme
➤ mehrfaches Senden
➤ Erhöhung Batterielebensdauer durch
➤ Listen-after-Send
➤ Burst-Telegramme
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?
SICHERHEIT - MAßNAHMEN
➤ Symmetrische Verfahren:
➤ gemeinsamer Schlüssel benötigt
➤ 50 Teilnehmer: 1225 Schlüssel

➤ Asymmetrische Verfahren:
➤ rechenintensiv (~1000x)
➤ speicherintensiv
➤ nur relevant für Schlüsseltausch
SICHERHEIT - MAßNAHMEN
➤ Netzwerkschlüssel
➤ Pre-shared Key















➤ In-Band Austausch während Pairing
➤ Out-of-Band Austausch
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!
SICHERHEIT - REPLAY-ATTACKE
➤ BidCoS:
➤ Unverschlüsselte Telegramme
➤ AES Challenge Response Verfahren
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
IP-INTEGRATION
der Weg ins Internet
IP-INTEGRATION
➤ Gateways als Übersetzer ins (W)LAN
IP-INTEGRATION
➤ USB-Dongles serielle Schnittstelle
➤ Shields für Single Board Computer
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.
BASKET OF
REMOTES
PROBLEM
Interoperabilität im Smart Home?
CLOUD-ZENTRIERTE INTEGRATION
LOKALE INTEGRATION
FAZIT
➤ Viele Protokolle - keine klaren
Gewinner
➤ Wi-Fi wird immer relevanter
➤ Sicherheit oft ausbaufähig
➤ eigentlicher Angriffsvektor: Internet!
VIELEN DANK!
Dipl.-Math. Kai Kreuzer

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Funktechnologien im Smart Home - Möglichkeiten und Herausforderungen

  • 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
  • 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
  • 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.
  • 35. FAZIT ➤ Viele Protokolle - keine klaren Gewinner ➤ Wi-Fi wird immer relevanter ➤ Sicherheit oft ausbaufähig ➤ eigentlicher Angriffsvektor: Internet!