DNS-Technologien im Überblick

Das altehrwürdige Domain Name System ist seit mittlerweile fast vierzig Jahren einer der Grundpfeiler des Internets. Daneben erblicken neue Technologien rund um das DNS das Licht der Welt und entsprechende Unterstützung zieht in die Betriebssysteme ein.

Einleitung

Damit Pakete für das Internetprotokoll in Version 4 und 6 durch das Internet versendet werden können, sind Endpunkte, wie Clients und Server, mit Adressen versehen.

Über diese Adressen können die Dienste eines Servers abgerufen werden, so z. B. der Aufruf einer Webseite. Während IPv4-Adressen wie 192.168.15.15 noch übersichtlich scheinen, sieht es bei IPv6-Adressen wie der Adresse 2001:0db8:3c4d:0015:0000:1507:1503:1a2b anders aus.

Menschen sind nicht sonderlich gut darin, sich Zahlen zu merken, sodass eine andere Adressierung für die entsprechenden Endpunkte geschaffen werden musste. Gelöst wurde das Problem durch das Domain Name System, welches gerne als Telefonbuch des Internets bezeichnet wird.

Damit können Domains wie example.org auf eine entsprechende IP-Adresse abgebildet werden. Durch dieses Mapping vereinfacht sich die Nutzung und Adressierung im Internet.

Hierarchie im System

Wird eine Domain wie example.org aufgerufen, so wird ein DNS-Server abgefragt, der einem daraufhin den Domainnamen zu einer IP-Adresse auflöst.

Das gesamte Domain Name System ist hierarchisch aufgebaut. Auf der obersten Ebene befinden sich die autoritativen Nameserver für die Root-Zone. Diese sind dreizehn an der Zahl und tragen die Namen A bis M. Sie liefern die entsprechende Root-Zone aus, bei welcher es sich um einen knapp 2 MB großen Datenblob handelt.

In diesem enthalten ist eine Liste der autoritativen Nameserver für jede Top-Level-Domain. Damit verweist die Root-Zone auf DNS-Server, welche für einzelne Top-Level-Domains wie .de, .org oder .net zuständig sind.

Die Hierarchie im Domain Name System

Die Nameserver für die einzelnen Top-Level-Domains verweisen für eine angefragte Domain wiederum auf autoritative Nameserver, welche für diese Domain zuständig sind. In der Theorie kann diese Hierarchie mit jeder Ebene einer Domain, wie z. B. Subdomains, fortgesetzt werden.

Autoritative und cachende Nameserver

Besagte autoritative Nameserver sind dafür verantwortlich, verbindliche Aussagen zu einer Zone, wie einer Domäne oder einer ganzen Top-Level-Domain zu treffen. Was der autoritative Nameserver mitteilt, ist die objektive Wahrheit im Domain Name System.

Da es aus Gesichtspunkten wie der Lastverteilung und der Antwortgeschwindigkeit eher unpraktikabel ist, alle Anfragen zu einer bestimmten Zone nur von den autoritativen Nameservern beantwortet zu lassen, existieren cachende Nameserver.

Diese Nameserver, stehen z. B. beim Internet Service Provider und beantworten die DNS-Anfragen der Kunden. Kann eine solche DNS-Anfrage nicht aus dem Cache beantwortet werden, so wird wiederum der autoritative Nameserver angefragt und das Ergebnis für weitere Anfragen im Cache gehalten.

Nach Ablauf der Time to Live (TTL), welche in der Zone definiert ist, wird der Cache invalidiert und bei der nächsten Anfrage wieder der autoritative Nameserver befragt.

Zonen im Detail

In einer Zone können unterschiedlichste sogenannte Resource Records, kurz Records angelegt werden. Eine Zone, welche die entsprechende Konfiguration enthält, könnte wie folgt aussehen:

$ORIGIN example.org.
$TTL 3600
; SOA Records
@		IN	SOA	dns.example.org. 2022061900 86400 10800 3600000 3600
; NS Records
@		IN	NS	ns-1.example.org.
@		IN	NS	ns-2.example.org.
@		IN	NS	ns-3.example.org.
; MX Records
@		IN	MX	10 mail.example.org.
; A Records
@		IN	A	10.1.1.1
; AAAA Records
@		IN	AAAA	2001:db8:123:4567::1
; CNAME Records
api		IN	CNAME	www
www		IN	CNAME	example.org.

In der Zonen-Datei sind eine Reihe von Resource Record-Typen definiert, welche bestimmten Zwecken dienen. Von diesen Typen ist eine größere Anzahl definiert, von denen hier ein auszugsweiser Überblick gegeben werden soll.

A

Der A-Record definiert die IPv4-Adresse des Hosts. Mit diesem wird der Hostname schlussendlich der entsprechenden IPv4-Adresse zugeordnet.

AAAA

Wie beim A-Record ordnet auch der AAAA-Record dem Host eine IP-Adresse zu. In diesem Fall wird allerdings eine IPv6-Adresse zugeordnet.

CNAME

Bei CNAME handelt es sich um die Abkürzung für Canonical Name record. Mit diesem Record kann einer Domain ein weiterer Name zugeordnet werden. Dies kann genutzt werden, um Subdomains wie api.example.org anzulegen.

In einer beispielhaften Konfiguration würde dies dann wie folgt aussehen:

$ORIGIN example.org.
info    IN	CNAME	www
www		IN	A	192.168.1.1
www		IN	AAAA	2a01:4f8:262:5103::1

Hier wird die Subdomain info.example.org per CNAME auf die Subdomain www.example.org verwiesen, welche wiederum per A- und AAAA-Record auf die entsprechenden IP-Adressen des Hosts verweist.

MX

Der MX-Record ist ein wichtiger Record-Typ im Domain Name System, weil er dafür sorgt, dass E-Mails den entsprechenden Empfänger erreichen. Dazu definiert er den entsprechenden Mailserver, welcher für eine Domain zuständig ist:

; MX Records
@		IN	MX	10 mail.example.org.

Damit kann per DNS ermittelt werden, wie der Mailserver erreichbar ist und die entsprechende E-Mail zugestellt werden.

NS

Der NS-Record bzw. die NS-Records definieren die für die Domain zuständigen Nameserver. Bei einem bei Hetzner gehosteten Server, könnte das Ganze wie folgt aussehen:

; NS Records
@		IN	NS	helium.ns.hetzner.de.
@		IN	NS	hydrogen.ns.hetzner.com.
@		IN	NS	oxygen.ns.hetzner.com.

Die dort angegebenen Server sind die autoritativen Nameserver, da die entsprechenden Auskünfte, die diese Server erteilen, für die konfigurierte Domain verbindlich sind.

PTR

Ein PTR-Record, kurz für Pointer record, dient dazu, ein Reverse DNS Lookup zu ermöglichen. Das bedeutet, dass zu einer IP-Adresse der entsprechende DNS-Name ermittelt wird.

Wichtig ist diese Art der Konfiguration unter anderem bei der Bereitstellung von Mailservern.

SOA

SOA-Records, welche ein Kürzel für Start Of Authority darstellen, dienen der Darstellung bestimmter Informationen wie der primären Nameserver oder der Bereitstellung von Informationen, wie der TTL, für andere DNS-Server.

; SOA Records
@		IN	SOA	hydrogen.ns.hetzner.com. dns.hetzner.com. 2022121602 86400 10800 3600000 3600

TXT

Der TXT-Record ist ein relativ universeller Record im Domain Name System, mit welchem maschinenlesbare Daten im DNS hinterlegt werden können:

; TXT Records
@		IN	TXT	"v=spf1 redirect=example.org"

Genutzt wird diese Möglichkeit für unterschiedliche Techniken, wie im E-Mail-System mit DMARC oder dem Sender Policy Framework (SPF).

Probleme im Domain Name System

Das Domain Name System funktioniert in den Grundzügen, so wie es seit 1983 definiert wurde. Allerdings wirft diese Architektur auch einige Probleme auf.

In der klassischen DNS-Variante über UDP oder TCP, findet die komplette Kommunikation unverschlüsselt statt und stellt somit auch aus Sicht des Datenschutzes bzw. der Privatsphäre ein Problem dar.

Daneben sind die DNS-Responses nicht vor Änderungen geschützt und können somit ohne Wissen des Empfängers manipuliert werden.

Auch DDoS-Attacken in Form einer DNS Amplification Attack lassen sich bedingt durch die Gegebenheiten im Domain Name System durchführen. Hierbei wird die Zieladresse mit Datenverkehr von DNS-Servern belastet. Dies funktioniert, da der Angreifer eine DNS-Anfrage mit einer gefälschten IP-Adresse stellt und die Antwort somit beim eigentlichen Ziel der Attacke aufläuft. Der Angreifer benötigt in einem solchen Fall wenig Bandbreite, da die Antwort des DNS-Servers meist wesentlich größer ausfällt, als die Anfrage.

Ein weiteres Problem sind sogenannte Broken Resolvers. Dies ist insbesondere bei einigen Internet Service Providern der Fall, bei denen Dinge wie die TTL, also die Gültigkeit einer DNS-Antwort nicht berücksichtigt werden. Daneben existieren auch solche Resolver, die bei nicht vorhanden Domains nicht mit NXDOMAIN antworten, sondern stattdessen auf eine eigene Webseite umleiten.

Dieses Problem kann schon mit dem ursprünglichen Domain Name System verhindert, werden, indem alternative DNS-Server genutzt werden. Grundsätzlich erschweren solche Broken Resolvers die Fehlerfindung und beeinflussen die Funktionalität des Domain Name System.

Eine Fehlermeldung in Chrome, welche auf Probleme mit der DNS-Konfiguration hinweist

Interessant ist hier die Unterstützung durch Browser, wie Chrome, welcher bei Inkonsistenzen mit dem DNS-Server entsprechende Hinweise in Form einer spezifischen Fehlermeldung gibt.

Verbesserungen am System

Die Schwächen des Domain Name Systems sind nicht unberücksichtigt geblieben und so gab es im Laufe der Zeit immer wieder Verbesserungen, um das eine oder andere Problem zu beseitigen und das Domain Name System zu verbessern.

Dies fing schon in der Frühzeit des DNS an, als neben der ursprünglichen Möglichkeit per UDP Anfragen zu stellen, dies auch per TCP abgewickelt werden sollte. Hintergrund war es hier unter anderem DNS-Responses, welche größer als 512 Byte sind, versenden zu können.

Daneben wurde zur Erweiterung der DNS-Responses über UDP der Extension Mechanismus for DNS, kurz EDNS, definiert. Über diesen Mechanismus ist es möglich, mehr als 512 Byte per UDP zu übertragen. Genutzt wird dies unter anderem bei DNSSEC.

Bei der gewöhnlichen Nutzung wird in den meisten Fällen, aufgrund des geringeren Overheads, UDP genutzt. Nur in Fällen, in denen z. B. größere Datenmengen im Spiel sind, wird TCP genutzt.

TSIG und DNSSEC

Eine Sicherheitstechnologie in Bezug auf DNS ist TSIG, welches mit der RFC 2845 spezifiziert wurde. Das Kürzel steht für Transaction Signatures und ist ein Verfahren zur Absicherung von DNS-Updates z. B. bei dynamischem DNS.

Eine weitere Erweiterung des DNS sind die Domain Name System Security Extensions kurz DNSSEC. Mittels DNSSEC soll die Authentizität und Integrität von DNS-Daten gewährleistet werden.

Das bedeutet bei DNSSEC, dass die Übertragung selbst nicht verschlüsselt ist, sondern nur sichergestellt wird, dass die enthaltenden Daten korrekt und unverändert sind. Die Verbreitung von DNSSEC hat dabei in den vergangenen Jahren zugenommen.

Technologien für neue Anforderungen

Während Technologien wie DNSSEC und TSIG, bestimmte Anwendungszwecke im Auge haben, ist das Bewusstsein für Datenschutz und Privatsphäre im Laufe der letzten Jahre und Jahrzehnte gewachsen, sodass Lösungen entwickelt wurden, welche unverschlüsseltes DNS ersetzen oder ergänzen sollen.

Die neu entwickelten Protokolle und Technologien, welche in den vergangenen Jahren entwickelt wurden, hören auf so illustre Kürzel wie DoT, DoH oder DoQ.

Die unterschiedlichen DNS-Varianten im Laufe der Zeit

Interessant ist hier ein kurzer Rückblick auf die Geschichte des DNS-Protokolls. Als dieses ursprünglich zum Einsatz kam, setzte das Protokoll auf UDP auf, sodass die erste DNS-Version als DNS over UDP bezeichnet werden kann.

Mit der RFC 1123 aus dem Jahre 1989 wurde schließlich begonnen TCP für DNS-Anfragen zu nutzen, sodass DNS over TCP geboren war. Sowohl die UDP als auch die TCP Variante nutzen den Port 53.

DNS over TLS

DNS over TLS, kurz DoT, wurde im Mai 2016 im Rahmen der RFC 7858 standardisiert und wird genutzt, um DNS-Abfragen mittels TLS zu verschlüsseln. Es handelt sich hierbei nur um eine Transport- und um keine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung.

DNS über TLS

Bei DoT wird zu dem DNS-Server eine Verbindung über TCP aufgebaut und diese mittels TLS abgesichert. Bedingt durch die Transportverschlüsselung können die DNS-Einträge nicht mehr zwischen den Knoten manipuliert werden. Der standardmäßig vorgesehene Port für DoT ist 853.

Wie auch bei DNS over HTTPS, werden bei dieser Variante DNS-Verstärkungsangriffe weitestgehend unterbunden.

Gegenüber unverschlüsseltem DNS erzeugt die Verschlüsslung per TLS einen gewissen Overhead, welcher sich auf die Geschwindigkeit der DNS-Anfrage auswirkt.

Im Gegensatz zu DNS über HTTPS soll diese Variante in der Praxis schneller sein. Allerdings gibt es je nach Implementierung unter Umständen Probleme, die meist von einem nicht korrekt implementierten Standard herrühren.

Bedingt durch den fest definierten Standardport für DoT (853), lässt sich dieses Protokoll relativ einfach blockieren. In einem solchen Fall kann auf andere DNS-Protokolle geschwenkt oder alternativ auf unverschlüsseltes DNS gesetzt werden.

DNS over HTTPS

Eine weitere Variante, welche ähnlich dem DNS over TLS funktioniert, ist DNS over HTTPS. Dieses wurde in der RFC 8484 standardisiert.

DNS über HTTPS

DoH läuft über den gleichen Port, wie gewöhnliches HTTPS, den Port 443. Damit kann von Außen keine Unterscheidung getroffen werden, ob es sich um DNS-Anfragen oder normalen HTTPS-Datenverkehr handeln.

Der Grund hierfür ist darin zu suchen, dass der Datenverkehr bzw. die Informationen der DNS-Abfrage über das Hypertext Transfer Protocol gesendet werden.

Damit wird eine Blockierung entsprechender DNS-Abfragen über dieses Verfahren erschwert. Allerdings leidet auch hier wieder die Performanz im Vergleich zu gewöhnlichem unverschlüsselten DNS.

Eine Spielart von DNS over HTTPS ist das relativ neue DNS-over-HTTP/3 kurz DoH3, welches wie HTTP/3 als Transportprotokoll QUIC anstatt von TCP nutzt. Dies darf allerdings nicht mit DNS over QUIC verwechselt werden.

DNS over QUIC

Zu den neueren Ideen bzw. Technologien bei der DNS-Abfrage gehört DNS over QUIC. Ziel von DoQ ist es, die Latenzen zu verringern, bei gleichzeitiger Nutzung einer verschlüsselten Verbindung.

DNS über QUIC

Definiert ist DoQ in der RFC 9250. Grundlage für das Protokoll ist QUIC, welches als Transportschicht TCP ersetzt und in dieser Form auch bei HTTP/3 genutzt wird.

Ziel von DoQ ist, dass dieses Protokoll auch für autoritative Nameserver verwendet werden kann. Damit soll eine möglichst breite Anzahl an Nutzungsmöglichkeiten im Zusammenhang, mit dem Domain Name System abgebildet werden können.

Da DoQ über den zugewiesenen Port 853 läuft, ist auch hier technisch gesehen eine einfache Blockierung möglich. Allerdings definiert die RFC hier im Abschnitt Port Selection:

In the stub to recursive scenario, the use of port 443 as a mutually agreed alternative port can be operationally beneficial, since port 443 is used by many services using QUIC and HTTP-3 and is thus less likely to be blocked than other ports

Unterstützung auf Serverseite

Damit DNS-Dienste, über welche Protokolle auch immer, im Internet genutzt werden können, muss die entsprechende Server-Software die gewünschten Protokolle unterstützen.

Neben BIND, dem Platzhirsch unter den DNS-Server, existieren noch weitere DNS-Server von denen bezüglich ihrer Fähigkeiten noch Unbound und der Windows Server kurz beleuchtet werden sollen.

DNS over TLS DNS over HTTPS DNS over QUIC
BIND ab Version 9.17 ab Version 9.17 –
Unbound ab Version 1.7.3 ab Version 1.12.0 –
Windows Server (DNS) – ab Windows Server 2022 –

Bei BIND zogen mit der Version 9.17, welche im Jahr 2020 erschien, der Support für DoT und DoH (in einer experimentellen Version) ein. Eine Unterstützung für DNS over QUIC, steht im Moment noch aus.

Unbound liefert seit der im Juni 2018 erschienen Version 1.7.3 eine Unterstützung für DNS over TLS aus. Mit der im Oktober 2020 erschienen Version 1.12.0 wurde die Unterstützung für DNS over HTTPS implementiert. An der Umsetzung von DNS over QUIC in Unbound wird im Moment noch gearbeitet.

Ab dem Windows Server 2022 wird DNS over HTTPS offiziell unterstützt. Bei DNS over TLS und DNS over QUIC ist bisher keine Unterstützung im Windows Server vorhanden.

Linux

Neben der Unterstützung auf Serverseite ist auch die Unterstützung auf Client-Seite, in Form von Betriebssystemen auf dem Desktop, als auch im Bereich der mobilen Betriebssysteme wichtig.

In den meisten Linux-Distributionen, welche Systemd nutzen, kann dies über systemd-resolved erledigt werden. Dieser unterstützt ab der Version 239 opportunistisches DNS over TLS und ab der Version 243 striktes DNS over TLS.

Hier kann z. B. unter Ubuntu in der Konsole die entsprechende Konfigurationsdatei editiert werden:

nano /etc/systemd/resolved.conf

Dort sollte die Einstellung:

DNSOverTLS=yes

hinzugefügt werden. Anschließend können über den normalen Netzwerkdialog, DoT-fähige DNS-Server eingetragen werden:

9.9.9.9, 149.112.112.112

In diesem Fall sind es die DNS-Server von Quad9. Anschließend laufen die DNS-Abfragen per DoT über die gewählten DNS-Server.

macOS

Seit macOS 11, welches mit dem Namen Big Sur auf den Markt kam, unterstützt macOS neben DNS over TLS auch DNS over HTTPS.

Aktiviert werden können die gewünschten Einstellungen über Konfigurationsprofile. Dazu muss ein entsprechendes Profil heruntergeladen und anschließend installiert werden.

Das Profil unter macOS

Die Konfigurationsprofile befinden sich in den Systemeinstellungen unter macOS. Nach der Aktivierung kann über das Terminal überprüft werden, ob die entsprechenden Einstellungen aktiv sind:

sudo tcpdump -i any "port 853 and host 9.9.9.9 or host 149.112.112.112"

Bei der Nutzung von DoH sollte der Port im Befehl auf 443 geändert werden. Nachdem der Befehl abgesetzt wurde, sollte Netzwerkverkehr zu dem Quad9-DNS-Server im Dump auftauchen.

Windows

Unter Windows 10 wird, seit dem Build 19628, DNS over HTTPS unterstützt. Dazu muss in der Registry der Pfad:

HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Dnscache\Parameters

aufgerufen werden und dort ein Parameter vom Typ DWORD erstellt werden. Dieser trägt den Namen EnableAutoDoh sowie den Wert 2. Anschließend sollte ein Neustart des Rechners durchgeführt werden.

Die Einstellungen im Registrierungs-Editor

Nun können in den Einstellungen für den jeweiligen Netzwerkadapter die passenden DNS-Server mit einer entsprechenden Unterstützung für DoH eingestellt werden:

9.9.9.9, 149.112.112.112

Unter Windows 11 können die Einstellungen für DoH bequem über die Netzwerkeinstellungen eingestellt werden, nachdem dort die passenden DNS-Server hinterlegt sind, kann dort unter DNS over HTTPS das Feature aktiviert werden.

Neben DoH unterstützt Windows 11 auch DNS over TLS. Dazu werden in den Netzwerkeinstellungen die entsprechenden DNS-Server hinterlegt und das DNS over HTTPS-Feature deaktiviert.

Nun muss die Kommandozeile geöffnet werden und dort müssen die Befehle:

netsh dns add global dot=yes​
netsh dns add encryption server=9.9.9.9 dothost=: autoupgrade=yes
netsh dns add encryption server=149.112.112.112 dothost=: autoupgrade=yes

eingegeben werden. Das Kommando:

netsh dns add encryption

muss hierbei für jeden DNS-Server für die IPv4- und IPv6-Adresse wiederholt werden. Abgeschlossen wird das Prozedere mittels:

ipconfig /flushdns
netsh dns show global

Der letztere Befehl zeigt an, ob die Einstellungen für DNS over TLS aktiviert wurden. DNS over QUIC wird unter Windows vom System selbst bisher noch nicht unterstützt.

Android

Während seit Android 9 (Pie) DNS over TLS bereits verfügbar ist, ist DNS over HTTPS ab Android 11 enthalten und teilweise auch auf einigen Geräten mit Android 10 verfügbar.

Die teilweise Verfügbarkeit unter Android 10 erklärt sich dadurch, dass das entsprechende DNS Resolver Modul unter Android 10 noch optional, aber unter Android 11 verpflichtend zum System dazu gehört. Installiert werden diese Änderungen über ein Google Play-Systemupdate.

In den Einstellungen kann DoT bzw. DoH aktiviert werden

Zur Aktivierung unter Android genügt es in den Systemeinstellungen, die Netzwerkeinstellungen aufzurufen und dort im Punkt Privates DNS, die entsprechenden DNS-Server zu hinterlegen. Hierbei wird, je nach Android-Version, DNS over HTTPS (in der Variante DoH3) gegenüber DNS over TLS bevorzugt, zumindest bei den dem System bekannten DNS-Servern.

iOS

Seit iOS 14, also knapp 2 Jahre später als unter Android, zog in iOS die Unterstützung für DNS over TLS ein. Ebenfalls ab iOS 14 wird DNS over HTTPS unterstützt.

Wie unter macOS, kann die Einstellung über entsprechende Konfigurationsprofile vorgenommen werden. Dazu muss ein Profil auf dem iOS-Gerät heruntergeladen und installiert werden.

Die Installation des Profils erfolgt über die Einstellungen unter iOS

Nachdem das Profil bestätigt und installiert worden ist, wird der DNS-Server in der im Profil hinterlegten Konfiguration genutzt.

Unter iOS existiert die Besonderheit, dass DNS-Abfragen für den Appstore und die Terminalbefehle dig und nslookup per Design nicht über die im Profil hinterlegten DNS-Server abgefragt werden.

Das Profil kommt nicht immer zur Anwendung

Auch gelten die Einstellungen nicht, wenn z. B. iCloud Privat Relay oder eine VPN-Verbindung aktiv sind.

Browser

Neben der betriebssystemseitigen Unterstützung liefern auch die meisten Browser mittlerweile eine Unterstützung für DNS over HTTPS aus. Diese Unterstützung ist unabhängig vom darunterliegenden Betriebssystem.

Die Einstellungen für DNS over HTTPS im Firefox

Im Firefox kann DNS over HTTPS in den Einstellungen unter Allgemein und dort in den Verbindungs-Einstellungen aktiviert werden. Dort kann dann der Punkt DNS über HTTPS aktiviert mitsamt eines Servers ausgewählt werden.

Die Einstellungen zu DoH unter Chrome

Unter Chrome kann DoH über die Einstellungen unter dem Punkt Datenschutz und Sicherheit aktiviert werden. Dort findet sich unter dem Unterpunkt Sicherheit der Punkt Sicheres DNS verwenden.

Router

Auch Router bieten in vielen Fällen Funktionalitäten zur besseren Absicherung von DNS-Abfragen.

So können in der FRITZ!Box entsprechende DNS-Server, welche DoT unterstützen hinterlegt werden. Auf Wunsch kann die FRITZ!Box auch einen Fallback auf unverschlüsseltes DNS durchführen, falls die entsprechenden DoT-Server nicht erreicht werden können. Dies kann zum Beispiel durch entsprechende Firewalls oder beim technischen Ausfall der Server passieren.

Andere Verfahren

Neben den oben beschriebenen Varianten existieren noch weitere DNS-Varianten wie Oblivious DNS bzw. Oblivious DoH, DNS over TOR und DNSCrypt, welche allerdings im weiträumigen Praxiseinsatz eher seltener zu finden sind.

Nachteile der neuen Lösungen

Bei den neuen Lösungen, wie DoT, DoH und DNS over QUIC, existieren eine Reihe von Problemen bzw. Kritikpunkten.

Viele beziehen sich dabei auf gewünschte Eigenschaften der Verfahren, wie die Verschlüsselung, welche es unter anderem erschwert, den DNS-Verkehr zu überwachen. Genutzt wird eine solche Überwachung z. B. in Kinderschutzsoftware, oder im geschäftlichen Umfeld, um den Netzwerkverkehr zu überwachen und entsprechende Policen durchzusetzen.

Je nach Lösung wird dann versucht, die neueren Verfahren zu deaktivieren bzw. dessen Nutzung nicht zuzulassen oder aber eigene Server für die entsprechenden Protokolle zu betreiben, welche wiederum die entsprechen Sperrmöglichkeiten anbieten.

Auch sind die, bei den Verfahren wie DoT oder DoH genutzten, meist zentralen DNS-Server von Google, Cloudflare oder Quad9 ein Problem, da sich dort ein Großteil des DNS-Verkehrs sammelt und dies Begehrlichkeiten wecken oder der Profilbildung dienen kann.

Daneben sollte beachtet werden, dass je nach Implementation bzw. Betriebssystem die Nutzung der verschlüsselten DNS-Varianten nicht immer garantiert ist. Sei es durch ungewollte Downgrades auf unverschlüsseltes DNS oder aber Applikationen wie der Appstore unter iOS, welcher von den DNS-Einstellungen des Systems unabhängig funktioniert. Daneben gibt es in bestimmten Versionen von Android den Fall, dass die Private-DNS-Einstellungen nach dem Aufwachen des Gerätes erst wieder nach einigen Sekunden angewendet werden.

Fazit

DNS-Abfragen müssen heute nicht mehr unverschlüsselt erfolgen, da es eine Reihe von neuen Ideen und Transportprotokollen gibt, welche neben der jeweiligen Vorteile teilweise auch spezifische Nachteile haben.

Mittlerweile findet sich für die Verfahren DNS over TLS und DNS over HTTPS eine breitere Unterstützung in den Betriebssystemen. Dort, wo diese noch nicht verfügbar ist, kann auf DNS-Proxies oder im Spezialfall Browser auf dessen Möglichkeiten zurückgegriffen werden.

DNS over TLS DNS over HTTPS DNS over QUIC
Linux über systemd-resolved (ab Version 239 bzw. 243) – –
macOS ab macOS 11 (Big Sur) ab macOS 11 (Big Sur) –
Windows ab Windows 11 (Build 25158) ab Windows 10 (Build 19628), Windows 11 –
Android ab Android 9 (Pie) ab Android 11 –
iOS ab iOS 14 ab iOS 14 –

Neben der gewöhnlichen DNS Auflösung haben aktuell vorwiegend die Technologien DoT und DoH eine größere Verbreitung erlangt. Spannend wird in Zukunft auch die Entwicklung von DoQ, welches zumindest das Potenzial hat, bestehende Technologien rundum DNS-Abfragen abzulösen.

Allerdings stellt sich bei vielen dieser Protokolle die Frage, welchen DNS-Servern vertraut werden soll, denn das bestehende DNS-System ist ein dezentrales System ohne übermächtige Gatekeeper, während bei Diensten wie DoT und DoH eine Zentralisierung zu beobachten ist.

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf Golem.de und ist hier in einer alternativen Variante zu finden.

Matter im Überblick

Im Laufe der letzten Jahre und Jahrzehnte sind einige Smart Home-Standards auf den Markt gekommen. Mit Matter ist nun ein neuer Standard angetreten, welcher den Smart Home-Markt aufrollen möchte.

Doch abseits der für den Endnutzer gedachten Versprechen, welche Vorteile er bringen soll, wird erstaunlich wenig über die technischen Hintergründe gesprochen.

Allerdings helfen diese Hintergründe Matter und seine Möglichkeiten zu verstehen. In diesem Artikel sollen die Hintergründe von Matter beleuchtet und gezeigt werden, wie Matter abseits der Marketingversprechen funktioniert.

Bestehende Standards

Matter ist beileibe nicht der erste Standard, welcher sich mit dem Thema Smart Home beschäftigt. Vor ihm gab und gibt es Standards wie Z-Wave, EnOcean und Zigbee. Letzterer spielt bei Matter organisatorisch eine besondere Rolle.

Je nach Standard werden unterschiedlichste Technologien und Funksysteme genutzt, wie das vermaschte Netzwerk, welches Z-Wave-Geräte untereinander aufbauen.

Das Problem an diesen Systemen ist, dass sie meist zueinander inkompatibel sind. Über Lösungen wie Home Assistant oder Homee können diese unterschiedlichen Systeme zur Zusammenarbeit gebracht werden.

Allerdings wird auch hier in vielen Fällen nur eine begrenzte Anzahl an Hardware unterstützt. Eine allumfassende Lösung stellt dies meist nicht dar.

Auch ins heimische Funknetz eingebundene Geräte werden gerne für die Smart Home-Anwendungen genutzt, welche auch durch ihren günstigen Preis bestechen können.

Aus Sicht von Entwickler sind unterschiedlichste Standards ein Problem. Je nach Firmengröße kann sich nur für einen Standard entschieden werden, da zusätzlich zu unterstützende Standards mehr Entwicklungsaufwand und damit am Ende mehr Kosten bedeuten.

Daneben sind die unterschiedlichen Standards zwar mehr oder weniger gleichwertig, allerdings gibt es eine gewisse Fragmentierung bei den Geräteklassen, so sind Leuchtmittel vorwiegend mit dem Zigbee-Standard verheiratet oder werden über teils obskure Wi-Fi-Lösungen angebunden.

Zwar existieren auch Beleuchtungslösungen für Z-Wave, allerdings sind diese in ihrer Auswahl beschränkt und der Preis ist in vielen Fällen höher als bei den Zigbee-Varianten.

Es gibt es Hersteller, welche mehrere Systeme unterstützen und die gleichen Produkte wie schaltbare Steckdosen in unterschiedlichen Varianten, je nach Smart Home-System, anbieten.

Für den Kunden bedeutet diese Auswahl und die damit verbundenen Probleme wie die Berücksichtigung der Kompatibilität, dass er meist zögerlich zu Smart Home-Produkten greift. Aus Sicht der Hersteller und der Kunden ist dies eine suboptimale Situation: voneinander abgeschirmte Ökosysteme und Geräte, die nur unter Umständen miteinander genutzt werden können.

Smart Home-Markt

Für das Jahr 2022 wird von einem Umsatz im Smart Home-Markt von über einhundert Milliarden Euro ausgegangen.

Allerdings bedingt durch die Fragmentierung des Marktes, entspricht dieser Umsatz nicht dem, der vor einigen Jahren erwartet wurde. So wurde unter anderem von einer höheren Durchdringung des Marktes ausgegangen.

Aktuell nutzen knapp 15 % aller Haushalte, weltweit gesehen, Smart Home-Technik in ihrem Haus oder ihrer Wohnung. Bedingt durch die Vorteile, welche Matter bieten soll und die damit einhergehende Vereinheitlichung, soll dem Smart Home-Markt neues Leben eingehaucht werden.

Das Matter-Versprechen

Matter will die bestehenden Probleme anderer Standards lösen. Der Standard sieht sich als Smart Home-Interoperabilitätsprotokoll und definiert sich als Anwendungsschicht, welche existierende Protokolle wie Thread und Wi-Fi nutzt, um seine Aufgabe, eine Smart Home-Umgebung darzustellen und zu verwalten, zu erfüllen.

Im Grundsatz geht es darum, dass der neue Standard unabhängig von den einzelnen Herstellern sein soll. Auch soll es jedem Hersteller von Hardware möglich sein, den neuen Standard zu implementieren.

Dem Endnutzer wird die Kompatibilität, aller Matter-Geräte untereinander, versprochen. Daneben soll in Zukunft auf proprietäre Bridges und Hubs, welche zur Anbindung bestimmter Systeme genutzt werden, verzichtet werden können.

Eine weitere wichtige Eigenschaft von Matter ist, dass die Steuerung zwar in der Theorie an Cloud-Systeme angebunden werden kann, aber immer lokal funktionieren muss.

Aus Sicht des Datenschutzes und der Betriebssicherheit ist dies eine erfreuliche Entwicklung, da Steuersignale nun nicht mehr die halbe Welt umrunden müssen, bevor sie wieder im eigenen Zuhause ankommen. Auch die Zuverlässigkeit stärkt dies in der Theorie, da auch beim Wegfall der Internetverbindung das eigene Smart Home noch funktioniert.

Für die Einrichtung von Matter-Geräten werden nicht mehr unbedingt die Third-Party-Apps der jeweiligen Hersteller benötigt, sondern diese können zentral über Apps z. B. der Home-App unter iOS hinzugefügt werden.

Connectivity Standards Alliance

Organisatorisch wird der Matter-Standard von der Connectivity Standards Alliance (CSA) betreut. Diese ging aus der Zigbee Alliance, welche 2002 gegründet wurde, hervor, welche sich für den gleichnamigen Zigbee-Standard verantwortlich zeichnet.

Mittlerweile sind über 500 Firmen unter dem Dach der Connectivity Standards Alliance vereint. Dazu gehören Unternehmen wie Amazon, Apple, Comcast, Google, IKEA, Infineon, LG, Nordic Semiconductor und Samsung.

Von der Idee zum Standard

Erste Lebenszeichen des Matter-Standards gab es im Dezember 2019. Damals kündigten unter anderem Amazon, Apple und Samsung sowie die Zigbee Aliance an, dass eine Zusammenarbeit für das Projekt Connected Home over IP beschlossen wurde.

Knapp anderthalb Jahre nach der ersten Ankündigung wurde aus Connected Home over IP schließlich Matter. Im gleichen Zuge wurde durch eine Umbenennung aus der Zigbee Alliance die Connectivity Standards Alliance.

Nach etwa drei Jahren Zeit der Planung und Entwicklung erschien im Oktober 2022 mit der Version 1.0 die erste Iteration des Standards. Hier wurden neben der eigentlichen Standardbeschreibung unterschiedliche Produktkategorien wie Beleuchtungslösungen, Sicherheitssensorik, Thermostate, Türschlösser und einige andere spezifiziert.

Während der Entwicklung gab es bedingt durch Faktoren wie die Coronapandemie und Verzögerungen bei den Gerätetests einige Verschiebungen, welche dann schlussendlich zum Veröffentlichungstermin im Oktober 2022 führten. Im November 2022 wurde Matter offiziell auf einem Launch-Event in Amsterdam vorgestellt.

In der nächsten Iteration des Standards, der Version 2.0, welche im März bzw. April 2024 erscheinen soll, sollen unter anderem die unterstützten Geräte um Klassen wie Staubsauger-Roboter, Rauchmelder, Kameras und einige andere erweitert werden.

Architektur

Aus architektonischer Sicht betrachtet ist Matter ein Applikationsprotokoll, welches auf bestehenden Technologien aufsetzt. Grundlage für das Matter-Protokoll bildet IPv6.

Matter setzt als Applikationsprotokoll auf vorhandenen Technologien auf

Der Matter-Protokollstack selbst besteht aus unterschiedlichsten Schichten, welche jeweils bestimmte fachliche Anforderungen erfüllen.

Die Schichten des Matter-Protokollstack

Die Anwendungsschicht (Application Layer) innerhalb des Matter-Protokollstacks implementiert die dem Gerät eigene Businesslogik. Im Falle einer schaltbaren Steckdose wäre dies die Logik, um das Gerät ein- und auszuschalten. Aktionen in der Anwendungsschicht führen zur Änderung im Datenmodell (Data Model).

Im Datenmodell werden die Daten für das entsprechende Gerät gehalten, z. B. ob das Gerät aktuell angeschaltet ist oder bei einem Leuchtmittel, die aktuell ausgewählte Leuchtfarbe.

Für die Interaktion von Außen werden im Interaction Model bestimmte Interaktionen definiert, welche von Außen geschrieben oder gelesen werden können. Eine solche Interaktion löst dann eine Logik in der Anwendungsschicht des Gerätes aus, um die entsprechenden Aktionen auszulösen.

Über das Interaction Modell kann eine Aktion definiert werden und über die Action Framing-Schicht wird sie schließlich in ein binäres Format serialisiert und dieses an die Security-Schicht übergeben.

In dieser wird die Nachricht verschlüsselt und ein Message Authentication Code angehangen. Damit soll sichergestellt werden, dass die Daten sicher und verschlüsselt zwischen den Instanzen bzw. Geräten übertragen werden.

Damit sind die Daten für die Nachricht serialisiert, verschlüsselt und kryptografisch signiert und werden an die Message Framing-Schicht übergeben, in welcher die endgültige Payload, welche schlussendlich über das Netzwerk verschickt wird, erzeugt wird. In Rahmen dieses Prozesses werden Headerfelder ergänzt, welche unter anderem Routing-Informationen enthalten können.

Anschließend wird das Ganze an die Transportschicht übergeben und findet so seinen Weg durch das Netzwerk, bis es beim definierten Empfänger ankommt. Dort angekommen wird der Matter-Protokollstack in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen, bis schlussendlich wieder die eigentliche Nachricht in der Anwendungsschicht verarbeitet werden kann.

Fabric, Nodes und Controller

Im Matter-Standard werden einige Begriffe definiert, deren Wissen um die Bedeutung ein Verständnis des Standards erleichtert.

Ein zentraler Begriff im Matter-Standard ist die Fabric. Bei einer Fabric handelt es sich um einen logischen Verbund von Knoten (Nodes), welche eine gemeinsame Vertrauensbasis (Common Root of Trust) und einen gemeinsamen verteilten Konfigurationsstatus besitzen.

Ein Knoten (Node) ist im Matter-Standard definiert als eine Entität, welche den Matter Protokollstack unterstützt und nach der Kommissionierung über eine Operational Node ID und Node Operational Credentials verfügt.

Eine schaltbare Steckdose

Dabei ist ein Node nicht unbedingt gleichzusetzen mit einem Gerät. Ein Gerät, wie eine schaltbare Steckdose kann in der Theorie mehrere Knoten beinhalten, welche wiederum zu mehreren Fabrics gehören können.

Daneben gibt es im Matter-Standard den Begriff des Controllers. Dieser ist definiert als ein Matter-Knoten, welcher die Berechtigung hat einen oder mehrere Knoten zu kontrollieren. Dies kann z. B. das Smart Home-System sein oder ein iPhone mit der entsprechenden Home-App. Matter unterstützt per Design unterschiedlichste Controller in einem Matter-Netzwerk. Dieses Feature wird als Multi-Admin bezeichnet.

Kerntechnologien

Für Matter-Netzwerke, sind einige Kerntechnologien definiert, welche im Rahmen des Standards genutzt werden.

Für die Kommunikation der Geräte untereinander wird Wi-Fi, Ethernet oder Thread benutzt, für die Kommissionierung Bluetooth LE.

Bluetooth LE

Bluetooth LE wird im Matter-Standard genutzt, allerdings nicht für die Kommunikation der Geräte untereinander. Stattdessen wird Bluetooth LE für Kommissionierung (commission, im Matter-Standard) der Geräte genutzt.

Nach der Definition des Matter-Standards wird bei der Kommissionierung ein Node in die Fabric eingebracht, also das Gerät dem Matter-Netzwerk hinzugefügt.

Im Rahmen dessen werden die Zugangsdaten des Netzwerkes und andere für die Kommissionierung benötigten Informationen auf das Gerät übertragen.

Im Anwendungsfall würde dies so aussehen, dass der Nutzer einen QR-Code scannt, welcher die Informationen über das Gerät enthält und anschließend die Kommissionierung mittels Bluetooth LE durchgeführt wird.

Diese Informationen müssen nicht unbedingt als QR-Code geliefert werden. In der Theorie kann auch NFC als Technologie benutzt werden oder die enthaltenen Informationen einfach als kodierte Zeichenkette auf dem Gerät aufgedruckt sein oder dem Handbuch beiliegen.

Dies ermöglicht eine einfache Konfiguration und Einbindung der Geräte aus Sicht des Endbenutzers. Ist die Kommissionierung abgeschlossen und das Gerät damit in das Matter-Netzwerk eingebunden, nutzt das Gerät Bluetooth LE nicht mehr.

Anbindung der Smart Home-Geräte

In den meisten praxisnahen Fällen wird die Anbindung von Geräten meist auf die Anbindung per Thread und Wi-Fi hinauslaufen. Bei Wi-Fi im Heimbereich sind alle Geräte mehrheitlich mit einem Access Point verbunden. Bei Thread hingegen handelt es sich um ein vermaschtes Netz, welche über Border-Router mit dem Rest des Netzwerkes verbunden ist.

Thread

In einem Smart Home sind eine Reihe von Aktoren, wie schaltbare Steckdosen und Ähnliches verbaut. Daneben gibt es dann noch Sensorik, z. B. in Form von Temperatur- und Bewegungssensoren.

Sensoren, wie Temperatur oder Bewegungssensoren, laufen mehrheitlich mit Batteriestrom und eignen sich damit nicht für energieintensive Techniken wie Wi-Fi, um ihre Daten von A nach B zu transportieren.

Ein batteriebetriebener Sensor

Hier kommt das Protokoll Thread ins Spiel. Dieses ist darauf ausgelegt, Geräte miteinander zu verbinden, welche eine geringe Datenrate benötigen und möglichst wenig Energie verbrauchen sollen. Das Protokoll besticht durch sein simples Design und ermöglicht geringe Latenzen.

Das Netzwerkprotokoll Thread versteht sich als selbstheilendes Mesh-Netzwerk. Ein Designziel war es unter anderem, dass es keinen Single Point of Failure in einem solchen Netzwerk geben soll, die Übertragung zuverlässig und die Reichweite durch das Routing innerhalb des Thread-Netzwerkes gegeben ist.

Im Rahmen von Matter sollen hunderte bis tausende Produkte über Thread in einem Netzwerk unterstützt werden.

Entwickelt wird das Protokoll seit 2014 von der Thread Group welcher unter anderem ARM Limited, Nest Labs, Samsung und Qualcomm angehören. Die Entwicklung ist seit dem nicht stehen geblieben und so wurden mit Thread 1.3 Funktionalitäten wie vollumfängliches IP-Routing und Service-Discovery hinzugefügt. Diese Funktionalitäten werden für die Nutzung von Thread im Zusammenhang mit Matter benötigt.

Thread setzt auf IEEE 802.15.4 auf, bei welchem es sich um ein Standard für kabellose Netzwerke mit geringen Datenraten handelt. In IEEE 802.15.4 ist die Bitübertragungsschicht (Physical Layer) und die Data-Link-Schicht definiert.

Neben Thread setzt unter anderem auch Zigbee auf IEEE 802.15.4 auf, was ein Update solcher Geräte, hin zu Thread, perspektivisch möglich macht.

Das OSI-Modell

Darüberliegende Schichten, welche z. B. das Routing übernehmen können, müssen dann von anderen Protokollen übernommen werden. An dieser Stelle setzt Thread ein.

Per Thread angebundene Geräte können per IPv6 adressiert werden. Wichtig ist es festzuhalten, dass es sich bei Thread nicht um Matter handelt, sondern Thread ein eigenständiges Funkprotokoll ist, welches wie Wi-Fi der Anwendungsschicht agnostisch gegenübersteht.

Rollenspiele

Bei Thread kann jedes Gerät unterschiedliche Rollen annehmen. So gibt es in einem Thread-Netzwerk, einen Leader, einen oder mehrere Router und die Rolle des Endgerätes.

Jedem Gerät wird mindestens die Rolle des Endgeräts zugewiesen. Das sind solche Geräte, welche einen Befehl in Form eines Datenpaketes erhalten, um diesen auszuführen.

Ein Leader ist eine Rolle, welche nur einmal vergeben wird. Dieser koordiniert das Thread-Netzwerk. Fällt ein Leader aus, so wird automatisch ein neuer Leader bestimmt. Dazu ist es notwendig, dass jederzeit andere Geräte für den bestehenden Leader einspringen können. Die Zustandsinformationen müssen also im Netzwerk aktuell gehalten werden.

Router, leiten Datenpakete im Thread-Netzwerk weiter. Diese Rolle wird dynamisch von den jeweiligen Geräten aktiviert bzw. wieder deaktiviert, wenn z. B. zu viele Router in der Umgebung unterwegs sind. Daneben bieten die Router Funktionalität, wie Security Services, für andere Geräte, die dem Netzwerk beitreten wollen.

Normalerweise nehmen Thread-Geräte nur die Rolle als Endgerät wahr. Wird mehr Reichweite im Netzwerk benötigt, werden einige dieser Geräte automatisch Router in diesem. Das passiert z. B. dann, wenn ein Endgerät keinen Router findet, aber ein Endgerät in der Theorie eine solche Rolle einnehmen kann.

Auf der anderen Seite funktioniert dies auch, wenn sich zu viele Router in einem Bereich befinden und damit zu viel Redundanz vorhanden ist. In diesem Fall stufen sich Geräte in wieder zurück und geben die Router-Rolle auf. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn ein Gerät nur noch mit anderen Geräten verbunden ist, welche ebenfalls die Router-Rolle wahrnehmen.

Damit ist das Routerkonzept, im Gegensatz zu Technologien wie Bluetooth Mesh oder Zigbee dynamisch.

FTDs und MTDs

Thread kennt unterschiedliche Typen von Geräten. Einerseits gibt es sogenannte Full Thread Devices (FTD) und sogenannte Minimal Thread Devices (MTD).

Bei den FTDs handelt es sich um autonome Geräte im Thread-Netzwerk, welche Rollen, jenseits der Endgeräte-Rolle, wahrnehmen. Im Normalfall haben diese Geräte entsprechende Hardwareressourcen, wie genügend Speicher et cetera. Im Gegensatz zu den MTDs sind FTDs immer mit dem Thread-Netzwerk verbunden. Infolgedessen sind FTDs meist solche Geräte, welche direkt am Stromnetz angeschlossen sind.

Ein einfaches Thread-Netzwerk

MTDs hingegen sind für solche Geräte gedacht, welche größtenteils über eine Batterie betrieben werden. In diese Kategorien fallen Geräte wie Sensoren und Ähnliche. Diese müssen mit ihren Ressourcen entsprechend haushalten. Sie treten deswegen nur sporadisch mit dem Thread-Netzwerk in Kontakt und befinden sich den Großteil ihrer Betriebszeit im Schlafmodus.

MTDs senden alle ihre Nachrichten zu einem sogenannten Parent-Device und nehmen nur die Rolle als Endgerät im Thread-Netzwerk wahr.

Border-Router

Da im Rahmen von Matter Informationen aus dem Thread-Netzwerk heraus in den Rest des Netzwerkes gelangen müssen, werden hier wieder Router, sogenannte Border-Router benötigt. Diese routen die Informationen aus und in das Thread-Netzwerk.

Im Gegensatz zu anderen Systemen unterstützt Thread mehrere Border-Router, um auch hier wieder einen Single Point of Failure zu vermeiden. Die Funktionalität solcher Border-Router wird und kann von unterschiedlichsten Geräten wahrgenommen werden. Beispiele für solche Geräte sind z. B. Alexa-Geräte oder der HomePod mini von Apple.

Während bei Bridges eine Übersetzung der jeweiligen Daten vorgenommen wird, damit sie vom anderen System verstanden werden, werden bei den Border-Routern nur die entsprechenden Daten vom Thread-Netzwerk in das andere Netzwerk geroutet. Eine Übersetzung derselben findet nicht statt.

Wi-Fi

Neben Thread können Geräte im Matter-Standard auch über Wi-Fi eingebunden werden. Als Übertragungstechnik bietet sich Wi-Fi für Smart Home-Geräte an, welche eine höhere Bandbreite benötigen und meist auch über ein entsprechendes Energiebudget verfügen und zumeist direkt an das Stromnetz angeschlossen sind.

In diese Kategorie fallen unter anderem Videokameras und Türklingeln mit Videoverbindung. Allerdings ist Wi-Fi bzw. ein einzelner Access Point nicht unbedingt dafür gedacht, eine große Menge an Geräten gleichzeitig zu bedienen.

Mit Wi-Fi 6 sind Verbesserungen eingeflossen, um mehr Geräten in einem Netzwerk entsprechende Daten simultan senden zu können, sodass die Nutzung für Smart Home-Geräte auch hier in Zukunft sinnvoller ist.

Distributed Compliance Ledger

Ein interessantes Detail an Matter ist der Distributed Compliance Ledger. In dieser verteilten Datenbank bzw. Blockchain befinden sich kryptografisch abgesicherte Daten über die Geräteherkunft, den Status der Zertifizierung sowie wichtige Einrichtungs- und Betriebsparameter.

Eingesehen werden kann die Datenbank unter anderem über eine entsprechende Weboberfläche. Die verwendete Software dafür kann auf GitHub ebenfalls eingesehen werden.

Gelesen werden kann die Datenbank von jedermann während Schreibzugriffe nur Herstellern im Rahmen ihrer Produkte gestattet sind.

In dieser Datenbank, können Hersteller von Produkten Informationen über diese hinterlegen, damit sie von jedermann gelesen werden können. Auch die Ergebnisse von Compliance Tests werden in diese Datenbank geschrieben. Dasselbe gilt für die Compliance Confirmation der CSA.

Für den Nutzer wird der Distributed Compliance Ledger interessant, um zu erfahren, ob ein Gerät als mit dem Standard konform zertifiziert wurde oder um Modellinformationen wie Firmware- und Hardware-Versionen auszulesen. Auch Zertifikate können über die Datenbank bezogen werden, um lokale Zertifikate zu überprüfen.

Die Netzwerktopologie des Distributed Compliance Ledger

Im Kontext des Ledgers existieren unterschiedliche Knoten. Einer dieser Knoten sind Validator-Knoten welche eine komplette Kopie der Datenbank vorhalten. Nicht jeder Knoten kann ein Validator-Knoten sein, er benötigt hierfür eine Erlaubnis. Auch die Anzahl der Validator-Knoten sollte beschränkt sein.

Ein weiterer Knoten ist der Observer-Knoten. Auch dieser enthält eine komplette Kopie der Datenbank und jeder darf einen solchen Observer-Knoten aufsetzen. Daneben existieren noch andere Knoten wie Sentry-Knoten, welche vor Validator-Knoten stehen können und ein Weg des DDoS-Schutzes sind.

Der Client kann sich nun mit einem dieser Knoten verbinden und die benötigten Informationen erfragen. Die Responses sind kryptografisch abgesichert, sodass es keine Rolle spielt, ob sie von einem Observer– oder einem Validator-Knoten kommen.

Technisch setzt das System auf Tendermint bzw. dem Cosmos SDK auf, welches ein Framework für Blockchains zur Verfügung stellt.

Unterstützung

Matter an sich ist noch ein relativ junger Standard und im Moment ist es noch schwierig kompatible Geräte zu finden, auch wenn teilweise schon Updates und Geräte ausgeliefert worden sind. Dies betrifft z. B. einige Geräte von Eve Systems oder Produkte von Nanoleaf mit Matter-Unterstützung.

Interessant ist die Unterstützung auch vonseiten der Betriebssystemanbieter für mobile Systeme, wie iOS und Android. Mit iOS 16.1 lieferte Apple die Unterstützung für Matter aus. Bei Android lieferte Android 13 die ersten Integrationen für Matter.

Auch Smart Speaker wie die Alexa-Serie von Amazon unterstützen mittlerweile Matter, so wurden bereits Updates für einige Modelle ausgerollt, weitere Modelle sollen Anfang 2023 folgen. Einige Geräte fungieren dann auch als Thread-Border-Router und ermöglichen so die Integration von Smart Home-Geräten. Das Gleiche gilt für HomePod minis und den Apple TV 4K, welche ebenfalls Thread unterstützten.

Auch auf Produktseite fangen immer mehr Hersteller an Support für Matter in ihre Produkte einzubauen, so können Entwickler z. B. mit den Philips Hue-Hubs und Geräten in Verbindung mit Matter erste Tests durchführen.

Lizenz

Wer sich Matter anschauen möchte, kann sich die Spezifikation herunterladen, nachdem einige Daten bei CSA hinterlegt worden sind. Ein frei verfügbarer Download existiert nicht.

Ähnlich sieht es auch beim Thread-Standard aus. Hier werden auch entsprechende Hinweise in der E-Mail gegeben:

Please also note, as per the Thread 1.1 Specification EULA, you are prohibited from sharing the document.

Grundsätzlich handelt es sich bei Matter um einen proprietären Standard, der genutzt werden kann, nachdem eine Zertifizierung durchgeführt und die Mitgliedsgebühren für die Connectivity Standards Alliance gezahlt wurden. Offizieller Quellcode rund um Matter ist auf GitHub zu finden und unter der Apache-Lizenz lizenziert.

Problematisch wird das Lizenzierungsmodell des Matter-Standards für GPL-Software, bedingt durch die jährlich zu leistenden Zahlungen an die Connectivity Standards Alliance, welche mit der GPL nicht vereinbar sind.

Migration auf Matter

Interessant wird es auch, wenn ein bestehendes Smart Home auf Matter umgerüstet werden soll. In einem solchen Fall sind bereits Systeme wie Zigbee oder Z-Wave installiert und die Frage stellt sich, wie diese Systeme umgestellt werden können.

Der einfachste Weg wäre es natürlich alle bestehenden Altgeräte auszubauen und anschließend neue kompatible Matter-Geräte einzubauen. Dies wird, ist den meisten Fällen aus Kostengründen und mangels fehlender Praktikabilität kein Weg sein, der gegangen werden kann.

Im Matter-Standard selbst sind für diesen Fall Bridges vorgesehen, mit welchen diese „Altsysteme“ angebunden werden können. Ein Bridge definiert sich im Matter-Standard dadurch, dass sie ein Matter-Knoten darstellen, welcher eines oder mehrere Nicht-Matter-Geräte darstellt.

Ein komplexes Matter-Netzwerk

Über solche Bridges können schlussendlich bestehende Netzwerke eingebunden werden. Daneben lassen sich einige Produkte, welche z. B. Hardware nach dem 802.15.4-Standard verbaut haben oder aber bereits Thread unterstützen per Softwareupdate so upgraden, dass sie mit dem Matter-Netzwerk kompatibel werden.

Problematisch an solchen Bridge-Lösungen ist, dass die Geräte nicht direkt integriert sind und somit unter Umständen parallele Mesh-Systeme im Smart Home existieren. Aber über solche Bridge-Lösungen ist möglich, Stück für Stück in die neue Matter-Welt zu migrieren und so den Migrations-Big-Bang zu vermeiden.

Ausblick und Fazit

Matter hat sich als neuer Standard aufgestellt, um den Smart Home-Markt aufzurollen. Dass mit neuen Standards die alten Standards nicht unbedingt obsolet werden, hatte schon XKCD in einem seiner bekannteren Comics gezeigt.

Doch wie könnte die Zukunft von Matter aussehen? Da sich praktisch jeder größere Smart Home-Anbieter und andere Firmen wie Apple, Amazon, Google und Samsung an Matter beteiligen, könnte Matter das Potenzial haben, den Markt aufzurollen.

Schlussendlich stellt sich hier die Frage nach den Produkten, die mit Matter-Unterstützung auf den Markt gebracht werden und ob diese die Kundenwünsche erfüllen können.

Auch muss der Standard, der in der Theorie übergreifend unterstützt wird und dessen Geräte unabhängig vom Hersteller genutzt werden können, dies noch in der Praxis beweisen. Im schlimmsten Fall ist der Kunde hier wieder der Leidtragende, weil er kleine und größere Inkompatibilitäten ertragen muss.

Im besten Fall führt der neue Standard zu einer Migration alter Lösungen in Richtung Matter. Der Zigbee-Standard ist praktisch ein Legacy-Standard geworden und Z-Wave wird im schlimmsten Fall einen langsamen Tod sterben, da viele Nutzer zu Matter abwandern werden und Z-Wave es schwer haben wird, gegen diesen Standard zu bestehen.

Auch wenn Z-Wave aufgrund der genutzten Funkfrequenzen kleinere technische Vorteile hat, sind dies wahrscheinlich keine Faktoren, welche sich auf Kundenseite auswirken werden. Auch wenn dies in der Z-Wave Alliance anders gesehen wird:

Matter is bringing a lot of attention to the smart home. This makes it easy to overlook Z-Wave as the most established, trusted, and secure smart home protocol, that also happens to have the largest certified interoperable ecosystem in the market. We firmly expect that Z-Wave will play a key role in connecting devices and delivering the experience users really want.

Im Rahmen des Artikels wurde einige Hintergründe von Matter erläutert, trotzdem wurde Matter nur angerissen, da der Standard auf über achthundert Seiten, viele Details definiert und unterschiedlichste Verfahren im Detail erläutert.

Wenn Matter seine Versprechen halten kann und die Nutzung für den Kunden einfacher ist, könnte es ein Standard sein, der ein Großteil der Nutzer und Hersteller in Zukunft hinter sich vereinen könnte.

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf Golem.de und ist hier in einer alternativen Variante zu finden.

Der universelle Cyberdelfin

Funktechniken wie NFC, RFID und Frequenzen wie die Nutzung des 433 MHz-Bandes bleiben den meisten Interessierten verschlossen. Mit dem Flipper Zero, welcher nun auch in Europa ausgeliefert wird, soll sich dies ändern.

Vor knapp zwei Jahren wurde im Rahmen einer Kickstarter-Kampagne im Juli 2020 der Flipper Zero angekündigt, auch Golem.de berichtete darüber.

Beim Flipper Zero handelt es sich um einen Hacker-Tamagotchi bzw. eine Art Funk-Multitool für Hacker. Die grundsätzliche Idee war es, die benötigten Werkzeuge für das Pentesting bestimmter Technologien, welche vorwiegend in der physischen Welt Verwendung finden, in einem Gehäuse zu vereinen. Dadurch ist der Anwender wesentlich mobiler und kann entsprechende Tests auch unauffällig durchführen.

Der Flipper Zero in Aktion

Im Grunde handelt es sich um ein Bündel unterschiedlichster Funktionalitäten, mit denen der Flipper Zero unter anderem als Universalfernbedienung, NFC- und RFID-Kopierstation (soweit technisch möglich), oder als Bastelwerkzeug für Hardwareinteressierte genutzt werden kann.

Nachdem die Kickstarter-Backer in Amerika und Australien bereits beliefert wurden, steht jetzt Europa auf der Liste.

Vom Hackspace zur Idee

Die Idee des Flipper Zero kam im Umfeld des Neuron Hackspace auf. Der Neuron Hackspace versteht sich als der erste Hackspace in Moskau, welcher von einem Besuch des 29C3 in Berlin inspiriert, schließlich im Juni 2011 seine Tore in Moskau öffnete.

In diesem mittlerweile geschlossenen Hackspace, kam die Idee für den Flipper Zero und den Flipper One auf. Die ursprüngliche Idee für die Geräte stammte von Pavel Zhovner, während Alexander Kulagin die Projektleitung übernahm und sich Valeria Aquamain als Art Director verantwortlich zeichnete.

Ursprünglich sollte ein Raspberry Pi Zero W als Grundlage genutzt werden. Von dieser Idee wurde Abstand genommen, da das Modul nicht in ausreichenden Stückzahlen geliefert werden konnte und die entsprechenden Compute-Module zu teuer gewesen wären.

Die Idee dahinter war, bestimmte Funktionalitäten in separater Hardware zu implementieren und den Raspberry Pi Zero W mit einer Linux-Distribution für anspruchsvollere Aufgaben zu betreiben.

Diese Variante erhielt den Namen Flipper One. Die Variante ohne entsprechende Linux-Möglichkeiten wurde schließlich zum Flipper Zero. Die Arbeit am Flipper One wurde zugunsten der Flipper Zero zurückgestellt.

Nachdem die Macher des Flipper Zero knapp 12.000 Vorbestellungen erhalten hatten, folgte eine entsprechende Kickstarter-Kampagne.

Die ursprünglich für das Hauptziel vorgesehenen 60.000 US-Dollar waren bereits nach acht Minuten ausfinanziert und 28 Tage später waren 4,4 Millionen US-Dollar erreicht und schlussendlich wurden über 4,8 Millionen US-Dollar eingesammelt.

Aufgrund der eingesammelten Summe wurden auch einige vorher als optional betrachtete Features mit in das Gerät aufgenommen. Dazu zählen ein alternativer dunkler Farbton, Bluetooth und NFC.

Designprozess

Für das Design, insbesondere das sogenannte Design for manufacturability (DFM), wurde mit der Firma Design Heroes zusammengearbeitet, welche ebenfalls in Moskau ansäßig sind. Beim DFM liegt der Fokus darauf, das Design des Produktes so zu gestalten, dass es in der Produktion keine größeren Probleme verursacht und einfach herzustellen ist.

Daneben unterstützte Design Heroes die Macher des Flipper Zero von den ersten Sketchen über die 3D-Modelle bis zu den ersten Prototypen, welche im 3D-Druck entstanden.

Während des Designprozesses wurden unterschiedlichste Änderungen vorgenommen, so wanderte z. B. der IR-Transceiver von der oberen Seite des Gerätes an die Seite. Grund hierfür war, dass der Transceiver auf der Oberseite oft verdeckt war, entweder durch Finger oder entsprechende Boards, welche mit der GPIO-Leiste genutzt wurden. Auch das Layout der GPIO-Leiste änderte sich einige Male, bis es seine jetzige Form erhielt.

Ebenfalls erst im Laufe des Design- und Umsetzungsprozesses, erfolgte die Erweiterung des Gerätes um einen microSD-Slot, um Dinge wie Code-Datenbanken und Ähnliches zu speichern, welche im 1 Megabyte großen Flash-Speicher des Gerätes selbst keinen Platz finden würden.

Während des Prozesses wurden immer wieder Anpassungen an der Hardware und der entsprechenden Verdrahtung gemacht. So wurde unter anderem die Batterie mit einem entsprechenden Konnektor versehen, damit diese einfach wechselbar ist, falls der Akkumulator mit der Zeit nicht mehr die gewünschte Leistung liefert.

Produktion

Bei der Ankündigung des Flipper Zero war von einer Auslieferung im Februar 2021 die Rede, was aus unterschiedlichsten Gründen nicht eingehalten werden konnte. Allerdings war dies aus Sicht eines Backers nicht weiter tragisch, was auch der exzellenten Kommunikation des Teams hinter dem Gadget zu verdanken ist.

So gab es für die Backer und andere Interessierte einen tiefen Einblick in die Probleme bei der Entwicklung und der Produktion. Prozesse wie die Herstellung der Gehäuse per Spritzguss wurden erklärt und die Herausforderungen dabei beschrieben. Die späteren Schritte wie der Test der Hardware wurden ebenfalls ausführlich beleuchtet.

Auch in diesem Projekt gab es Probleme im Zusammenhang mit der Chipkrise, sodass sich bestimmte Bestellungen für Bauteile, wie dem Bildschirm, verzögerten. Das führte auch dazu, dass einige Redesigns vorgenommen werden mussten, um nicht lieferbare Komponenten zu ersetzen.

So erwies es sich zeitweise als schwierig weitere ICs für das Laden der Batterie zu erhalten, der eingesetzte BQ25896RTWR war nicht mehr zu beschaffen, was für entsprechende Verzögerungen sorgte.

Erster Eindruck

Je nach getätigter Bestellung kann und wird der Flipper Zero mit entsprechendem Zubehör wie der Silikonhülle geliefert.

Der Flipper Zero selbst, wird in einer kleinen Pappbox geliefert. Wer diese öffnet, erhält einen Blick auf eine kurze Anleitung, sowie einen Aufkleber.

Darunter befindet sich ein USB-C-Kabel, welches mitgeliefert wird, sowie eine Ebene tiefer der eigentliche Flipper Zero. Das Gerät selbst misst 100 × 40 × 25 mm und wiegt 102 Gramm und liegt damit angenehm in der Hand.

Der Flipper Zero im Außeneinsatz

Allerdings wirkt es zumindest in der Vorstellung des Autors etwas größer als die Produktfotos es erahnen ließen.

Gefertigt wird das Gehäuse aus Polycarbonat, ABS-Kunststoff und Polymethylmethacrylat, besser bekannt unter dem Namen Acrylglass. Spezifiziert ist das Gerät für eine Betriebstemperatur von 0 bis 40 Grad.

Bildschirm

Der Flipper Zero verfügt über ein 1.4 Zoll (3,56 Zentimeter) großes Display, mit einer Auflösung von 128 × 64 Pixeln. Der Bildschirm ist ein klassisches LCD bei einem Stromverbrauch von 400 nA, wenn das Backlight deaktiviert ist. Intern ist dieser Bildschirm per SPI angebunden.

Der Bildschirm selbst ist beim Flipper immer aktiviert, nur die Hintergrundbeleuchtung wird entsprechend zugeschaltet.

Die Wahl des Bildschirmes war für den Flipper Zero eine zentrale Entscheidung, so wurde praktisch das gesamte Gerät um den Bildschirm herum gebaut. In der Überlegung stand auch ein E-Ink-Display, allerdings wurden hier die Aktualisierungsraten als zu gering bewertet und sich stattdessen für ein entsprechendes LCD entschieden.

Überblick

Gesteuert wird das Gerät über eine Art Steuerkreuz, inklusive Mitteltaste, sowie dem Zurück-Button. Neben dem Bildschirm ist eine Status-LED verbaut.

Der Flipper ist der Verpackung entstiegen

An der Oberseite des Gehäuses befindet sich eine GPIO-Leiste zur Ansteuerung externer Hardware. Sie wird mit 3,3 Volt betrieben, ist aber 5 Volt tolerant. Die Schräge auf der linken Seite enthält den Infrarot-Transceiver.

Auf der Unterseite befindet sich der Slot für die microSD-Karte. Dieser wird unter anderem für die Datenbanken benötigt, welche die Firmware des Flipper Zero nutzt.

Auf der rechten Seite befindet sich die USB-C-Buchse, mit welcher das Gerät geladen und mit einem Rechner verbunden werden kann.

Zwischen dem microSD-Slot und der USB-C-Buchse findet sich noch eine Öse, an welcher ein Band befestigt werden kann. Mitgeliefert wird ein solches Band allerdings nicht.

Das Herz der Maschine

Herz des Flipper Zero ist der STM32WB55, einem Mikrocontroller von STMicroelectronics. In diesem befindet sich ein ARM Cortex M4, welcher mit 64 MHz getaktet ist und als Applikationsprozessor dient, sowie ein ARM Cortex-M0+ welcher mit 32 MHz getaktet ist und als Netzwerkprozessor dient. Daneben verfügt der Mikrocontroller über 1 Megabyte Flashspeicher und 256 KByte SRAM.

In der Theorie sollte der Flipper Zero mit einer Batterieladung ungefähr 30 Tage durchhalten. So zumindest die Aussage während der Kickstarter-Kampagne. Mittlerweile werden sieben Tage Laufzeit angegeben. Es handelt sich um eine LiPo-Batterie mit einer Kapazität 2000 mAh. Geladen wird diese über den USB-C-Anschluss des Flipper Zero.

Im Gerät selbst sind eine Vielzahl an meist drahtlosen Schnittstellen implementiert. Im Kontext des Gerätes werden diese auch als Subsysteme bezeichnet.

Sub-Ghz-System

Der Flipper-Zero besitzt eine Antenne für Frequenzen unterhalb eines Gigahertz, welche in Verbindung mit dem CC1101-Chip genutzt wird. In der Terminologie des Gerätes ist dies das sogenannte Sub-Ghz-System. Innerhalb dieses Frequenzbereiches bewegen sich eine Reihe von Geräten, wie Garagentore, Autoschlüssel, mehr oder weniger smarte IoT-Geräte, wie schaltbare Steckdosen, was nicht weiter verwunderlich ist, da ein Teil der Frequenzen unterhalb eines Gigahertz zu den ISM-Bändern gehören.

Auch wenn das System als Sub-Ghz-System bezeichnet wird, bedeutet dies nicht, dass mit dem Flipper Zero alle Frequenzen unterhalb eines Gigahertz genutzt werden können.

Der CC1101 von Texas Instruments wird als sparsamer Transceiver angeboten. Er unterstützt die Frequenzbänder 300–348 MHz, 387–464 MHz und 779–928 MHz. Damit stehen auch nur diese Frequenzen im Sub-Ghz-System zur Verfügung.

Im Flipper Zero befindet sich auch ein Frequenzscanner; mit dem innerhalb dieser Bänder ermittelt werden kann, auf welcher Frequenz das System sendet. Dazu wird der entsprechende Sender aktiviert, während der Frequenzscanner läuft.

Der Frequenzscanner in Verbindung mit einem Autoschlüssel

Signale können im Sub-Ghz-System auch roh aufgezeichnet werden. Allerdings sollte beachtet werden, dass es sich beim Flipper Zero nicht um ein Software Defined Radio (SDR) handelt und somit das Signal bei der Rohaufzeichnung nicht immer komplett aufgezeichnet wird.

RFID

Neben dem Sub-Ghz-System, werden 125 kHz RFID-Tags, welche auch als Low Frequency-Tags bekannt sind, unterstützt. Der Flipper Zero unterstützt mehrere Modulation, wie Amplitudenmodulation, Phasenumtastung und Frequenzumtastung im Zusammenhang mit diesen Tags.

Zu den unterstützten Karten zählen EM400x, EM410x, EM420x, HIDProx, Indala. Diese werden unter anderem zur Zugangskontrolle genutzt. Solche Karten können mit dem Flipper einfach ausgelesen und geklont werden.

Near Field Communication

Im Rahmen der erfolgreichen Kickstarter-Kampange kam die Unterstützung für Near Field Communication, kurz NFC hinzu, was das Gerät in diesem Bereich abrundet.

Bei RFID sind eine Reihe von Frequenzbereichen definiert, das Band zwischen 125 und 134,2 kHz (Low Frequency), das Band auf 13,56 MHz (High Frequency) und das Band zwischen 856 und 960 MHz (Ultra High Frequency).

NFC setzt ebenfalls auf der Frequenz 13,56 MHz auf und nutzt diese für entsprechende Übertragungen über kurze Entfernungen von wenigen Zentimetern.

Während RFID auf hohe Reichweite optimiert ist, meist primitive Protokolle nutzt, keine bzw. wenig Sicherheit bietet, sieht dies bei NFC-Tags anders aus. Hier wird auf komplexere Protokolle und kryptografische Absicherung gesetzt.

Im Gegensatz zu RFID ist bei NFC der bidirektionale Datenaustausch zwischen zwei Geräten möglich. Hier unterstützt das Gerät aktuell unterschiedlichste Standards, wie ISO-14443A/B, NXP Mifare® Classic/Ultralight/DESFire, FeliCa™ und die NFC Forum-Protokolle.

Damit ist das Gerät zu einer Vielzahl an Karten, wie Kreditkarten und dem Personalausweis kompatibel. Auch Zugangschips, wie sie in vielen Gebäuden benutzt werden, können ausgelesen werden. Je nach Möglichkeit wird nach der generellen Erkennung einer Karte; die Bearbeitung in einer speziellen Applikation innerhalb der Firmware vorgeschlagen.

Die UID wurde ausgelesen

Wird z. B. ein Mifare Classic eingelesen, so können anschließend mit der entsprechenden App die Schlüssel ausgelesen werden.

Auch Amiibos können emuliert werden

Grundsätzlich beherrscht der Flipper Zero bei allen Subsystemen nicht nur das Auslesen der Informationen, sondern auch die Emulation z. B. die entsprechender NFC-Tags. So ist z. B. die Emulation von Amiibos für die Nintendo Switch ohne Probleme möglich.

Bluetooth

Eine weitere Funktechnik, die der Flipper Zero beherrscht, ist Bluetooth Low Energy in Version 5, bei einer Datenrate von 2 Mbps.

Bluetooth muss hierbei in den Einstellungen der Flipper aktiviert werden, anschließend kann es unter anderem dafür genutzt werden sich mit der mobilen App zu verbinden.

Daneben befindet sich unter den Plugins eine Beispielapplikation zur Nutzung als Bluetooth-Fernbedienung.

Infrarot

Infrarot ist nicht erst seit dem Start des James-Webb-Teleskops in aller Munde. Der Flipper Zero verfügt über einen Infrarot-Transceiver zum Senden und Empfangen entsprechend kodierter Signale. Der Transceiver arbeitet bei einer Wellenlänge von 800 bis 950 nm.

In der Firmware selbst wird hierfür eine Applikation mitgeliefert, welche als eine Art Universalfernbedienung fungiert und per Wörterbuch-Attacke alle entsprechenden IR-Codes sendet, um den Kanal zu wechseln oder das Gerät abzuschalten. Damit wäre es beispielhaft möglich im Elektronikmarkt alle Fernseher abzuschalten; auch wenn es sicherlich sinnvollere Varianten der Nutzung gibt.

iButton

Eine kontaktbehaftete Schnittstelle, welche vom Flipper Zero unterstützt wird, ist die iButton-Schnittstelle. Diese auch als Dallas Touch Memory bekannte Technik wird z. B. zur Zugangskontrolle in Gebäuden benutzt.

Die Kontaktpunkte für die Schnittstelle

Hierbei wird der iButton auf eine entsprechende Schnittstelle gelegt und ein mechanischer und elektrischer Kontakt hergestellt. Anschließend findet die Kommunikation über 1-Wire statt.

Hierfür wurde am Flipper Zero eine Kontaktmöglichkeit auf der Unterseite des Gerätes geschaffen, mit welcher die entsprechende Hardware ausgelesen, beschrieben und emuliert werden kann. Unterstützt werden die Protokolle CYFRAL und Dallas DS1990A.

GPIO

Die Einsatzmöglichkeiten des Flipper Zero sind nicht nur auf Funktechnologien beschränkt. Über die GPIOs, welche sich oben am Gehäuse befinden, kann das Gerät mit externer Hardware verbunden werden.

Die GPIO-Leiste des Flipper Zero

Damit ist es möglich den Flipper für das Flashen von Hardware oder das Debugging und Fuzzing zu benutzen. Über diese Funktionalität kann das Gerät auch als USB-UART-Bridge genutzt werden.

Der Flipper Zero unterstützt die Spannungen 3,3 und 5 Volt, wobei letztere in den Einstellungen aktiviert werden muss. Pro Pin werden maximal 20 mA geliefert.

Im Shop des Herstellers werden unter anderem Entwicklungsboards mit Wi-Fi und entsprechende Prototyping-Boards angeboten.

Visuell, Taktil und Musikalisch

Neben dem Bildschirm gibt der Flipper Zero über eine LED, einen Buzzer, sowie per Vibration Rückmeldung an die Außenwelt und den Nutzer. Der eingebaute Buzzer arbeitet in einer Frequenz von 100 bis 2500 Hz, bei einer maximalen Lautstärke von 87 dB.

Das Plugin MusicPlayer auf dem Flipper Zero

Er kann mit der in der Firmware integrierten Musik-App getestet werden. In den Einstellungen kann die Lautstärke generell auf null reduziert werden, sodass das Gerät auch weniger auffällig benutzt werden kann.

Bad USB und U2F

Über den USB-Port, kann das Gerät zum Pentesting per USB genutzt werden. Diese als Bad USB firmierte Technik, emuliert eine USB-Tastatur und kann entsprechende Skripte ausführen. Dazu wird das gewünschte Skript ausgewählt und das Gerät an den Rechner der Wahl angeschlossen.

Als Skriptsprache wurde Ducky Script implementiert, sodass eventuell vorhandene Skripte übernommen werden können. Bekannt ist Ducky Script durch Rubber Ducky, einem Keystroke-Injection-Tool.

Genutzt wird diese Funktionalität z. B. bei Sicherheitsüberprüfungen von Unternehmen, bei welchen als gewöhnliche USB-Sticks getarnte Bad USB-Geräte vor oder im zu testeten Unternehmen platziert werden. Die Hoffnung ist es, dass der Finder dieser Sticks diese am Arbeitsrechner anschließt und damit die entsprechenden Skripte zur Ausführung bringt.

Natürlich kann das Ganze auch für unlautere Zwecke genutzt werden. Damit handelt sich um eine der vielen Dual-Use-Funktionalitäten des Flipper Zero.

Daneben gibt es Unterstützung für U2F, also für eine entsprechende Zwei-Faktor-Authentifizierung, wie sie z. B. auch mit dem YubiKey umgesetzt wird.

Einrichtung

Nachdem der Flipper Zero ausgepackt wurde, kann mit der Ersteinrichtung begonnen werden. Der Flipper Zero verfügt über einen microSD-Port, in welchem eine entsprechende microSD-Karte hinterlegt werden sollte. Bei zu kurzen Fingernägeln, kann der Vorgang des Einsetzten der Karte etwas unpraktisch sein, ist aber mit etwas Geschick zu bewerkstelligen.

In der Theorie funktioniert das Gerät auch ohne eine entsprechende microSD-Karte, allerdings ist die Praktikabilität etwas eingeschränkt, da auf der microSD-Karte entsprechende Datenbanken und Ähnliches gespeichert werden.

Eine microSD-Karte wird nicht mitgeliefert. Bei der Wahl der Karte sollte auf Karten von Markenherstellern gesetzt werden. Hintergrund ist, dass der Flipper Zero per SPI-Modus auf die Karten zugreift, während bei einem Rechner im Normalfall mit dem SDIO-Modus gearbeitet wird.

Bei günstigen microSD-Karten ist die Unterstützung für den SPI-Modus in vielen Fällen fehlerhaft oder unzureichend implementiert und kann zu Problemen führen.

Unterstützt werden microSD-Karten bis zu einer Kapazität von 128 GB, allerdings genügt in den meisten Fällen eine Karte mit einer Kapazität von 16 oder 32 GB. Die microSD-Karte für den Flipper Zero kann FAT32 oder exFAT formatiert sein.

Die Formatierung kann auch über das Gerät selbst vorgenommen werden, sodass hier keinerlei Vorbereitung am Rechner notwendig ist. Dabei wird die microSD-Karte bis zu einer Größe von 32 GB mit FAT32 formatiert, darüber hinaus mit exFAT.

Firmware-Update

Da der Flipper Zero mit einer relativ alten Firmware ausgeliefert wird, sollte im ersten Schritt die entsprechende Firmware aktualisiert werden. Dazu soll laut Anleitung die Webseite update.flipperzero.one besucht werden, welche die entsprechenden Möglichkeiten des Updates aufzeigt.

Angeboten werden zwei Möglichkeiten, das Gerät zu aktualisieren. Bei der ersten Möglichkeit wird die Applikation qFlipper genutzt, welche als Desktop-Anwendung unter Linux, macOS und Windows zur Verfügung steht.

Daneben existiert mittlerweile auch die Möglichkeit das Gerät über die entsprechende mobile App (iOS, Android) zu aktualisieren. Allerdings steht diese Möglichkeit erst neueren Firmware-Versionen zur Verfügung, sodass bei der Erstaktualisierung die qFlipper-Applikation genutzt werden muss.

‎Flipper Mobile App
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Preis: Kostenlos
Flipper Mobile App
Flipper Mobile App
Preis: Kostenlos

Neben diesen beiden Methoden wird unter my.flipp.dev an einer Methode gearbeitet, die Aktualisierung über den Browser vorzunehmen. Diese wird allerdings noch als experimentell eingestuft und sollte nicht genutzt werden.

Das Firmware-Update wird durchgeführt

Nachdem Start der Applikation kann der Flipper Zero mit dem Rechner verbunden werden. Wurde dieser erkannt, kann das Update gestartet werden.

qFlipper weist auch darauf hin, ob eine microSD-Karte im Gerät erkannt wurde. Auch ohne microSD-Karte kann die Firmware-Aktualisierung vorgenommen werden. Wird später eine entsprechende Karte im Gerät installiert, können die entsprechenden Datenbanken ebenfalls über qFlipper auf diesem installiert werden.

Die eigentliche Aktualisierung selbst dauert nur knapp eine bis zwei Minuten und ist relativ schnell abgeschlossen. Damit ist das Gerät einsatzbereit und kann genutzt werden.

Der grüßende Delfin

Am Anfang begrüßt der Cyberdelfin den Nutzer und bedankt sich unter anderem für die Unterstützung auf Kickstarter. Anschließend kann das Gerät genutzt werden.

Der Delfin bedankt sich für die Unterstützung

Der Delfin ist hierbei eine Anspielung auf die Kurzgeschichte Johnny Mnemonic, von William Gibson, in welcher ein entsprechender Cyberdelfin mit dem Namen Jones vorkommt.

Die Steuerung erfolgt, wie oben erwähnt, über das Steuerkreuz und den Bestätigungs- bzw. Zurück-Button.

Mit einem Druck des Rechts-Button wird der Pass des Cyberdelfins angezeigt. Der Cyberdelfin ist ein elementarer Bestandteil des Flipper Zero und soll eine Art Tamagotchi-Erlebnis liefern. Neben einem Namen, der automatisch für das Gerät vergeben wird, verfügt der Delfin über ein Level, das aktuell bis Level 3 gesteigert werden kann. Dieses Level steigt mit der Nutzung Flipper Zero. Daneben verfügt der Delfin über eine Gemütslage, von Glücklich zu Okay bis hin zu Schlecht. Der Name wird bei der Produktion fest vergeben. Dazu wurde ein neuronales Netz mit den Namen der Pokémon trainiert.

Ein Druck auf den Oben-Button führt zum Sperrmenü des Flipper Zero. In diesem kann das Gerät gesperrt werden, eine PIN gesetzt und in der Theorie der sogenannte DUMB mode aktiviert werden.

In diesem noch nicht implementierten Modus, soll das Gerät nur noch Spiele spezifische Funktionalität anzeigen und somit wie ein Spielzeug aussehen, falls es einmal unauffälliger zugehen soll.

Die Links- und Unten-Buttons können im Menü frei belegt werden und sind im Auslieferungszustand mit dem Sub-Ghz-System und dem NFC-System belegt.

Ein Druck auf die mittlere Taste öffnet das Menü. Neben dem Zugriff auf die unterschiedlichen Subsysteme finden sich hier die Einstellungen und die Plugins. Eines der Plugins ist das Spiel Snake, sodass Freunde eines alten Nokia-Telefons auf ihre Kosten kommen.

In den Einstellungen können Informationen zur Hardware eingesehen werden, das System konfiguriert und Informationen über den genauen Stromverbrauch des Gerätes ermittelt werden.

Neben der Bedienung über das Menü- bzw. das Steuerkreuz gibt es einige Spezialkombinationen. Für einen Neustart z. B. wird das Steuerkreuz nach links gedrückt und gleichzeitig die Zurück-Taste für einige Momente gedrückt. Der Neustart ist nach knapp zwei Sekunden abgeschlossen und das Gerät kann dann wieder genutzt werden.

Kompanion-Applikationen

Bei Firmware-Upgrade wurde bereits erläutert, dass es für den Flipper Zero unterschiedliche Applikationen existieren. Diese sollen noch einmal kurz im Detail beleuchtet werden.

qFlipper

Die Applikation qFlipper, dient unter anderem der Aktualisierung des Gerätes. Daneben können dort Informationen über die Firmware und die Datenbanken ermittelt werden.

qFlipper bietet ein Update an

Was die Firmware-Aktualisierungen betrifft, ermöglicht qFlipper die Auswahl der entsprechenden Channels, sodass der Flipper Zero auch mit der Entwicklungsfirmware bespielt werden kann.

Auch ein Zugriff auf die microSD-Karte ist über qFlipper möglich, sodass über diesen Weg Dateien auf die microSD-Karte gelegt werden können oder von dort heruntergeladen werden können.

Der Quelltext der App ist auf GitHub verfügbar und unter der GPL3 lizenziert und damit freie Software. Technisch handelt es sich um eine in C++ geschriebene Applikation, welche das Qt-Framework nutzt.

App für Mobilgeräte

Neben qFlipper existieren für iOS und Android entsprechende mobile Apps. Mit dieser kann die Firmware ebenfalls aktualisiert werden und es können interne Informationen über das Gerät eingesehen werden.

Über die mobilen Apps können unter anderem die ausgelesenen Schlüssel verwaltet werden

Ein wichtiges Feature der Applikation ist die Verwaltung eingelesener Schlüssel und Ähnlichem. Über den Archive-Tab der Applikationen können diese bequem verwaltet und entsprechend benannt werden.

Zwar verfügt der Flipper Zero über eine Bildschirmtastatur, über welche die Schlüssel benannt werden können, allerdings ist dies mit den mobilen Applikationen wesentlich angenehmer.

Auch das Streaming des Bildschirminhaltes des Flipper Zero, z. B. für Screenshots, ist mit der App möglich. Genau wie die qFlipper-Applikation enthalten die mobilen Apps einen Dateimanager, um auf den internen und externen Speicher des Flipper Zero zuzugreifen.

My Flipper

Neben diesen nativen Applikationen existiert mit My Flipper eine Webapplikationen, welche aktuell nur im Browser Chrome funktioniert. Geschuldet ist dies der Nutzung der Web Serial API.

Die Webapplikation My Flipper

Über die Webapplikation, können Spielereien vorgenommen werden, z. B. die Nutzung des Flippers als Ausgabegerät für Zeichnungen, welche in der Webapplikation vorgenommen werden oder auf die Kommandozeile zugegriffen werden.

Kommandozeile

Dies funktioniert auch per Terminal z. B. unter macOS. Dazu muss nach dem Anschluss des Flipper Zero das entsprechende Gerät ermittelt werden:

ls /dev/cu.usbmodemflip*

Nun kann sich mit dem Gerät verbunden werden:

screen /dev/cu.usbmodemflip_Uchfun1

Über die Kommandozeile können unter anderem die GPIO-PINs gesteuert werden.

Dokumentation und Community

Mit docs.flipperzero.one verfügt der Flipper Zero über eine entsprechende Dokumentation, welche im Moment allerdings noch an vielen Stellen lückenhaft oder nicht vorhanden ist.

Wohl unter anderem deshalb sucht Flipper Devices nach einem Technical Writer.

Allerdings hilft die Community bei vielen Fragen rund um das Gerät weiter. Neben dem offiziellen Forum existiert ein entsprechender Discord-Server.

Eine weitere Auflistung rund um die Community und interessanter Projekte rund um den Flipper Zero findet sich bei Awesome Flipper, welches sich als guter Einstiegspunkt anbietet.

Die offiziellen Applikationen rund um den Flipper Zero, sowie die Firmware sind auf GitHub verfügbar. Die mobilen Applikationen sind unter der MIT-Lizenz, qFlipper und die Firmware unter der GPL3 lizenziert und damit freie Software.

Made in Russia

Mit dem Projekt, wurde die Firma Flipper Devices Inc., nach US-amerikanischem Recht gegründet und registriert, bei welcher es sich, zumindest was den Sitz in den USA angeht, um eine Briefkastenfirma handelt.

Das eigentliche Büro des Projektes bzw. der Firma befindet sich Moskau. Mit der Invasion der Ukraine stellte sich die Frage, ob die Geräte aufgrund der politischen Lage noch ausgeliefert werden. Das Team formulierte seine Gedanken und die entsprechenden Informationen darüber klar:

Our team consists of both Ukrainians and Russians. And all of us have friends and relatives on both sides. We are all very worried about the ongoing events and consider it necessary to speak out.

We are radically against the ongoing „special military operation*“ and none of our team members support it. All sensible Russian-speaking professionals in the IT industry adhere to the same opinion.*

We want to live and develop in a peaceful, professional, and competitive environment where the main values are honesty, common sense, laws, and human rights. Where contracts are respected, institutions work, and international business can be created.

Current events will not affect the Flipper Zero production in any way, and all ordered devices will be shipped to backers and those who have pre-ordered, though there may be delays for customers from the CIS countries due to logistics disruptions in the region.

*We refer to these events using the „officially approved“ wording in order to comply with the new law, violation of which is punishable by up to 15 years in prison.

Hier bleibt es zu beobachten, wie sich die Lage in den nächsten Jahren entwickelt und ob dies die Weiterentwicklung des Gerätes beeinträchtigt.

Fazit

Nachdem das Projekt bei Kickstarter ein großer Erfolg wurde, änderte das Team seine Pläne hinweg von einer Kleinserie für wenige Professionelle hin zu einem professionellen Anbieter von Pentesting-Geräten. Neben dem eigenen Shop soll in Zukunft auch über Plattformen wie Amazon geliefert werden.

Auf der Hardware-Seite erhält der Nutzer ein ausgereiftes Gerät und auch die Firmware weiß an einigen Stellen bereits zu glänzen, auch wenn es hier noch weiterführende Pläne gibt.

Aktuell findet der Support für das dynamische Laden von ELF-Binäries für die Plugins in der Erprobung. Im Moment müssen diese direkt mit der Firmware kompiliert und anschließend die Firmware geflasht werden. Das eröffnet die Möglichkeit, unterschiedlichste Plugins einfach mit dem Gerät nutzen zu können.

Bis zur Version 1 der Firmware, soll unter anderem die Dokumentation wesentlich verbessert und die Anzahl der unterstützten Funkprotokolle erhöht werden.

Die Kompanion-Applikationen wirken ausgereift und werden sicherlich in Zukunft durch entsprechende Updates aufgewertet.

Während das Gerät für Backer 119 US-Dollar kostete, beträgt der reguläre Retail-Preis 169 US-Dollar. Bestellt werden kann es über den offiziellen Shop, wobei mit längeren Lieferzeiten zu rechnen ist. Wer als Kickstarter-Backer seinen Flipper Zero noch nicht in den Händen hält, kann den aktuellen Status der Auslieferung auf ship.flipp.dev verfolgen.

Alles in allem erhält der Nutzer ein Gerät, welches viele Funktionalitäten, welche es früher nur einzeln gab, in einem kompakten System zusammenfasst. Mit weiteren Verbesserungen und Erweiterungen der Firmware und Kompanion-Applikationen wird der Flipper Zero zu einem wertvollen Begleiter.

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf Golem.de und ist hier in einer alternativen Variante zu finden.

AnyDesk als TeamViewer-Alternative

Die Weihnachtszeit ist ja bekanntlich die Zeit im Jahr, in welcher die Eltern besucht werden und die IT wieder auf Vordermann gebracht wird. Für die schnelle Hilfe zwischendurch gibt es allerdings auch andere Lösungen. Früher habe ich dafür immer gerne TeamViewer genutzt, allerdings ist die Software mit der Zeit nicht unbedingt besser geworden und vor allem unter Linux fühlte sich das Ganze ziemlich unschön an. Auf der Suche nach Alternativen bin ich schlussendlich bei AnyDesk gelandet.

AnyDesk unter macOS

Die Firma hinter AnyDesk, die AnyDesk Software GmbH aus Stuttgart, wurde 2014 von einigen ehemaligen TeamViewer-Mitarbeitern gegründet. Für den persönlichen Gebrauch ist AnyDesk kostenfrei, sodass der Anwendungsfall für gelegentliche Hilfe unter Freunden und Verwandten problemlos abgedeckt werden kann. Die Software läuft nativ unter Linux, macOS, Windows, iOS und Android. Damit steht einem betriebssystemübergreifenden Support nichts im Weg steht. AnyDesk kann über die offizielle Webseite unter anydesk.com bezogen werden.

iPadOS-App für das Zeichen mittels des Apple Pencils

Für das iPad in Verbindung mit einem Apple Pencil war ich auf einer Suche einer brauchbaren App um Notizen mit diesem zu machen. Fündig geworden bin ich bei der App Nebo.

‎Nebo: Notizen u. PDF-Anmerkung
‎Nebo: Notizen u. PDF-Anmerkung
Preis: Kostenlos+

Bei der App handelt es sich um eine Notizapplikation, welche mit Freihandformseiten, strukturierten Seiten und PDFs arbeiten kann. Freihandformseiten sind Seiten, in denen normal auf einem unendlichen Blatt gezeichnet werden kann. Bei den strukturierten Seiten, wird der geschriebene Text automatisch erkannt, es können Diagramme, Bilder, mathematische Blöcke hinzugefügt werden. Daneben können PDFs importiert werden und mit Anmerkungen versehen werden.

Nebo mit einer Freihandformseiten

Neben dem Import können die Notizen exportiert oder über die Nebo-Cloud synchronisiert werden. Mir persönlich fehlt nur die Möglichkeit die Inhalte zu externen Diensten mittels WebDAV zu synchronisieren, z.B. zur Nutzung einer eignen Nextcloud-Instanz. Einzelne Dokumente können allerdings problemlos in andere Dienste exportiert werden. Die offizielle Seite der App ist unter nebo.app zu finden. Neben der Variante für iPadOS existieren auch Versionen für Android und Windows.