القدرة الأكثر أهمية لأجهزة إنترنت الأشياء هي قدرة الاتصال. هناك بروتوكولات مختلفة مع مجالات تطبيق مختلفة. أثناء WiFi, بلوتوث, غالبًا ما تستخدم Zigbee أو معايير الراديو الأخرى لمسافات قصيرة في المنزل, يجب أن تكون الأجهزة موجودة في مكان آخر باستخدام تقنيات بديلة. هذه المجموعة من التقنيات هي إرسال LoRaWAN. ومع ذلك, تتمتع هذه بميزة المدى الأطول بشكل ملحوظ وكفاءة الطاقة الأفضل من معظم معايير الراديو الأخرى على حساب عرض النطاق الترددي. تُظهر الصورة أدناه LoRaWAN مقارنة ببعض بروتوكولات الاتصال اللاسلكي الأخرى. تُستخدم تقنيات LoRaWAN في الغالب عند تثبيت الأجهزة الطرفية في مواقع لا تعمل إلا مع التقنيات الأخرى التي يصعب تحقيقها, أو عندما تكون كفاءة الطاقة ذات أهمية كبيرة. في هذا LoRaWAN يستخدم كتقنية LPWAN.
ومع ذلك, النطاق واستهلاك الطاقة ليسا النقاط المهمة الوحيدة في إنترنت الأشياء. إحدى المشكلات التي غالبًا ما يتم تجاهلها هي أمان الأجهزة المتصلة بالشبكة. ما بين 2017 و 2018 وحده, زاد عدد البرامج الضارة المعروفة لأجهزة إنترنت الأشياء بمقدار أربعة أضعاف تقريبًا. لكن البرامج الضارة ليست التهديد الوحيد. ترسل الكثير من أجهزة إنترنت الأشياء بيانات محمية بشكل غير كافٍ, التسبب في هجمات على تلك البيانات وبالتالي على البنية التحتية لإنترنت الأشياء أيضًا. تجسس, يعد التلاعب بالبيانات والاستيلاء الكامل على الأنظمة سيناريوهات هجوم نموذجية.
موضوع آخر ذو صلة في أمان إنترنت الأشياء هو تحديثات البرامج الثابتة; أنها تمكن الشركات المصنعة من جلب وظائف جديدة للأجهزة و, في حالة وقوع حوادث أمنية, لمعالجتها دون أن يكون المستخدم نشطًا. من المهم للغاية أن يتم تنفيذ التحديثات أيضًا بطريقة آمنة بحيث لا يتمكن المهاجمون من حقن البرامج الثابتة المزيفة في الجهاز.
يخلق الجمع بين تحديثات البرامج الثابتة والأجهزة الطرفية التي تستخدم بروتوكول LoRaWAN لنقل البيانات تحديًا جديدًا تمامًا. بينما بالنسبة للتقنيات القائمة على IP, مثل ب. شبكة W-LAN, توجد بالفعل بعض الاقتراحات لبروتوكولات محددة, التحديثات عبر LoRaWAN لا تزال غير مستكشفة إلى حد كبير. يمكن العثور على سبب عدم إمكانية استخدام البروتوكولات الكلاسيكية في قيود تقنيات LoRaWAN. LoRaWAN, فمثلا, لديها قيود عالية من حيث معدل البيانات وسرعة إرسال LoRaWAN وليس لديها بروتوكول نقل موحد, الذي يعوض عن الخسائر في نقل البيانات يمكن.
1.1 صندوق البريد الذكي
في هذا العمل, يتم النظر في تطبيق معين ويتم فحص موضوعات مختلفة لأمن إنترنت الأشياء. تم تطوير صندوق بريد ذكي, الذي يُعلم المستخدم عبر هاتفه الذكي عندما يتم استلام البريد في صندوق البريد.
1.1.1 حالة الاستخدام
تتمثل الفكرة الأساسية لصندوق البريد الذكي في التأكد من أن المستخدم لا يضطر إلى فتح صندوق بريده باستمرار لمعرفة ما إذا كان هناك أي بريد بداخله. في حين أن, يجب أن يتلقى إشعارًا على جهازه المحمول بمجرد وجود بريد في صندوق البريد. هذا له ميزة أن وقت المستخدم ليس غير ضروري بسبب علب البريد البعيدة عن المستخدم أو التي نادرا ما تحتوي على بريد يتم المطالبة به.
يتم الاحتفاظ بوظائف التطبيق عن عمد صغيرة بسبب التركيز على الأمن وكفاءة الطاقة. بالاضافة, تم تطوير التطبيق كملف “تمديد”. يجب أن يكون من الممكن القيام بذلك بجهد ضئيل من جانب المستخدم لتثبيت أي صناديق بريد. وبالتالي فإن تشغيل البطارية وعامل الشكل الصغير هما أيضًا من متطلبات المشروع.
1.1.2 تم فحص الموضوعات مع انتقال LoRaWAN
كما ذكر آنفا, ينصب تركيز العمل على أمن إنترنت الأشياء. بالاضافة, تعتبر كفاءة الطاقة. من هذه الأولويات, هناك العديد من الموضوعات الفرعية التي تم فحصها باستخدام صندوق البريد الذكي وكانت النقطة الأولى هي الأمان, البيانات المشفرة E2E نقل LoRaWAN. خاصة مع صناديق البريد في الأماكن العامة, من المهم ألا يكتشف المهاجم أنه يمكنه تحديد ما إذا كان البريد موجودًا في صندوق البريد وكميته. هذا يمنع من يمكنه بسهولة معرفة ما إذا كان الاقتحام يستحق العناء. الحماية مهمة أيضًا ضد التلاعب لمنع المستخدم من تلقي معلومات خاطئة حول حالة صندوق البريد. بالاضافة, يتم فحص إلى أي مدى يمكن إجراء التفاوض على مفاتيح التشفير لهذه المهام بطريقة آمنة دون أن تتمكن الشركة المصنعة للجهاز أو الأطراف الثالثة من معرفة ذلك.
النقطة الرئيسية التالية في التحقيق هي تحديثات البرامج الثابتة الآمنة عبر LoRaWAN. لا يوجد حاليًا أي معيار رسمي بشأن نقل البرامج الثابتة. التحديثات عبر LoRaWAN. في هذا الصدد, إنها إحدى المهام الرئيسية لهذا العمل
للتصميم والاختبار. فى النهايه, يجب أن يكون صندوق البريد الذكي قادرًا على تنفيذ تحديثات البرامج الثابتة عبر LoRaWAN دون تدخل المستخدم. يجب أيضًا تأمين هذه التحديثات بشكل مشفر لمنع التلاعب. أخيرا, يتم فحص كيفية إلقاء البريد في جهاز صندوق البريد الذي يمكن التعرف عليه. تم فحص تقنيات مختلفة وتحديد مناسبة.
2.1 LoRaWAN
LoRaWAN هو حل LoRaWAN لتطبيقات إنترنت الأشياء بكمية صغيرة من البيانات الموفرة للطاقة ويمكن نقلها لاسلكيًا عبر مسافات كبيرة. يتكون من يد واحدة من راديو LoRa, بروتوكول لنقل البيانات المادية LoRaWAN ومن ناحية أخرى LoRaWAN نفسه, يتراكم بروتوكول MAC المستند إلى LoRa ويوفر إجراءً موحدًا لنقل البيانات عبر LoRa. LoRaWAN, كأحد النقاط الرئيسية في هذا العمل, تم استخدامه للتواصل مع الأجهزة الطرفية, بما في ذلك صندوق البريد الذكي.
2.1.1 ما هو لورا
LoRa هي عملية تعديل تردد تم تطويرها بواسطة Semtech للاتصالات اللاسلكية بين اثنين من شركاء الاتصالات المسموح بها. أنه, وبالتالي, بروتوكول فيزيائي (طبقة OSI 1), الذي يتولى فقط تعديل نقل البيانات المادية. يستخدم LoRa غردات معدلة التردد لترميز الرموز. يستخدم تعديل الزقزقة "غردات" لنقل الرموز. يتم تغيير التردد بشكل مستمر عبر عرض النطاق الترددي خلال فترة زمنية محددة. يتم تحديد الرموز المنقولة حول بداية الزقزقة.
المزايا الأساسية التي يوفرها هذا التعديل مقارنةً بـ FSK أو PSK هي المدى الطويل والمتانة ضد الضوضاء. كلاهما من عامل الانتشار وعرض النطاق الترددي المستخدم. يحدد عامل الانتشار مدة استمرار غرد واحد, أي مدى انتشاره ". عامل أعلى يعني رموز أوسع, مما يضمن نطاقات إرسال LoRaWAN أطول, ولكن أيضًا نقل البيانات بشكل أبطأ. في عوامل الانتشار LoRa من 7 إلى 12 ويعرف, وهو ما يعني سرعة إرسال LoRaWAN من الحد الأقصى 37.5 كيلوبايت / s إلى الحد الأدنى 300 قليلا / يمكن أن يتحقق. عرض النطاق الترددي ثابت على 125 كيلو هرتز, 250 كيلو هرتز أو 500 كيلو هرتز ويؤثر أيضًا على نطاق وسرعة الإشارة. يتم تحديد الاختيار الملموس لهذه المعلمات بواسطة LoRaWAN.
تعتمد الترددات التي تستخدمها LoRa على المنطقة. في أوروبا, يمكنك 868 ميغا هرتز أو في 433 يمكن إرسال ميغا هرتز. من المهم الإشارة إلى أن هذه الترددات هي أطياف بدون ترخيص, لذلك لا توجد رسوم ترخيص لاستخدامها. للتعويض عن هذا, تطبيق مؤقت, إرسال قيود يجب على جميع الأجهزة الالتزام بها. هذه بين 0.1% و 10%, حسب التردد المستخدم.
2.1.2 ما هو LoRaWAN
LoRaWAN هو بروتوكول MAC (طبقة OSI 2), الذي يقوم على LoRa (ولكن أيضا مع FSK يمكن استخدامها), وكذلك بعض عناصر بروتوكول الشبكة (طبقة OSI 3) يحتوي على. يحدد تنسيق الرسالة, وكذلك أوامر MAC للتحكم في النقل. يتم أيضًا تحديد معلمات إرسال LoRa الأساسي بواسطة LoRaWAN. الجزء الأول هو المواصفات الفعلية, الذي يحدد تنسيقات الرسائل, أوامر MAC, والتسلسل. المعايير الإقليمية, أي إعدادات محددة لورا, بالإضافة إلى بعض التعديلات أو الإضافات إلى بروتوكول LoRaWAN, متوفرة كملحق يحدد حسب المنطقة المعنية.
تتكون شبكة LoRaWAN من عدة مجموعات من المشاركين ويتم تنظيمها في طوبولوجيا نجمة تلو نجمة, كما هو مبين في الشكل 5. في المنتصف هو خادم الشبكة, وهي الإدارة من جانب الخادم لشبكة LoRaWAN وتوفر واجهة برمجة تطبيقات لتطبيقات العميل. إدارة تطبيقات LoRaWAN وإرسال وإرسال الرسائل لتلقيها. يتصل هذا الخادم بعدة بوابات عبر اتصال IP. مهمتهم الأساسية هي إعادة توجيه حزم LoRaWAN المستلمة من خادم الشبكة إلى الأجهزة الطرفية عبر LoRa والعكس صحيح. وفقا لذلك, أنها بمثابة واجهة لتغيير الوسيط المادي. قف في النهاية بخلاف الأجهزة الطرفية التي تتصل ببوابة واحدة أو أكثر لنقل بياناتها. بروتوكول LoRaWAN هو فقط بين البوابة والأجهزة الطرفية المستخدمة. لم يتم تحديد أي معيار للمسارات المتبقية وهذا التنسيق, وبالتالي, يعتمد على التطبيقات المحددة المستخدمة.
في هذا السياق, LoRaWAN يتولى بعض المهام, والتي سيتم شرحها أدناه. يتضمن ذلك فئات الاتصال المختلفة التي يمكن نقل البيانات المستخدمة بطرق مختلفة, الخياران لإضافة أجهزة إلى تطبيق LoRaWAN, التحقق من تشفير وسلامة البيانات المرسلة, وأوامر MAC المختلفة للتحكم في الاتصال. لن يتم شرح هذه الأخيرة بشكل أكبر لأنها محددة للغاية وليست ذات صلة بهذا العمل.
2.1.3 أوضاع نقل البيانات LoRaWAN
LoRaWAN يدعم ثلاثة أوضاع مختلفة لنقل البيانات. كل من هذه المودي لها حالات استخدام محددة, وكذلك مزايا وعيوب, والتي تم سردها أدناه.
فئة أ
فئة أ الوضع هو وضع إرسال LoRaWAN الأساسي الذي تستخدمه جميع الأجهزة الطرفية ويجب دعم البوابات. يسمح بالاتصال ثنائي الاتجاه بين المحطة والبوابة على أساس مبدأ ALOHA. في حالة LoRaWAN, هذا يعني أن الجهاز يمكنه إرسال البيانات في أي وقت, ولكن فقط لفترتين قصيرتين بعد إرسال حزمة بيانات يمكن أيضًا تلقي البيانات.
تتمثل ميزة هذا الوضع في أن الجهاز الطرفي فقط أثناء إرسال البيانات وبعد فترة وجيزة من تشغيل جهاز الإرسال والاستقبال LoRa لتلقي استجابة حصل على. هذا يعني أنه يمكن أن يظل معطلاً معظم الوقت, مما يوفر الطاقة. العيب, ومع ذلك, هو أن الجهاز ليس لديه أي بيانات في جميع الأوقات الأخرى التي يمكن تلقيها. بالاضافة, يمكن استلام واحد فقط لكل حزمة بيانات يتم إرسالها.
عملية من الفئة أ, وبالتالي, يكون أكثر منطقية عند إرسال رسائل الوصلة الصاعدة بشكل أساسي ونادرًا ما يتم إرسال رسائل الارتباط الهابطة. نظرًا لأن LoRaWAN يفضل أن يكون في المستشعرات والأجهزة الطرفية منخفضة الأداء المماثلة التي عادةً ما توفر فقط معلومات الحالة لتطبيق نهائي ، يتم استخدام وضع نقل البيانات المفضل.
الصف ب
الفئة- B هي امتداد لا يلزم أن تدعمه الأجهزة الطرفية. من خلال هذا الوضع ، يمكن استخدام الأجهزة الطرفية بالإضافة إلى الفئة A على فترات منتظمة. تلقي البيانات من البوابة دون الحاجة إلى إرسالها بنفسك أولاً. إلى منارة يرسل ما يسمى كل منارة 128 س, الذي يحتوي على بعض معلومات الحالة حول البوابة. يمكن للأجهزة الطرفية التي تتلقى ذلك بعد ذلك استخدام المرشد ودورية فتحة ping لحساب الأوقات التي يمكن فيها تلقي البيانات. يتيح ذلك لهم التواجد في الوقت المناسب للحظات قصيرة ، قم بتشغيل جهاز الإرسال والاستقبال LoRa لتلقي أي بيانات قد تكون موجودة. العملية مبينة أدناه.
توفر الفئة B توازنًا جيدًا بين إمكانية الوصول واستهلاك الطاقة حيث يمكن ضبط دورية فتحة ping للتحكم في عدد المرات التي يجب تلقيها فيها. وهذا يعني أنه يتم استخدام طاقة أكثر من تلك المستخدمة في عمليات الفئة أ النقية, ولكن لا تزال هناك فترات طويلة يمكن خلالها إيقاف تشغيل جهاز الإرسال والاستقبال LoRa. ميزة أخرى للفئة B هي القدرة على تخزين البيانات في ملفات 8 لتتمكن من إرسال البث المتعدد إلى عدة أجهزة في وقت واحد, طالما أن العنوان والمفاتيح هي نفسها. يمكن لمجموعات البث المتعدد, وبالتالي, سيتم إنشاء.
يعتبر استخدام الفئة-ب أمرًا منطقيًا إذا كان على الجهاز استقبال البيانات في كثير من الأحيان دون إرسال البيانات نفسها, ولكن لا يزال يتعين على الجهاز العمل بكفاءة في استخدام الطاقة. سيكون التطبيق النموذجي هو الأجهزة الطرفية العادية التي يمكن التحكم فيها دون أن تكون حرجة بالنسبة للوقت.
فئة ج
الاخير, اختياري أيضًا, وضع الإرسال هو Class-C. في هذا, محطة المفاتيح بشكل دائم عند الاستقبال لتتمكن من استقبال البيانات من البوابة في أي وقت. يبقى خيار النقل مع Class-A كما في الصورة أدناه.
ميزة Class-C هي أنه يمكن تلقي البيانات في أي وقت. ومع ذلك, ثمن هذا هو ارتفاع استهلاك الطاقة, نظرًا لأن الجهاز النهائي يجب أن يحافظ على جهاز الإرسال والاستقبال LoRa نشطًا في جميع الأوقات. يمكن هنا أيضًا الإرسال المتعدد LoRaWAN.
يجب استخدام الفئة C فقط عندما يتعين نقل كميات كبيرة من البيانات خلال فترة زمنية قصيرة أو عند حدوث عمليات نقل ذات أهمية زمنية. يجب أن تحتوي هذه الأجهزة الطرفية على مصدر طاقة دائم لأن هذا الوضع يستهلك الكثير من الطاقة لتشغيل البطارية.
