„Ein 15 Jahre altes Gerät muss auch heute noch funktionieren“

Es gibt kaum jemanden, der sich mit dem Funkstandard Z-Wave besser auskennt als Prof. Dr. Christan Pätz. 2008 gründete er die Z-Wave Europe GmbH, um den damals in Europa noch unbekannten Funkstandard Z-Wave zu etablieren. Mit großem Erfolg. Laut eigener Auskunft avancierte das Unternehmen zum größten Distributor von Z-Wave-Produkten in Europa.

2012 bestellte die Z-Wave Alliance Christian Pätz zu ihrem ersten Evangelisten. Außerdem verfasste er das Buch „Z-Wave Essentials“, das bereits in seiner vierten Auflage erschienen ist und in fünf Sprachen übersetzt wurde. Wir können es nur jedem ans Herz legen, der sich tiefgehend mit Z-Wave oder allgemein mit Funkstandards beschäftigen will.

Mittlerweile hat Christian Pätz die Z-Wave Europe GmbH verkauft. Heute unterstützt er mit seiner Peppercon GmbH Start-Ups und hat mit Aqua-Scope selbst sein eigenes Start-Up gegründet. Dennoch ist er weiter erste Anlaufstelle, wenn es um Fragen zu Z-Wave geht, wie wir uns im Interview überzeugen konnten. Er erklärte uns detailliert, welche Sicherheitsverfahren Z-Wave verwendet, wie es um die Kompatibilität von Z-Wave-Produkten steht und welche Auswirkungen wir durch die Öffnung des Z-Wave-Standards erwarten dürfen.

Guten Tag, Herr Pätz! Ein immer wieder heiß diskutiertes Thema ist die Sicherheit von Smart-Home-Systemen. Wie ist speziell die Funkkommunikation bei Standards wie Z-Wave geschützt?

In der Security muss man drei Dinge betrachten, wenn man über die Kommunikation zwischen zwei Geräten spricht. Das eine ist die Qualität des Schlosses, darunter ist die Qualität der Verschlüsselung zu verstehen. Dazu kommt die Qualität des Schlüssels, die wiederum von der Qualität des Schlosses abhängt. Es hilft Ihnen jedoch kein Hochsicherheitsschloss, wenn Sie den Schlüssel danebenhängen. Deshalb ist auch das Handling des Schlüssels wichtig.

Wie sehen konkret die Sicherheitsmaßnahmen beim Funkstandard Z-Wave aus?

Beginnen wir ganz unten bei der Qualität des Schlüssels bzw. der Verschlüsselung. Dort verwendet Z-Wave den Advanced Encryption Standard AES, mit einer Schlüssellänge von 128 Bit. Den Verschlüsselungsstandard verwenden nicht nur die meisten Funkprotokolle, sondern beispielsweise auch Banken. Der Verschlüsselungsstandard ist also über jeden Zweifel erhaben.

Das zweite Punkt ist, wie der Schlüssel über einen sicheren Weg von A nach B gelangt. Hier verwendet Z-Wave den Diffie-Hellman Schlüsselaustausch. Dies ist Teil der aktuellen Z-Wave Sicherheitsarchitektur mit Namen S2, die seit 2016 für alle neuen Geräte verpflichtend ist.  Der Algorithmus des Diffie-Hellmann-Verfahrens beruht darauf, dass zwei Geräte Zufallswerte austauschen und verrechnen. Das Ziel ist dabei, dass beide am Ende einen Schlüssel haben, der gleich ist, der aber nie über das Netzwerk übertragen wurde und damit auch nicht abgehört werden kann. Das Verfahren gilt  in der Wissenschaft als sehr solide und sauber.

Es gibt aber auch andere Möglichkeiten, den Schlüssel zu übertragen. Man kann den Schlüssel bereits bei der Produktion in die Geräte programmieren. Das hat beispielsweise Philips bei den Hue-Lampen gemacht. Das funktioniert sehr gut, so lange nicht irgendjemand den Schlüssel aus den Geräten holt. Das ist Philips vor vier Jahren passiert.

Darum fährt man besser, wenn man einen Schlüssel dynamisch erzeugt und austauscht. Da 2008 das Diffie-Hellmann-Verfahren noch nicht so verbreitet war, hat man in der ersten Sicherheitsimplementation von Z-Wave den Netzwerk-Schlüssel beim Pairing übertragen. Zwar verschlüsselt, aber mit einem bekannten Schlüssel, also quasi unverschlüsselt. Und wenn man es geschafft hat, genau diesen Schlüssel im Pairing-Moment wegzufangen, dann hatte man den Schlüssel und konnte die Kommunikation mitlesen. Das war eine bekannte Schwachstelle der ersten Sicherheits-Implementierung bei Z-Wave. Man muss aber sagen, wenn man beim Pairing den Schlüssel verpasst hat, war es danach nicht mehr möglich, den Schlüssel auszulesen.

Das ist beispielsweise ein Unterschied zum Zigbee-Protokoll. Hier gibt es den sogrannten Rejoin-Prozess, den ich per Funk erneut anstoßen kann. Dann wird ein Standard-Zigbee-Gerät den Schlüssel erneut schicken und man könnte ihn mitlesen.

Wird der Schlüssel dann im gesamten Z-Netzwerk verwendet?

Bei der ersten Implementierung Z-Wave -S0 von 2008 war das so, da ein Gerät auch zu mehreren anderen Geräten kommunizieren will. Die S0-Sicherheit war damals auch nur freiwillig. Man konnte Geräte bauen, die gar nicht verschlüsselt waren. Allerdings war S0 für einige Geräte wie Türschlösser und Geräte außen am Haus zwingend erforderlich. S1 hat man übrigens übersprungen, sodass auf S0 gleich S2 folgte.

Hat S2 irgendwas mit Z-Wave Plus zu tun?

Nein, mit Z-Wave-Plus hat das nichts zu tun. Wenn man mittlerweile die Gesamtzahl der zertifizierten Geräte anschaut, verwenden mindestens 70 Prozent aller Geräte S2. Die große Masse an Geräten ist nach 2016 zertifiziert worden. Es gibt allerdings noch Geräte, die älter sind.

Und die auch noch neu verkauft werden?

Ja, die auch noch verkauft werden. Alle Markenhersteller verkaufen aber nur Geräte mit S2-Zertifizierung. Aber man findet schon noch chinesische Billigware, die S2 nicht beherrscht.

Gibt es ebenfalls noch Geräte, die sich komplett unverschlüsselt in ein Z-Wave-Netzwerk einbinden lassen?

Auf dem Gebrauchtwarenmarkt bestimmt. Neue Geräte sind mir keine bekannt.

Zurück zum Schlüsselmanagement. Wie arbeitet Z-Wave hier?

Es gibt bei Z-Wave ein ganz wichtiges Prinzip, das prinzipiell gut ist, aber in diesem Fall nicht. Dieses Prinzip heißt Rückwärtskompatibilität. Z-Wave gibt es mittlerweile seit 15 Jahren und es besteht immer noch der Anspruch, dass ein Gerät, das ich vor 15 Jahren gekauft habe, auch heute noch funktionieren muss. Das heißt, wenn ich einen zehn Jahre alten Controller (häufig auch Zentrale, Hub oder Gateway genannt, Anm. d. Verf.) besitze und mir ein neues Gerät kaufe, dann muss ich das an diesen Controller anmelden können. Das ist eigentlich gut, aber in diesem Fall besteht das Problem: Geräte, die vor 2016 auf den Markt gekommen sind, beherrschen S2 noch nicht. Deswegen hat die Z-Wave Alliance entschieden: Wenn ein Controller S2 spricht, muss er versuchen, die Verbindung zu einem Gerät per S2 herzustellen. Wenn das aber nicht funktioniert, weil die Gegenseite S2 nicht versteht, dann sollte das Gerät zurückschalten auf den S0-Modus.

Dabei sollten zwei Dinge passieren: Erstens sollte der Nutzer darüber informiert werden. Beim Pairing mit einer Warnung, dass die optimale Security nicht verwenden werden kann und auf eine weniger sichere Verschlüsselung gewechselt wird. Und später sollte dann auch auf einer Art Status-Seite angezeigt werden, dass das Gerät nicht sicher verbunden ist.

Also wird beim Wechsel auf S0 der Schlüssel gewissermaßen unverschlüsselt übertragen.

Genau. Wenn S2 nicht klappt, dann sagt ein Gerät: „Gib mir bitte den Netzwerkschlüssel nach S0.“ Dabei muss eine Warnmeldung angezeigt werden. Dazu muss man sagen: Wenn man einen Controller besitzt, der von S2 noch nichts weiß, dann wird er Ihnen auch keine Alarmmeldung ausgeben. Der Controller wird das Gerät einfach einbinden, als wäre nichts gewesen. Das ist bei Controllern der Fall, die vor 2016 zertifiziert wurden.

Es ist grundsätzlich möglich, die S2-Security auf einem Controller nachzurüsten?

Ja, klar. Das erfordert allerdings eine Neuzertifizierung, die etwas mühsam ist.

Bei S2 kommt noch ein weiteres Thema hinzu, was man bei S0 auch schon hatte. Es reicht nicht, die Geräte einfach nur zu verschlüsseln. Sie müssen die Kommunikation zwischen den Geräten auch mit einer Transaktionsnummer versehen. Also so wie man das mit den TANs beim Internet-Banking kennt. Dadurch lässt sich eine sogenannte Replay-Attacke verhindern. Dabei wird jede Verbindung mit einer eindeutigen Nummer gekennzeichnet wird, die keiner kennt.

Inwieweit besteht also ein potentielles Angriffsszenario?

Z-Wave ist sicher. Ein rein theoretischer Angriffspunkt besteht beim Pairing eines Geräts, das lediglich die S0-Sicherheit beherrscht. Hier könnte ein Hacker den Schlüssel abfangen, wenn es ihm gelingt genau den Zeitpunkt des Pairings zu erwischen. Und dafür muss er sich erst einmal in der nächsten Nähe des Hauses befinden, denn weiter reicht der Z-Wave-Funk nicht – also ein sehr unwahrscheinliches Szenario.

Ein Problem ist bei Z-Wave die Interoperabilität. Sichtbar ist das zum Beispiel im Online-Shop von Z-Wave Europe. In der Kompatibilitätsliste der verkauften Geräte findet man immer wieder Inkompatibilitäten. Woran liegt das und wird sich daran irgendwann etwas ändern?

Jein. Bei Interoperabilität gibt es ja eine technische und nennen wir sie mal eine wahrgenommene Interoperabilität. Die technische Interoperabilität wird mittlerweile sehr strikt getestet. Geräte, die getestet sind, sind technisch interoperabel. Es gibt nur ein paar wenige Ausnahmen.

Ganz anders sieht es bei der wahrgenommenen Interoperabilität aus. Da wird es zum Nachteil,  dass Z-Wave von vielen Herstellern unterstützt wird und immer wieder Dinge auf eine andere Art umgesetzt werden. Ein klassisches Beispiel ist das Pairing. Es geht schon damit los, dass es die einen  „Inclusion“ nennen, die zweiten nennen es „Add“ und die dritten nennen es „Pairing“. Der Endkunde nimmt das als Inkompatibilität wahr. Außerdem gibt es eine Empfehlung, dass das Pairing über einen Dreifach-Klick erfolgt. Aber wie schnell die Klicks sein müssen, kann sich von Hersteller zu Hersteller unterscheiden.

Zurück zur technischen Interoperabilität. Auf der Z-Wave Europe-Webseite findet man bei einigen Produkten die Information, dass sie von einigen Controllern nicht unterstützt werden oder zumindest einzelne Funktionen. Woran liegt das?

Das ist wieder dieser Rückwärtskompatibilität geschuldet. Es kommen immer mal wieder neue Funktionen dazu, was aber mittlerweile eher selten der Fall ist. Darüber bin ich auch nicht sonderlich glücklich, weil diese neuen Funktionen jedes Mal zum Problem führen, dass die Controller diese neuen Funktionen noch nicht unterstützen. Das Problem könnte man nur dadurch lösen, dass man die Controller-Hersteller dazu zwingt, permanent die neuesten Firmwares zu integrieren.

Kann ein Hersteller zusätzliche Funktionen, die im Z-Wave-Standard nicht enthalten sind, in seinen Geräten nutzen, die dann nur von dem eigenen Controller unterstützt werden?

Theoretisch ja. Es gibt die sogenannten Manufacture Proprietary Commands. Sie müssen beantragt werden. Wenn einer genehmigt wird, muss sich der Hersteller verpflichten, diese Kommandoklasse öffentlich zu machen. Dadurch wird diese Kommandoklasse, wenn die Z-Wave Alliance das so entscheidet, auch Teil des öffentlichen Standards. Damit sollte erreicht werden, dass man bei Dingen, an die man nicht gedacht hat, die Expertise des Herstellers nutzen kann, oder wenn ein ganz neues Gerät kommt. Nach meinem Wissen war das letzte Gerät, bei dem das der Fall war, der NorthQ Gas Meter, der 2013 auf den Markt kam und eine neue Funktion zur Kalibrierung besaß. Seitdem hat sich die Z-Wave Alliance strikt dagegen entschieden.

Es lassen sich über einen Z-Wave-Controller Software-Updates zu eigenen und Komponenten anderer Hersteller übertragen. Passiert das in der Praxis?

Technisch geht das, diese sogenannten Software-Updates over the Air. Das ist heute ein Standard-Verfahren, das meistens implementiert ist. Es wird jedoch selten angewendet. Für einen Wandschalter ein Software- bzw. Firmware-Update zu veröffentlichen, ist eher selten. Das hat jedoch weniger technische Gründe. Man will einfach, wenn ein Produkt einmal auf dem Markt ist, es nicht permanent ändern. Am Ende reden wir über Geräte mit eingebettetem System und nicht über einen PC.

Die Z-Wave Europe verkauft unter den Marken Popp und Aeotec auch eigene Produkte. Was war der Grund für den Start der Eigenmarken?

Z-Wave Europe ist eigentlich ein Distributor. Aber ein Distributor kann am Ende nur so gut verkaufen wie die Reseller und Installateure. Das Problem, das wir bei der Entscheidung für Popp in den Jahren 2013/2014 sahen: Für jedes Anwendungsszenario fehlte irgendein Gerät. Zum Beispiel gab es keinen Türöffner für unten an der Haustür. Wir hatten die ersten Jahre versucht, den Herstellern zu erklären: „Wir kennen den Markt, macht doch bitte das, was wir euch sagen.“ Ohne Erfolg. Darum haben wir diese Produkte selbst entwickelt. Z-Wave Europe hat sich daraufhin zu diesem Zweisäulenmodell verändert, Hersteller und Distributor zu sein. Das hat zu diesem immensen Wachstum geführt bis in die Jahre 2017/18.

Nun zu Aeotec. Aeotec mit Z-Wave Europe in einer gemeinsamen Holding zu verschmelzen, war eine Entscheidung der neuen Eigentümer von Z-Wave Europe. Damit ist es keine Eigenmarke im eigentlichen Sinn, aber es gehört zum Firmenverbund. Die neuen Eigentümer haben die Popp-Produkte in Richtung Aeotec verschoben, um die reine Z-Wave-Produkt-Distribution und die Produktentwicklung besser zu trennen.  Der Umzug der Distribution weg von der Produktentwicklung und Produktion unterstreicht diese Trennung.

Kurz nach der Ankündigung des Projekts CHIP, also Connected Home over IP, vermeldeten der Z-Wave-Eigentürmer Silicon Labs und die Z-Wave Alliance: Z-Wave solle nun offen für Hardware-Hersteller und Entwickler werden. Wissen Sie, was die Hintergründe dafür waren?

Also erst einmal eine Bemerkung zu dieser CHIP-Allianz. Der Trigger war ja, dass sich mit Apple, Google, Samsung usw. ein paar Große zusammengefunden haben, um jetzt den allumfassenden, alle Probleme lösenden Standard zu schaffen. Ich habe in den letzten 10 Jahren schon viele dieser Allianzen  gesehen; immer mit großen Namen – ob die jetzt Cisco, Bosch oder Microsoft hießen. Stand heute ist, dass von den Versprechen auf Interoperabilität etc. wenig Realität geworden ist. Deswegen würde ich rein persönlich gar nichts darauf wetten. Kann sein, dass dieses Mal alles anders ist. Aber der Spruch, dass dieses Mal alles anders ist, kostet normalerweise zum Beispiel an der Börse viele Millionen Euro.

Die Reaktion von Silicon Labs darauf war, Z-Wave komplett öffentlich zu machen. Um ehrlich zu sein: Es wurde Zeit. Schauen wir uns mal die Welt im Bereich der Funktechnik an. Da gibt es die verschiedensten Funk-Protokolle: Z-Wave, Zigbee, NFC, Bluetooth, WLAN usw. In der Regel ist es so, dass die alle irgendwie überleben, aber dass sie alle nach und nach auf einen Chip wandern. Ich kann mich noch an Telefone erinnern, die haben genau ein Netz beherrscht – entweder das D-Netz oder das E-Netz.

Heute hat jedes Handy sieben verschiedene Funkfrequenzen implementiert. Das ist der Trend, weil es die Chips immer besser ermöglichen. Bei Zigbee ist es schon heute so. Sie können heute Chips mit Wifi und Zigbee kaufen. Z-Wave war da immer ein Stück außen vor. Das wurde in den letzten Jahren zum betriebswirtschaftlichen Nachteil, weil schlichtweg der eigene Z-Wave-Chip teurer ist als der eine Quadratmillimeter auf einem anderen Chip.

2018 hat Silicon Labs als weltgrößter Hersteller von Zigbee-Chips Z-Wave gekauft. Wir wissen, dass die meisten Gateways Zigbee und Z-Wave unterstützen – also Gateways mit großem Verkaufsvolumen wie SmartThings. Deshalb muss man einfach nur eins und eins zusammenzählen und kommt auf die Idee, dass es eigentlich nur Sinn macht, die beiden Standards mittelfristig auf einen Chip zu packen.

Ein anderer Punkt ist, dass heutzutage Z-Wave ohnehin schon im Wesentlichen öffentlich ist, zum Beispiel die ganzen Anwendungskommandos. Das Einzige, was bislang nicht möglich war: Ich hatte nicht das Recht, einen eigenen physischen Z-Wave-IC (Integrated Circuit, dt. Integrierter Schaltkreis, Anm. d. Verf.), zum Beispiel auf einem universellen Funk-Chip zu realisieren. Man musste dafür immer spezielle Z-Wave-Hardware nutzen. Damit ist es eigentlich ein wirtschaftlicher Schritt, zu dem man sich durchgerungen hat. Sicherlich weil sich Silicon Labs auch gesagt hat: „Wenn jemand einen Chip mit Z-Wave und Zigbee auf den Markt bringt, sind es doch ohnehin wir als allererstes.“

Es würde also bedeuten, dass das auch andere Hersteller Z-Wave-Chips entwickeln und auf den Markt bringen dürfen?

Das wäre die Konsequenz.

Bekommt Silicon Labs dann noch irgendwelche Lizenzen bezahlt?

Das weiß ich nicht einmal. So wie ich es verstanden habe, ist es einfach frei für alle.

Silicon Labs hat ja 240 Millionen US-Dollar für Z-Wave bezahlt. Das Geld will das Unternehmen sicherlich auch wieder erwirtschaften. Wenn die Chips jeder herstellen darf, verdienen sie doch nichts mehr daran.

Auf den ersten Blick würde man das denken. Aber so einfach ist die Welt nicht. Zum einen verdient Silicon Labs aktuell noch vermutlich gut an Z-Wave. Bis jemand einen Z-Wave-Chip auf den Markt bringt und der von der Stabilität her und vor allem wettbewerbsfähig ist, vergeht Zeit. Und in dieser Zeit ist Z-Wave viel attraktiver. Man verkauft also mehr eigene Z-Wave-Chips mit guter Marge.

Und selbst dann, wenn andere Hersteller wettbewerbsfähige Z-Wave-Chips produzieren können, hat Silicon Labs im Unterschied zum vorherigen Eigentümer Sigma Designs bereits die Erfahrung mit Zigbee-ICs gemacht: Man kann mit seinen eigenen Technologien in einem offenen Markt gegen andere große Anbieter wie Texas Intstruments offensichtlich sehr wettbewerbsfähig und profitabel agieren. Silicon Labs hat also keine Angst vor Wettbewerb. Bei Sigma Designs war das anders, hier war der Z-Wave IC ihr einziger Chip im Bereich Smart-Home.

Wenn ich fragen darf: Warum haben Sie die Z-Wave Europe eigentlich verkauft?

Das hatte ganz private Gründe. Ich habe für mich selbst festgestellt, dass ich ziemlich gut darin bin, mit kleinen Startups zu arbeiten. Und wenn ein Unternehmen eine gewisse Größe erreicht, dann gibt es bessere und effektivere Manager wie mich. Größere Mengen an Mitarbeitern zu managen, ist nicht meine Stärke.

Ich bin aber immer noch Minderheitsgesellschafter geblieben, aber die Mehrheit kommt jetzt von privatem Beteiligungskapital und es gibt einen neuen Geschäftsführer.

Vielen Dank für das Gespräch!

Das macht Christian Pätz heute

Bei seinem neuen Projekt Aqua-Scope kann sich Christian Pätz darauf konzentrieren, was ihm besonders Spaß macht: Produkte zu entwickeln und ein kleines Unternehmen aufzubauen. Aqua-Scope fokussiert sich auf den Leckage-Schutz, also auf das Erkennen von austretendem Wasser und das anschließende Abriegeln der Wasserleitung. Bei aktuellen Lösungen sieht er das Problem, dass sie zu kompliziert zu installieren sind oder nur einen Teil des Problems lösen. Für Smart-Home-Systeme gibt es beispielsweise Wasser-Sensoren, die man unter das Waschbecken legt, um ein Überlaufen zu erkennen. Das Wasser daraufhin automatisch abzudrehen, ermöglichen die Smart-Home-Systeme aber normal nicht. Und die Wassersensoren können auch kein undichtes Rohr in einer Wand erkennen.

Es gibt auch professionelle, vom Klempner installierte Lösungen, die auch das Wasser abriegeln können. Dafür muss man jedoch in der Regel die Wasserleitung aufsägen, um ein extra Ventil einzubauen. Diese professionellen Lösungen liegen nach Auskunft von Pätz bei Preisen zwischen 400 und 800 Euro plus Installation. Bei den Produkten von Aqua-Scope ist kein Aufsägen der Wasserleitung nötig. Hier wird ein Motor auf das vorhandene Drehrad oder den vorhandenen Hebel gesetzt, der das Wasser absperrt. Um Wasserlecks in den Wasserrohren zu erkennen, existiert ein Drucksensor, der sich unter dem Waschbecken montieren lässt. Er wird vor dem Schlauch montiert, der von der Wand zum Wasserhahn führt. Für die Installation braucht man nur einen Schraubenschlüssel. Der Drucksensor hört ständig in die Wasserleitung und kann über Algorithmen Anomalien feststellen und den Verbrauch ermitteln. Um auch überlaufendes Wasser aus einem Waschbecken oder einer Badewanne zu erkennen, gibt es zusätzlich einen mehr oder weniger konventionellen Wassersensor.

Mehr Infos unter: www.aqua-scope.com