Zigbee, Z-Wave & réseaux mesh¶

Quatre protocoles mesh pour un même objectif — couvrir un bâtiment entier avec des devices sur batterie — mais avec des philosophies, des fréquences et des modèles de sécurité radicalement différents.

Topologie mesh — principes et avantages¶

Un réseau mesh distribue la fonction de routage entre les nodes eux-mêmes. Chaque routeur intermédiaire relaye les messages de ses voisins, étendant la portée effective bien au-delà de la portée radio d'un seul node.

graph TD
    subgraph Réseau mesh
        CO[Coordinator\nou Border Router] --- R1[Router 1]
        CO --- R2[Router 2]
        R1 --- R3[Router 3]
        R1 --- ED1[End Device\nCapteur batterie]
        R2 --- R4[Router 4]
        R2 --- ED2[End Device\nInterrupteur]
        R3 --- ED3[End Device\nCapteur batterie]
        R4 --- ED4[End Device\nActuateur]
        R3 --- R4
    end

    style CO fill:#1b4332,color:#fff
    style R1 fill:#2d6a4f,color:#fff
    style R2 fill:#2d6a4f,color:#fff
    style R3 fill:#40916c,color:#fff
    style R4 fill:#40916c,color:#fff
    style ED1 fill:#74c69d,color:#fff
    style ED2 fill:#74c69d,color:#fff
    style ED3 fill:#74c69d,color:#fff
    style ED4 fill:#74c69d,color:#fff

Avantages du mesh¶

• Auto-healing : si un routeur tombe, le réseau recalcule automatiquement les routes via les voisins disponibles.
• Extension de portée : un réseau de routeurs à 15 m chacun peut couvrir un bâtiment entier de plusieurs étages.
• Redondance : plusieurs chemins possibles pour chaque message.

Limites¶

• Latence accumulée : chaque saut ajoute ~10–50 ms de délai (traitement + backoff radio).
• Complexité de déploiement : routing tables, associations, sécurité multi-couches.
• Consommation routeurs : les routeurs Zigbee/Thread doivent rester alimentés en permanence.

Zigbee 3.0¶

Zigbee (IEEE 802.15.4 + couche réseau/application Zigbee Alliance, désormais CSA) est le protocole mesh domotique/industriel le plus mature (2004–2024). Zigbee 3.0 (2016) unifie les anciens profils en un seul.

Rôles des nœuds¶

Un réseau Zigbee ne peut avoir qu'un seul Coordinator, mais des dizaines de Routers et jusqu'à 65 000 End Devices (adresse 16 bits).

ZCL — Zigbee Cluster Library¶

Le ZCL définit des clusters standardisés réutilisables entre fabricants :

Sécurité Zigbee¶

Zigbee utilise AES-128 en mode CCM* avec deux niveaux de clés :

Le Trust Center (généralement le Coordinator) distribue la Network Key lors du join. La faiblesse historique de Zigbee était la distribution en clair de cette clé — Zigbee 3.0 impose l'Install Code (une clé dérivée pré-programmée) pour sécuriser le join.

Z-Wave¶

Z-Wave est un protocole mesh propriétaire développé par Zensys (racheté par Silicon Labs en 2018). Contrairement à Zigbee (2,4 GHz), Z-Wave opère en sub-GHz (868 MHz en Europe, 908 MHz aux USA), ce qui lui confère une meilleure pénétration des murs et une moindre congestion radio.

Caractéristiques distinctives¶

Interopérabilité certifiée¶

La certification Works with Z-Wave garantit l'interopérabilité entre tous les devices certifiés, indépendamment du fabricant. C'est la principale force de Z-Wave face à Zigbee (historiquement fragmenté avant Zigbee 3.0).

Z-Wave Long Range (Z-Wave LR)¶

Extension 2021 : portée jusqu'à 1,6 km (outdoor), jusqu'à 4000 nodes (vs 232 en standard). Utilise une topologie étoile (pas de mesh pour les LR nodes), adapté aux déploiements campus.

Thread¶

Thread (Thread Group, 2014 — membres : Google, Apple, Samsung, ARM) est un protocole mesh IP-natif basé sur IPv6, conçu pour corriger les limitations de Zigbee en matière de mise en réseau.

Caractéristiques clés¶

• Basé sur IEEE 802.15.4 (même PHY que Zigbee)
• 6LoWPAN : compression IPv6 sur 802.15.4 (40 octets → quelques octets d'overhead)
• Chaque node a une adresse IPv6 native → routage IP direct
• Border Router : passerelle Thread ↔ IP/Internet (souvent intégré dans les hubs domotiques)
• Pas de coordinator unique : le Leader est élu dynamiquement, auto-réparation

Rôles Thread¶

graph TD
    subgraph Thread Network
        BR[Border Router\nThread ↔ IP] --- L[Leader\n+ Router]
        L --- R1[Router]
        L --- R2[Router]
        R1 --- REED1[REED\nRouter Eligible\nEnd Device]
        R1 --- SED1[Sleepy End Device]
        R2 --- SED2[Sleepy End Device]
        R2 --- FED[Full End Device]
    end
    BR --- Internet[Internet / Cloud]

Matter — unification de la domotique¶

Matter (ex-Project CHIP, CSA 2022) est un standard applicatif qui s'appuie sur Thread (et Wi-Fi/Ethernet) pour unifier les écosystèmes domotiques : Apple HomeKit, Google Home, Amazon Alexa, Samsung SmartThings.

Architecture Matter¶

graph LR
    APP[Application Matter\nLampe, capteur, serrure] --> DM
    DM[Data Model\nAttributs, commandes, events] --> IM
    IM[Interaction Model\nRead/Write/Subscribe/Invoke] --> SEC
    SEC[Sécurité\nPASE + CASE\nOperational Credentials] --> TRANS
    TRANS[Transport\nThread / Wi-Fi / Ethernet] --> PHY[PHY / MAC\nIEEE 802.15.4 / 802.11]

Points forts de Matter¶

• Commissioning unifié : QR code ou NFC → provisioning dans n'importe quelle app compatible
• Local first : fonctionne sans Internet (contrairement aux solutions cloud propriétaires)
• Sécurité renforcée : PASE (Passcode Authenticated Session Establishment) au provisioning, CASE (Certificate Authenticated Session Establishment) en opération
• Multi-admin : un device peut être contrôlé par plusieurs écosystèmes simultanément

Limites actuelles (2024)¶

• Support Thread limité aux hubs récents (HomePod mini, Nest Hub 2nd gen, etc.)
• Onboarding encore complexe pour les utilisateurs non techniques
• Interopérabilité réelle dépendante des implémentations fabricants

Tableau comparatif¶

Ce qu'il faut retenir¶

• Zigbee 3.0 unifie les anciens profils (HA, ZLL, ZHA) et impose l'Install Code pour sécuriser le join — c'est le choix pour les grands déploiements d'éclairage et HVAC.
• Z-Wave se distingue par son sub-GHz (meilleure pénétration mur), sa certification interopérabilité stricte et la limite de 232 nodes.
• Thread est le premier protocole mesh domotique IP-natif (IPv6 sur chaque node) — il élime la rupture de protocole entre le mesh et l'infrastructure IP.
• Matter n'est pas un protocole radio mais une couche applicative unificatrice qui s'appuie sur Thread/Wi-Fi/Ethernet — la convergence domotique tant attendue.

Chapitre suivant : Protocoles industriels — Modbus, OPC-UA, CAN et Ethernet industriel pour les environnements de production.