Untersuchte Themen mit LoRaWAN Übertragungsgeschwindigkeit

LoRaWAN-Übertragung

Die wichtigste Fähigkeit von IoT-Geräten ist, dass die Kommunikation. gibt es verschiedene Protokolle mit unterschiedlichen Anwendungsbereichen. während WiFi, Bluetooth, Zigbee oder andere Funkstandards werden häufig für kurze Strecken in der Wohnung verwendet, Geräte haben an anderer Stelle verwenden alternative Technologien lokalisiert werden. Eine solche Gruppe von Technologien ist LoRaWAN Übertragung. jedoch, Diese haben den Vorteil einer wesentlich größeren Reichweite und eine bessere Energieeffizienz als die meisten anderen Funkstandards auf Kosten der Bandbreite. Das untere Bild zeigt LoRaWAN zu einigen anderen drahtlosen Kommunikationsprotokollen verglichen. LoRaWAN Technologien werden meist verwendet, wenn Endgeräte an Orten installiert werden, dass nur die Arbeit mit anderen Technologien, die schwer zu erreichen, oder wenn die Energieeffizienz ist von großer Bedeutung. In diesem LoRaWAN als LPWAN Technologie.

jedoch, Bereich und die Leistungsaufnahme sind nicht die einzige wichtige Punkte in den IoT. Ein Problem, das häufig vernachlässigt wird, ist die Sicherheit von vernetzten Geräten. Zwischen 2017 und 2018 allein, die Zahl der bekannten Malware für IoT-Geräte um fast vervierfacht. Aber Malware ist nicht die einzige Bedrohung. Viele IoT-Geräte senden Daten unzureichend geschützt, wodurch Angriffe auf die Daten und damit auch auf die IoT-Infrastruktur. Spionage, Manipulation von Daten und die vollständige Übernahme von Systemen sind beispielhafte Angriffsszenarien.

Ein weiteres relevantes Thema in IoT Sicherheit Firmware-Updates; sie Herstellern ermöglichen, neue Funktionen auf Geräte zu bringen und, im Fall von Sicherheitsvorfällen, mit ihnen, ohne den Benutzer zu beheben, aktiv zu werden. Es ist äußerst wichtig, dass der Updates auch auf sichere Weise durchgeführt, so dass die Angreifer nicht in der Lage gefälschte Firmware in ein Gerät zu injizieren.

Firmware-Updates und Endgeräte kombiniert, die ein LoRaWAN Protokoll für die Datenübertragung verwenden, schafft eine völlig neue Herausforderung. Während für IP-basierte Technologien, wie B. W-LAN, gibt es bereits einige Vorschläge für spezifische Protokolle, Updates über LoRaWAN sind noch weitgehend unerforscht. Der Grund, dass die klassischen Protokolle können nicht verwendet werden kann, in den Beschränkungen des LoRaWAN Technologie gefunden werden. LoRaWAN, beispielsweise, hat eine hohe Einschränkungen in Bezug auf die Datenrate und LoRaWAN Übertragungsgeschwindigkeit und hat keine genormte Transportprotokoll, die kompensiert Verluste in der Datenübertragung könnte.

1.1 Der Smart-Mailbox

In dieser Arbeit, eine bestimmte Anwendung betrachtet und verschiedene Themen von IoT Sicherheit geprüft. Eine intelligente Mailbox wurde entwickelt,, die benachrichtigen der Benutzer über ihr Smartphone, wenn Post in dem Postfach empfangen wurde.

1.1.1 Anwendungsfall

Die Grundidee des smart Mailbox ist, um sicherzustellen, dass der Benutzer muss nicht ständig seine Mailbox öffnen, um herauszufinden, ob es eine E-Mail in es ist. Stattdessen, er sollte eine Benachrichtigung auf seinem Mobilgerät erhalten, sobald Mail ist in der Mailbox. Dies hat den Vorteil, dass die Zeit des Benutzers auf Postfächer nicht unnötig zurückzuführen ist, die weit von dem Benutzer sind oder dass nur selten Mail enthalten wird behauptet,.

Die Funktionen der Anwendung sind bewusst klein gehalten, weil der Fokus auf Sicherheit und Energieeffizienz. Zusätzlich, der Antrag wurde als eine entwickelte “Erweiterung”. Es sollte möglich sein, diese auf Seiten des Benutzers mit wenig Aufwand zu tun, alle Briefkästen installieren. Batteriebetrieb und ein kleiner Formfaktor sind somit auch die Anforderungen für das Projekt.

1.1.2 Untersuchte Themen mit LoRaWAN Übertragung

Wie bereits erwähnt, der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf IoT Sicherheit. Zusätzlich, Energieeffizienz wird als. Von diesen Prioritäten, gibt es mehrere Unterthemen, die die intelligente Mailbox untersucht werden mit dem ersten Punkt haben die sicher ist, E2E-verschlüsselte Datenübertragung LoRaWAN. Gerade bei Postfächer in den öffentlichen Bereichen, es ist wichtig, dass ein Angreifer nicht, kann nicht herausfinden, ob und wie viele E-Mails in der Mailbox. Dies verhindert, dass die leicht herausfinden kann, wenn ein Einbruch in sich lohnen würde. Der Schutz ist auch gegen Manipulation wichtig, den Benutzer den Empfang von falschen Informationen über den Zustand der Mailbox zu verhindern. Zusätzlich, es ist die Aushandlung von kryptographischen Schlüsseln, inwieweit untersucht für diese Aufgaben ist eine sichere Art und Weise, ohne den Hersteller aus dem Gerät oder von Dritten herausfinden kann, werden.

Der nächste Hauptpunkt der Untersuchung ist das sichere Firmware-Updates über LoRaWAN. Jetzt gibt es keinen offiziellen Standard die Übertragung der Firmware in Bezug auf. Updates via LoRaWAN. Insofern, es ist eine der Hauptaufgaben dieser Arbeit
In dem Entwurf und Test. Schlussendlich, die intelligente Mailbox sollte in der Lage sein Intervention durchzuführen Firmware-Updates über LoRaWAN ohne Benutzer. Diese Updates müssen auch kryptographisch gesichert werden Manipulation zu verhindern. Schließlich, wird untersucht, wie E-Mails in einem Postfach-Gerät ausgelöst wird, die erkannt werden können,. Verschiedene Technologien wurden untersucht und ein geeignetes wurde identifiziert.

2.1 LoRaWAN

LoRaWAN ist eine LoRaWAN Lösung für IoT-Anwendungen mit einer geringen Menge an Daten energieeffizient und kann drahtlos über große Entfernungen übertragen werden. Es besteht aus einerseits von Lora Radio, ein Protokoll für die physikalische Datenübertragung LoRaWAN und auf der anderen Seite von selbst LoRaWAN, ein MAC-Protokoll, das auf LoRa aufbaut und stellt ein standardisiertes Verfahren für die Übertragung von Daten über LoRa basierte. LoRaWAN, als einer der wichtigsten Punkte in dieser Arbeit, wurde für die Kommunikation mit den Endgeräten verwendet, einschließlich der Smart-Mailbox.

2.1.1 Was ist LoRa

LoRa ist ein Frequenzmodulationsverfahren durch Semtech drahtlose Kommunikation zwischen zwei Kommunikationspartnern entwickelt erlaubt. Es ist, deshalb, ein physisches Protokoll (Einbrecher Schicht 1), das dauert nur über die Modulation des physikalischen Datenübertragungs. LoRa verwendet frequenzmodulierten Chirps zu kodieren Symbole. Die Chirp-Modulation verwendet „Chirps“ zur Übertragung verwendeten Symbole. Die Frequenz wird über die Bandbreite über einen definierten Zeitraum kontinuierlich geändert. Die Symbole übertragen sind etwa der Beginn des Chirp definiert.

Die primären Vorteile, die diese Modulation bietet im Vergleich zu FSK oder PSK sind die langreichweitige und die Robustheit gegenüber Rauschen. Beide sind aus dem Spreizfaktor und Bandbreite verwendet. Der Spreizfaktor bestimmt, wie lange ein einzelner Chirp dauert, dh wie weit es verbreitet“. Ein höherer Faktor bedeutet breitere Symbole, das sorgt für längere LoRaWAN Sendebereiche, aber auch langsamere Datenübertragung. In LoRa Spreizfaktoren von 7 zu 12 ist definiert, was bedeutet LoRaWAN Übertragungsgeschwindigkeit von höchstens 37.5 kbit / s auf ein Minimum von 300 bisschen / s erreicht werden kann. Die Bandbreite wird festgelegt auf 125 kHz, 250 kHz oder 500 kHz und beeinflusst auch den Bereich und die Geschwindigkeit des Signals. Die konkrete Auswahl dieser Parameter wird durch LoRaWAN bestimmt.

Die Frequenzen, die LoRa Anwendungen hängen von der Region. In Europa, du kannst 868 MHz oder 433 MHz gesendet werden. Es ist wichtig zu erwähnen, dass diese Frequenzen lizenzfreien Spektren, so gibt es keine Lizenzgebühr, um sie zu nutzen. Um dies zu kompensieren, gelten zeitliche, senden Einschränkungen, dass alle Geräte einhalten müssen. Diese sind zwischen 0.1% und 10%, abhängig von der verwendeten Frequenz.

2.1.2 Was ist LoRaWAN

LoRaWAN ist ein MAC-Protokoll (Einbrecher Schicht 2), die basiert auf LoRa (sondern auch mit FSK kann verwendet werden,), und auch einige Elemente eines Netzwerkprotokoll (Einbrecher Schicht 3) enthält. Es definiert ein Nachrichtenformat, sowie MAC die Übertragung von Steuerbefehlen. Die Parameter für die zugrundeliegende LoRa Übertragung werden auch durch LoRaWAN bestimmt. Der erste Teil ist die eigentliche Spezifikation, der definiert, die Nachrichtenformate, die MAC Befehle, und die Sequenz. Die regionalen Parameter, welche spezifischen Einstellungen für LoRa, sowie einige Anpassungen oder Ergänzungen der bereitgestellten LoRaWAN Protokoll, erhältlich ist, als eine Erweiterung von der jeweiligen Region definieren, je.

Ein LoRaWAN Netzwerk besteht aus mehreren Gruppen von Teilnehmern und wird in einer Stern-by-Stern-Topologie organisiert, wie in Abbildung 5. In der Mitte ist der Netzwerk-Server, Welches ist die serverseitige Verwaltung des LoRaWAN Netzwerk und bietet eine API für Client-Anwendungen. Verwalten LoRaWAN Anwendungen und Senden und Nachrichten senden empfangen. Dieser Server kommuniziert mit mehreren Gateways über eine IP-Verbindung. Ihre primäre Aufgabe ist es, die LoRaWAN Pakete von dem Netzwerkserver zu den Endgeräten über LoRa und umgekehrt empfangen weiterleiten. Entsprechend, sie dienen als Schnittstelle für die physikalische Medium wechselnden. Stehen am Ende als die Endgeräte, die mit einem oder mehreren Gateways kommunizieren, um ihre Daten zu übertragen. Das LoRaWAN Protokoll wird nur zwischen dem Gateway und den Endgeräten verwendet. Kein Standard wird für die verbleibenden Wege und dieses Format definiert, deshalb, hängt von den spezifischen Anwendungen.

In diesem Kontext, LoRaWAN nimmt einige Aufgaben, die weiter unten erläutert werden. Dazu gehören die verschiedenen Kommunikationsklassen, die Daten verwendet werden, können auf verschiedene Weise übertragen werden, die beiden Optionen für die Geräte an eine LoRaWAN Anwendung hinzufügen, die Verschlüsselung und Integritätsprüfung der übertragenen Daten, und die verschiedenen MAC Befehle zur Steuerung der Verbindung. Letztere wird nicht weiter erläutert werden, da sie sehr spezifisch ist und ist nicht relevant für diese Arbeit.

2.1.3 LoRaWAN Datenübertragungsarten

LoRaWAN unterstützt drei verschiedene Betriebsarten für die Datenübertragung. Jeder dieser Modi hat spezifische Anwendungsfälle, sowie Vor- und Nachteile, die sind unten aufgeführt.

Klasse a

Klasse a Modus wird der Primär durch alle Endgeräte und Gateways verwendet LoRaWAN Übertragungsmodus unterstützt werden muss. Es ermöglicht eine bidirektionale Kommunikation zwischen Endgerät und Gateway basiert auf dem ALOHA-Prinzip. Im Fall von LoRaWAN, Dies bedeutet eine Endgerät kann Daten jederzeit senden, aber nur für zwei Intervalle Kurz einer nach dem Senden eines Datenpakets können auch Daten empfangen.

Der Vorteil dieses Modus ist, dass ein Endgerät nur während Daten und kurz nach dieser Runde auf dem LoRa Transceiver sendet eine Antwort zu erhalten hätte zu. Dies bedeutet, dass sie die meiste Zeit ausgeschaltet bleiben kann, Das spart Energie. Der Nachteil, jedoch, ist, dass das Terminal zu allen anderen Zeiten können keine Daten haben erhalten. Zusätzlich, nur einer kann empfangen werden, für jedes Datenpaket gesendet werden,.

Klasse-A-Betrieb, deshalb, ist am sinnvollsten, wenn Uplink-Nachrichten und selten Downlink-Nachrichten in erster Linie das Senden. Da LoRaWAN vorzugsweise in Sensoren und ähnlichen niederperformante Endgeräte, die normalerweise nur Statusinformationen für eine Endanwendung bereitzustellen, wird für die meisten Endgeräte des bevorzugten Datenübertragungsmodus verwendet,.

LoRaWAN Übertragungsklasse ein

Klasse b

Class-B ist eine Erweiterung, die nicht von Endgeräten unterstützt werden muss,. Durch diesen Modus kann durch Endgeräte zusätzlich zu Class-A in regelmäßigen Abständen verwendet werden. Empfangen von Daten von dem Gateway, ohne vorher um sie zu senden, sie. Um die Bake sendet ein Leuchtfeuer jedes sogenannte 128 s, welche enthält einige Statusinformationen über das Gateway. Endgeräte, die diese empfangen können dann die Bake verwenden und die Periodizität ping Schlitz die Zeiten zu berechnen, mit den Daten empfangen werden können,. Dies ermöglicht ihnen, zur richtigen Zeit zu sein, für kurze Momente auf dem LoRa Transceiver wechseln alle Daten zu empfangen, die vorhanden sein können,. Das Verfahren wird nachstehend gezeigt.

LoRaWAN Übertragungs Klasse B

Class-B bietet eine gute Balance zwischen Zugänglichkeit und Energieverbrauch, da die Periodizität Ping-Slot kann auf die Steuerung eingestellt werden, wie oft sie empfangen werden. Dies bedeutet, dass mehr Energie als für die reinen Class-A-Betrieb verwendet wird,, aber es gibt noch lange Perioden, in denen die LoRa Transceiver gedreht werden kann aus. Ein weiterer Vorteil des Klasse-B ist die Fähigkeit, Daten zu speichern, in 8 der Lage sein, Multicast an mehrere Geräte zu übertragen, gleichzeitig, solange die Adresse und die Tasten sind die gleichen. Multicast-Gruppen, deshalb, erstellt werden.

Die Verwendung von Klasse-B macht Sinn, wenn ein Gerät zum Empfang von Daten öfter hat, ohne die Daten selbst senden, aber das Gerät hat noch Arbeit energieeffizient. Eine typische Anwendung Endgeräte sein, die regelmäßig sind, können, ohne zeitkritische gesteuert werden.

Klasse C

Das Letzte, auch optional, der Übertragungsmodus ist die Klasse-C. In diesem, Die Schalter-Terminal permanent auf Empfang der Lage sein, Daten jederzeit von dem Gateway zu empfangen,. Die Möglichkeit der Übertragung mit Class-A bleibt, wie im Bild unten.

LoRaWAN Übertragungs Klasse C

Der Vorteil der Klasse C ist, dass Daten jederzeit empfangen werden können,. jedoch, Der Preis dafür ist hohe Energieverbrauch, da das Endgerät muss die LoRa halten Transceiver jederzeit aktiv. Multicast LoRaWAN Übertragung ist auch möglich, hier.

Klasse-C sollte nur verwendet werden, wenn große Datenmengen über einen kurzen Zeitraum übertragen werden oder wenn zeitkritische Übertragungen auftreten. Solche Endgeräte sollten eine permanente Stromversorgung haben, da dieser Modus für den Batteriebetrieb zu viel Energie verbraucht.