Ưu điểm và khác biệt của Zigbee 3.0 so với Zigbee 1.2

Zigbee 3.0 được chuẩn hoá và công bố từ đầu năm 2017 bởi Liên minh Zigbee – Zigbee Alliance. Tuy nhiên mãi cho đến gần đây, với loạt sản phẩm dân dụng hỗ trợ Zigbee 3.0 được công bố vào thời điểm cuối năm 2019, người dùng, đặc biệt là người dùng Smarthome, mới chú ý nhiều đến chuẩn Zigbee mới nhất hiện tại.

Những băn khoăn thường thấy của người dùng:

• Chuẩn Zigbee 3.0 khác gì so với chuẩn Zigbee đang được dùng phổ biến hiện nay?
• Liệu có nên đổi sang các thiết bị sử dụng Zigbee 3.0?
• Cần làm gì để chuyển đổi, mạng Zigbee và các thiết bị hiện tại sẽ phải thế nào?

Có rất nhiều câu hỏi cần giải đáp xoay quanh ưu thế của chuẩn mới so với Zigbee 1.2 hiện đang phổ biến tuy nhiên số lượng các tài liệu thực sự đề cập đến sự khác biệt giữa Zigbee 3.0 và Zigbee 1.2 lại cực kì hiếm hoi. Cũng không lạ khi gần hết các tài liệu phổ biến về Zigbee chỉ xoay quanh ưu thế của Zigbee so với WiFi nhằm mục đích khuyến khích người dùng mua thiết bị và lắp đặt các mạng Zigbee.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ cố gắng làm rõ một số ưu điểm của chuẩn mới khi sử dụng trong điều kiện đời sống thông thường (như trong ứng dụng điều khiển tự động hay Nhà thông minh) mà không cần phải đi quá chi tiết về vấn đề kĩ thuật vốn xa lạ với hầu hết mọi người.

Các khác biệt của Zigbee 3.0 so với 1.2

Tương thích

Zigbee 1.2 sử dụng một khái niệm gọi là profile – hồ sơ để phân biệt loại và tính năng của mỗi thiết bị ở cấp độ ứng dụng. Profile sẽ quyết định cách thức, số lượng thông tin và các chức năng mà một thiết bị Zigbee có hỗ trợ. Có thể có đến 2^16 (~ 65K) profile khác nhau, một số trong đó được chuẩn hoá bởi liên minh Zigbee, số còn lại do nhà sản xuất thiết bị (OEM) tự xây dựng, quy định và công bố hay không tuỳ lựa chọn. Các profile Zigbee được tiêu chuẩn và công bố phổ biến bao gồm:

• Home Automation, nhắm đến các thiết bị phục vụ mục đích Smart Home như thiết bị gia dụng thông minh
• Light Link, định nghĩa cho các thiết bị chiếu sáng như đèn, cảm biến hiện diện
• Smart Energy, profile dành cho các thiết bị năng lượng như đồng hồ đo điện
• Health Care, profile quy định cho các thiết bị theo dõi sức khoẻ
• Building Automation, profile nhắm đến ứng dụng Zigbee quy mô toà nhà như thiết bị kiểm soát vào ra, công tắc không tác động

Profile được tuỳ chọn áp dụng bởi nhà sản xuất thiết bị và là một trong các nguyên nhân quan trọng khiến cho rất nhiều thiết bị mặc dù cùng sử dụng chuẩn Zigbee 1.2 tuy nhiên lại không thể kết nối vào mạng lưới hoặc không thể trao đổi dữ liệu với nhau. Thường thấy là thiết bị sẽ tự ngắt kết nối sau khi tham gia – join mạng lưới hoặc giữ kết nối nhưng coordinator (và ứng dụng đi kèm) hoàn toàn không thể trích xuất thông tin hoặc điều khiển thiết bị.

Zigbee 3.0 nhắm đến việc chuẩn hoá các thiết bị Zigbee ở mức ứng dụng bằng cách gom các profile lớn lại thành một. Mọi thiết bị được chứng nhận Zigbee Cert phải tuân theo các chuẩn này. Khi này các thiết bị Zigbee thuộc các nhóm khác nhau, chẳng hạn như Light Link và Health Care sẽ có thể tồn tại song song và trao đổi dữ liệu trên cùng một mạng Zigbee 3.0.

Điều này có nghĩa là người dùng sẽ có nhiều lựa chọn về thiết bị hơn là phải gắn chặt với một nhà sản xuất nhất định hoặc phải bổ sung hub/coordinator để sử dụng các thiết bị với profile khác nhau.

* Hiện tại, profile Smart Energy chưa được hỗ trợ chính thức bởi Zigbee 3.0
** Thông thường, để tiết kiệm chi phí cũng như năng lượng, một thiết bị Zigbee 1.2 sẽ hạn chế số lượng profile nó hỗ trợ xuống thấp nhất có thể
*** Nhà sản xuất vẫn có thể lựa chọn áp dụng một số biện pháp như mã hoá các thông tin trên thiết bị của mình để ngăn chặn nó trao đổi thông tin với các thiết bị khác

Bảo mật

Zigbee 3.0 tăng cường bảo mật bằng một loạt thay đổi như quy trình cập nhật Trusted Center Link Key – khoá liên kết, install codes – mã cài đặt, NWK Frame counter – bộ đếm khung dữ liệu ở lớp mạng, network permit joining – cho phép tham gia mạng.

Trusted Center Link Key, các thiết bị Zigbee 3.0 phải khởi tạo quy trình cập nhật các khoá liên kết ngay khi tham gia vào mạng lưới. Các khoá này định kỳ thay đổi và được sử dụng để mã hoá toàn bộ dữ liệu giao tiếp giữa các thiết bị thay vì chỉ một vài phần như ở chuẩn cũ 1.2.

Install codes, bên cạnh khoá liên kết, các thiết bị Zigbee 3.0 được lựa chọn tăng cường bảo mật bằng cách sử dụng mã cài đặt cứng – install codes để khởi tạo khoá liên kết thay vì sử dụng các mã ngẫu nhiên. Thông thường mã này được ấn định sẵn bởi nhà sản xuất thiết bị ngay trong quá trình sản xuất và phải được nhập vào khi join – kết nối thiết bị. Install codes có ý nghĩa quan trọng với các thiết bị an ninh như khoá cửa Zigbee khi tránh được việc cố tình reset thiết bị qua phương thức vật lý.

NWK Frame Counter, hiểu đơn giản thì đây là bộ đếm các khung (hay gói) dữ liệu được gửi đi bởi thiết bị. Bộ đếm này được sử dụng chống lại hình thức tấn công đóng giả (hoặc phát lại) – replay attack. Trong Zigbee 1.2, bộ đếm này có thể bị reset – xoá bỏ khi reset thiết bị lại trạng thái xuất xưởng. Với Zigbee 3.0, bộ đếm này không thể bị xoá bỏ kể cả bằng phương thức reset vậy lí hay phần mềm. Thay vì vậy, nó được reset chỉ khi đạt đến giới hạn 0x80000000 tức khoảng hơn 2 tỷ.

Tấn công phát lại/đóng giả – Replay Attack, khi kẻ tấn công tìm cách “bắt” các gói tin giữa các thiết bị Zigbee trong mạng rồi phát lại nhằm mục đích sửa chữa dữ liệu hay đóng giả danh tính.

Network Permit Joining – trước đây một mạng Zigbee có thể được “mở cửa” mãi mãi cho các thiết bị mới tham gia mạng lưới. Tuy nhiên điều này đã chấm dứt trên Zigbee 3.0 khi bạn không thể nào vô tình để mạng của mình mở cửa cho các thiết bị mới nữa. Thời gian tối đa cho một phiên joining sẽ là 254 giây tức chỉ hơn 4 phút.

Hiệu năng và ổn định

Bên cạnh áp dụng một số phương thức mới để gia tăng hiệu quả của lớp network – lớp mạng và lớp vật lý (như độ nhạy sóng), các thiết bị Zigbee 3.0 cũng sẽ hiệu quả hơn khi routing – định tuyến.

Các thiết bị bố mẹ (như coordinator/router) sẽ có khả năng ngắt kết nối các thiết bị con không phản hồi sau thời hạn quy định trước. Thời hạn này có thể được điều chỉnh bởi các thiết bị con. Thông báo ngắt kết nối này sẽ được gửi đi trên toàn mạng lưới cho phép thiết bị con được kết nối trở lại mạng qua một thiết bị bố mẹ mới.

Điều này góp phần giải quyết tình trạng thiết bị Zigbee cố gắng kết nối vào một thiết bị bố mẹ gần nhất cho dù kết nối kém cho đến lúc nó được reset.

Các thiết bị có chức năng định tuyến (router/coordinator) Zigbee 3.0 cũng bắt buộc phải thông báo danh sách các thiết bị Zigbee khác ở gần mà nó nhận ra đến các thiết bị khác trong mạng để tối ưu hoá định tuyến.

* Bạn có để ý rằng các thiết bị Zigbee có xu hướng giữ kết nối với thiết bị bố mẹ gần nhất mà nó kết nối – thường là chọn khi join, dù kết nối có kém ổn định đến đâu?

Tương thích công nghệ mới

Zigbee 3.0 cũng có sẵn tính năng hỗ trợ cho các công nghệ đang phát triển như Green Power Basic Proxy tối ưu định tuyến cho các thiết bị không pin sử dụng năng lượng tự tạo như năng lượng mặt trời hoặc sóng điện từ, được cho là sẽ giải quyết phiền toái phải thay pin định kỳ cho thiết bị và hướng đến sử dụng năng lượng xanh.

Tương thích ngược

Các thiết bị Zigbee 3.0 có khả năng tương thích ngược với thiết bị theo chuẩn cũ, trong trường hợp bạn đang băn khoăn về việc nâng cấp mạng lưới hiện tại. Tuy nhiên khả năng tương thích ngược này là một tuỳ chọn của cả hai: bạn và nhà sản xuất thiết bị. Khả năng tương thích ngược phải được hỗ trợ sẵn bởi thiết bị và thông thường phải được kích hoạt bởi người dùng. Kích hoạt khả năng hỗ trợ các thiết bị chuẩn cũ có nguy cơ làm giảm hiệu năng và mức độ bảo mật của thiết bị hoặc toàn mạng lưới.

Nhìn chung, mức độ tương thích ngược của Zigbee 3.0 và 1.2 được tóm tắt như sau:

• Thiết bị ZigBee Light Link có thể tham gia mạng ZigBee 3.0 phân tán sử dụng phương thức cũ hoặc phương thức chạm – touch link
• Thiết bị ZigBee Light Link có thể tham gia mạng ZigBee 3.0 tập trung được thiết lập không yêu cầu trao đổi khóa hoặc install codes (xem lại)
• Thiết bị ZigBee Home Automation có thể tham gia mạng ZigBee 3.0 tập trung được thiết lập không yêu cầu trao đổi khóa
• Thiết bị ZigBee 3.0 có thể tham gia vào một mạng ZigBee Light Link hoặc ZigBee Home Automation sử dụng phương thức liên kết cũ
• Thiết bị ZigBee 3.0 có thể tham gia vào một mạng ZigBee Light Link sử dụng phương thức chạm – touch link
• Thiết bị ZigBee 3.0 có thể tham gia vào một mạng ZigBee 1.2 với bất cứ phương thức xác thực nào sử dụng Trust center – xác thực trung tâm (ngược lại với mạng/xác thực phân tán)
• Thiết bị Zigbee Home Automation không thể tham gia mạng Zigbee 3.0 phân tán
• Thiết bị ZigBee 3.0 không thể tham gia mạng ZigBee Home Automation sử dụng touch link

Các thiết bị Zigbee 3.0 trên thị trường

Thị trường hiện tại có hàng trăm thiết bị thương mại được chứng nhận Zigbee 3.0 hỗ trợ đủ mọi lĩnh vực. Để tận dụng các ưu điểm của Zigbee 3.0 ở trên, bạn nên sử dụng các thiết bị có chứng nhận bởi Zigbee Alliance.

Để tìm các thiết bị này, bạn có thể truy cập danh sách tại liên kết bên dưới và cũng có thể tìm theo nhà sản xuất hoặc tên thương hiệu.

Các thiết bị được chứng nhận bởi Zigbee Alliance

Danh sách này gồm nhiều thiết bị mới được giới thiệu gần đây như bộ sản phẩm thuộc dòng T1 của Aqara (Xiaomi) hỗ trợ Zigbee 3.0. Để biết chuẩn Zigbee được hỗ trợ, bạn xem phần thông tin ngay bên dưới tên thiết bị được liệt kê.
Truy cập vào thiết bị cụ thể để xem các chứng nhận và ngày phát hành chứng nhận.

Zigbee2MQTT và Zigbee 3.0: Zigbee2mqtt hiện tại có hỗ trợ Zigbee 3.0 Stack trên các thiết bị sử dụng chip Texas Instrument tuy nhiên vẫn còn chưa thật sự ổn định như Stack 1.2.
Nếu bạn chưa biết về Zigbee2MQTT có thể tham khảo bài viết: Kết nối thiết bị Zigbee vào Hass và Flash Zigbee2MQTT lên CC2531.

Cảm ơn bạn đã xem bài viết này!

konnectED Team.