Η πιο σημαντική ικανότητα των συσκευών IoT είναι αυτή της επικοινωνίας. υπάρχουν διαφορετικά πρωτόκολλα με διαφορετικούς τομείς εφαρμογής. Ενώ WiFi, Bluetooth, Τα Zigbee ή άλλα πρότυπα ραδιοφώνου χρησιμοποιούνται συχνά για μικρές αποστάσεις στο σπίτι, οι συσκευές πρέπει να βρίσκονται αλλού χρησιμοποιώντας εναλλακτικές τεχνολογίες. Μια τέτοια ομάδα τεχνολογιών είναι η μετάδοση LoRaWAN. Ωστόσο, αυτά έχουν το πλεονέκτημα μιας πολύ μεγαλύτερης εμβέλειας και καλύτερης ενεργειακής απόδοσης από τα περισσότερα άλλα πρότυπα ραδιοφώνου σε βάρος του εύρους ζώνης. Η παρακάτω εικόνα δείχνει το LoRaWAN σε σύγκριση με άλλα πρωτόκολλα ασύρματης επικοινωνίας. Οι τεχνολογίες LoRaWAN χρησιμοποιούνται κυρίως όταν εγκαθίστανται τελικές συσκευές σε τοποθεσίες που λειτουργούν μόνο με άλλες τεχνολογίες που είναι δύσκολο να επιτευχθούν, ή όταν η ενεργειακή απόδοση είναι μεγάλης σημασίας. Σε αυτό το LoRaWAN χρησιμοποιείται ως τεχνολογία LPWAN.
Ωστόσο, το εύρος και η κατανάλωση ενέργειας δεν είναι τα μόνα σημαντικά σημεία στο IoT. Ένα ζήτημα που συχνά παραμελείται είναι η ασφάλεια των δικτυωμένων συσκευών. Μεταξύ 2017 και 2018 μόνος, ο αριθμός των γνωστών κακόβουλων προγραμμάτων για συσκευές IoT αυξήθηκε σχεδόν τετραπλασιάστηκε. Αλλά το κακόβουλο λογισμικό δεν είναι η μόνη απειλή. Πολλές συσκευές IoT στέλνουν δεδομένα ανεπαρκώς προστατευμένα, προκαλώντας επιθέσεις σε αυτά τα δεδομένα και συνεπώς και στην υποδομή IoT. Κατασκοπεία, η χειραγώγηση των δεδομένων και η πλήρης κατάληψη των συστημάτων είναι υποδειγματικά σενάρια επίθεσης.
Ένα άλλο σχετικό θέμα στην ασφάλεια του IoT είναι οι ενημερώσεις υλικολογισμικού; επιτρέπουν στους κατασκευαστές να φέρουν νέες λειτουργίες στις συσκευές και, σε περίπτωση συμβάντων ασφαλείας, να τα διορθώσει χωρίς να χρειαστεί να ενεργοποιηθεί ο χρήστης. Είναι εξαιρετικά σημαντικό οι ενημερώσεις να πραγματοποιούνται επίσης με ασφαλή τρόπο, έτσι ώστε οι επιτιθέμενοι να μην μπορούν να εγχύσουν ψεύτικο υλικολογισμικό σε μια συσκευή.
Ο συνδυασμός ενημερώσεων υλικολογισμικού και τελικών συσκευών που χρησιμοποιούν πρωτόκολλο LoRaWAN για τη μετάδοση δεδομένων δημιουργεί μια εντελώς νέα πρόκληση. Ενώ για τεχνολογίες που βασίζονται σε IP, όπως ο Β. W-LAN, υπάρχουν ήδη κάποιες προτάσεις για συγκεκριμένα πρωτόκολλα, οι ενημερώσεις μέσω του LoRaWAN είναι ακόμα σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητες. Ο λόγος που τα κλασικά πρωτόκολλα δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν μπορεί να βρεθεί στους περιορισμούς των τεχνολογιών LoRaWAN. LoRaWAN, για παράδειγμα, έχει υψηλούς περιορισμούς όσον αφορά τον ρυθμό δεδομένων και την ταχύτητα μετάδοσης LoRaWAN και δεν έχει τυποποιημένο πρωτόκολλο μεταφοράς, που αντισταθμίζει τις απώλειες στη μετάδοση δεδομένων θα μπορούσε.
1.1 Το έξυπνο γραμματοκιβώτιο
Σε αυτή τη δουλειά, εξετάζεται μια συγκεκριμένη εφαρμογή και εξετάζονται διάφορα θέματα ασφάλειας IoT. Αναπτύχθηκε ένα έξυπνο γραμματοκιβώτιο, που ειδοποιεί τον χρήστη μέσω του smartphone του όταν έχει αποσταλεί αλληλογραφία στο γραμματοκιβώτιο.
1.1.1 Θήκη χρήσης
Η βασική ιδέα του έξυπνου γραμματοκιβωτίου είναι να βεβαιωθείτε ότι ο χρήστης δεν χρειάζεται να ανοίγει συνεχώς το γραμματοκιβώτιό του για να μάθει αν υπάρχει κάποιο μήνυμα σε αυτό. αντι αυτου, θα πρέπει να λάβει μια ειδοποίηση στην κινητή συσκευή του μόλις υπάρχει αλληλογραφία στο γραμματοκιβώτιο. Αυτό έχει το πλεονέκτημα ότι ο χρόνος του χρήστη δεν είναι περιττός λόγω γραμματοκιβωτίων που βρίσκονται μακριά από τον χρήστη ή που σπάνια περιέχουν αλληλογραφία.
Οι λειτουργίες της εφαρμογής διατηρούνται σκόπιμα μικρές λόγω της εστίασης στην ασφάλεια και την ενεργειακή απόδοση. Επιπλέον, η εφαρμογή αναπτύχθηκε ως “επέκταση”. Θα πρέπει να είναι δυνατό να το κάνετε αυτό με λίγη προσπάθεια από την πλευρά του χρήστη για την εγκατάσταση τυχόν γραμματοκιβωτίων. Η λειτουργία της μπαταρίας και ένας μικρός συντελεστής μορφής αποτελούν επίσης απαιτήσεις για το έργο.
1.1.2 Εξετάστηκαν θέματα με μετάδοση LoRaWAN
Οπως αναφέρθηκε νωρίτερα, το επίκεντρο της εργασίας είναι η ασφάλεια του IoT. Επιπλέον, λαμβάνεται υπόψη η ενεργειακή απόδοση. Από αυτές τις προτεραιότητες, Υπάρχουν πολλά υποκείμενα που εξετάζονται χρησιμοποιώντας το έξυπνο γραμματοκιβώτιο και το πρώτο σημείο είναι το ασφαλές, E2E κρυπτογραφημένη μετάδοση δεδομένων LoRaWAN. Ειδικά με γραμματοκιβώτια σε κοινόχρηστους χώρους, είναι σημαντικό ένας εισβολέας να μην ανακαλύψει αν μπορεί να καθορίσει αν και πόση αλληλογραφία υπάρχει στο γραμματοκιβώτιο. Αυτό εμποδίζει ποιος μπορεί εύκολα να μάθει εάν μια διάρρηξη θα άξιζε τον κόπο. Η προστασία είναι επίσης σημαντική έναντι χειραγώγησης για να αποτρέψει τον χρήστη από τη λήψη ψευδών πληροφοριών σχετικά με την κατάσταση του γραμματοκιβωτίου. Επιπλέον, εξετάζεται κατά πόσον η διαπραγμάτευση κρυπτογραφικών κλειδιών για αυτές τις εργασίες είναι ασφαλής τρόπος μπορεί να πραγματοποιηθεί χωρίς ο κατασκευαστής της συσκευής ή τρίτα μέρη να το μάθουν.
Το επόμενο κύριο σημείο έρευνας είναι οι ασφαλείς ενημερώσεις υλικολογισμικού μέσω του LoRaWAN. Επί του παρόντος δεν υπάρχει επίσημο πρότυπο σχετικά με τη μεταφορά υλικολογισμικού. Ενημερώσεις μέσω LoRaWAN. Από αυτή την άποψη, είναι ένα από τα κύρια καθήκοντα αυτής της εργασίας
να σχεδιάσει και να δοκιμάσει. Στο τέλος, το έξυπνο γραμματοκιβώτιο θα πρέπει να μπορεί να πραγματοποιεί ενημερώσεις υλικολογισμικού μέσω LoRaWAN χωρίς παρέμβαση του χρήστη. Αυτές οι ενημερώσεις πρέπει επίσης να είναι κρυπτογραφικά ασφαλισμένες για να αποφευχθεί η χειραγώγηση. Τελικά, εξετάζεται πώς η αλληλογραφία ρίχνεται σε μια συσκευή γραμματοκιβωτίου που μπορεί να αναγνωριστεί. Διάφορες τεχνολογίες εξετάστηκαν και εντοπίστηκε μια κατάλληλη.
2.1 LoRaWAN
Το LoRaWAN είναι μια λύση LoRaWAN για εφαρμογές IoT με μικρή ποσότητα ενεργειακά αποδοτικών δεδομένων και μπορεί να μεταδοθεί ασύρματα σε μεγάλες αποστάσεις. Αποτελείται από το ένα χέρι του ραδιοφώνου LoRa, ένα πρωτόκολλο για τη φυσική μετάδοση LoRaWAN δεδομένων και από την άλλη πλευρά του ίδιου του LoRaWAN, δημιουργείται ένα πρωτόκολλο MAC που βασίζεται σε LoRa και παρέχει μια τυποποιημένη διαδικασία για τη μεταφορά δεδομένων μέσω LoRa. LoRaWAN, ως ένα από τα βασικά σημεία αυτής της εργασίας, χρησιμοποιήθηκε για επικοινωνία με τις τελικές συσκευές, συμπεριλαμβανομένου του έξυπνου γραμματοκιβωτίου.
2.1.1 Τι είναι το LoRa
Το LoRa είναι μια διαδικασία διαμόρφωσης συχνότητας που αναπτύχθηκε από την ασύρματη επικοινωνία Semtech μεταξύ δύο συνεργατών επικοινωνίας. είναι, ως εκ τούτου, ένα φυσικό πρωτόκολλο (Επίπεδο OSI 1), που αναλαμβάνει μόνο τη διαμόρφωση της φυσικής μετάδοσης δεδομένων. Το LoRa χρησιμοποιεί κελαηδίες με διαμόρφωση συχνότητας για την κωδικοποίηση συμβόλων. Η διαμόρφωση κελαηδίσματος που χρησιμοποιείται χρησιμοποιεί "κελαηδίες" για τη μετάδοση συμβόλων. Η συχνότητα αλλάζει συνεχώς σε όλο το εύρος ζώνης για μια καθορισμένη χρονική περίοδο. Ορίζονται τα σύμβολα που μεταφέρονται περίπου στην αρχή του κελαηδίσματος.
Τα κύρια πλεονεκτήματα που προσφέρει αυτή η διαμόρφωση σε σύγκριση με το FSK ή το PSK είναι η μεγάλη εμβέλεια και η αντοχή στο θόρυβο. Και οι δύο προέρχονται από τον παράγοντα διασποράς και το εύρος ζώνης που χρησιμοποιούνται. Ο συντελεστής εξάπλωσης καθορίζει πόσο καιρό διαρκεί ένα μόνο κελάηδημα, δηλαδή πόσο ευρέως εξαπλώνεται ». Ένας υψηλότερος συντελεστής σημαίνει ευρύτερα σύμβολα, που εξασφαλίζει μεγαλύτερα εύρη μετάδοσης LoRaWAN, αλλά και πιο αργή μετάδοση δεδομένων. Στο LoRa παράγοντες διασποράς από 7 προς την 12 ορίζεται, που σημαίνει ταχύτητα μετάδοσης LoRaWAN από το πολύ 37.5 kbit / s στο ελάχιστο 300 κομμάτι / s μπορεί να επιτευχθεί. Το εύρος ζώνης είναι σταθερό σε 125 kHz, 250 kHz ή 500 kHz και επηρεάζει επίσης το εύρος και την ταχύτητα του σήματος. Η συγκεκριμένη επιλογή αυτών των παραμέτρων καθορίζεται από το LoRaWAN.
Οι συχνότητες που χρησιμοποιεί η LoRa εξαρτώνται από την περιοχή. Στην Ευρώπη, μπορείς 868 MHz ή στο 433 Μπορεί να σταλεί MHz. Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι αυτές οι συχνότητες είναι φάσματα χωρίς άδεια, έτσι δεν υπάρχει τέλος αδειοδότησης για τη χρήση τους. Για να αντισταθμιστεί αυτό, εφαρμόστε χρονικά, αποστολή περιορισμών στους οποίους πρέπει να τηρούν όλες οι συσκευές. Αυτά είναι μεταξύ 0.1% και 10%, ανάλογα με τη συχνότητα που χρησιμοποιείται.
2.1.2 Τι είναι LoRaWAN
Το LoRaWAN είναι ένα πρωτόκολλο MAC (Επίπεδο OSI 2), που βασίζεται στο LoRa (αλλά και με FSK μπορεί να χρησιμοποιηθεί), καθώς και ορισμένα στοιχεία ενός πρωτοκόλλου δικτύου (Επίπεδο OSI 3) περιέχει. Ορίζει τη μορφή μηνύματος, καθώς και εντολές MAC για τον έλεγχο της μεταφοράς. Οι παράμετροι για την υποκείμενη μετάδοση LoRa καθορίζονται επίσης από το LoRaWAN. Το πρώτο μέρος είναι η πραγματική προδιαγραφή, που καθορίζει τις μορφές μηνυμάτων, τις εντολές MAC, και η ακολουθία. Οι περιφερειακές παράμετροι, ποιες συγκεκριμένες ρυθμίσεις για το LoRa, καθώς και ορισμένες προσαρμογές ή προσθήκες στο πρωτόκολλο LoRaWAN, διατίθενται ως επέκταση που καθορίζεται ανάλογα με την αντίστοιχη περιοχή.
Ένα δίκτυο LoRaWAN αποτελείται από πολλές ομάδες συμμετεχόντων και είναι οργανωμένο σε τοπολογία αστέρι-αστέρι, όπως φαίνεται στο σχήμα 5. Στη μέση είναι ο διακομιστής δικτύου, που είναι η διαχείριση από το διακομιστή του δικτύου LoRaWAN και προσφέρει API για εφαρμογές πελάτη. Διαχειριστείτε εφαρμογές LoRaWAN και στείλτε και στείλτε μηνύματα για λήψη. Αυτός ο διακομιστής επικοινωνεί με πολλές πύλες μέσω σύνδεσης IP. Το κύριο καθήκον τους είναι να προωθήσουν τα πακέτα LoRaWAN που λαμβάνονται από τον διακομιστή δικτύου στις τελικές συσκευές μέσω LoRa και αντίστροφα. Αναλόγως, χρησιμεύουν ως διεπαφή για την αλλαγή του φυσικού μέσου. Σταθείτε στο τέλος από τις τελικές συσκευές που επικοινωνούν με μία ή περισσότερες πύλες για τη μετάδοση των δεδομένων τους. Το πρωτόκολλο LoRaWAN βρίσκεται μόνο μεταξύ της πύλης και των τελικών συσκευών που χρησιμοποιούνται. Δεν έχει καθοριστεί πρότυπο για τις υπόλοιπες διαδρομές και τη συγκεκριμένη μορφή, ως εκ τούτου, εξαρτάται από τις συγκεκριμένες εφαρμογές που χρησιμοποιούνται.
Στο πλαίσιο αυτό, Το LoRaWAN αναλαμβάνει ορισμένες εργασίες, τα οποία εξηγούνται περαιτέρω παρακάτω. Αυτό περιλαμβάνει τις διαφορετικές κατηγορίες επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται, τα δεδομένα μπορούν να μεταδοθούν με διαφορετικούς τρόπους, τις δύο επιλογές για προσθήκη συσκευών σε εφαρμογή LoRaWAN, τον έλεγχο κρυπτογράφησης και ακεραιότητας των μεταδιδόμενων δεδομένων, και τις διάφορες εντολές MAC για τον έλεγχο της σύνδεσης. Τα τελευταία δεν θα εξηγηθούν περαιτέρω επειδή είναι πολύ συγκεκριμένα και δεν σχετίζονται με αυτήν την εργασία.
2.1.3 Λειτουργίες μετάδοσης δεδομένων LoRaWAN
Το LoRaWAN υποστηρίζει τρεις διαφορετικούς τρόπους μετάδοσης δεδομένων. Κάθε ένα από αυτά τα Modi έχει συγκεκριμένες περιπτώσεις χρήσης, καθώς και πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, τα οποία παρατίθενται παρακάτω.
Κατηγορία-Α
Κατηγορία-Α τρόπος είναι ο κύριος τρόπος μετάδοσης LoRaWAN που χρησιμοποιείται από όλες τις τελικές συσκευές και οι πύλες πρέπει να υποστηρίζονται. Επιτρέπει αμφίδρομη επικοινωνία μεταξύ τερματικού και πύλης βάσει της αρχής ALOHA. Στην περίπτωση του LoRaWAN, αυτό σημαίνει ότι ένα τερματικό μπορεί να στείλει δεδομένα ανά πάσα στιγμή, αλλά μόνο για δύο σύντομα διαστήματα μετά την αποστολή ενός πακέτου δεδομένων μπορεί επίσης να λάβει δεδομένα.
Το πλεονέκτημα αυτής της λειτουργίας είναι ότι μια τερματική συσκευή μόνο κατά την αποστολή δεδομένων και λίγο μετά από αυτό ενεργοποιήστε τον πομποδέκτη LoRa για να λάβετε μια απάντηση. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να παραμένει απενεργοποιημένο τις περισσότερες φορές, που εξοικονομεί ενέργεια. Το μειονέκτημα, ωστόσο, είναι ότι το τερματικό δεν έχει δεδομένα οποιαδήποτε άλλη στιγμή μπορεί να λάβει. Επιπλέον, μόνο ένα μπορεί να ληφθεί για κάθε πακέτο δεδομένων που αποστέλλεται γίνει.
Λειτουργία κατηγορίας Α, ως εκ τούτου, είναι πιο λογικό όταν στέλνετε κυρίως μηνύματα ανερχόμενης ζεύξης και σπάνια μηνύματα προς τα κάτω. Δεδομένου ότι το LoRaWAN κατά προτίμηση σε αισθητήρες και παρόμοιες τελικές συσκευές χαμηλής απόδοσης που κανονικά παρέχουν μόνο πληροφορίες κατάστασης για μια τελική εφαρμογή, χρησιμοποιείται για τις περισσότερες τελικές συσκευές, η προτιμώμενη λειτουργία μεταφοράς δεδομένων.
Κατηγορία-Β
Η κατηγορία Β είναι μια επέκταση που δεν χρειάζεται να υποστηρίζεται από τελικές συσκευές. Με αυτήν τη λειτουργία μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τελικές συσκευές εκτός από την Κλάση-Α σε τακτά χρονικά διαστήματα. Λάβετε δεδομένα από την πύλη χωρίς πρώτα να χρειαστεί να τα στείλετε μόνοι σας. Στον φάρο στέλνει ένα λεγόμενο φάρο κάθε 128 μικρό, που περιέχει ορισμένες πληροφορίες κατάστασης σχετικά με την πύλη. Οι τελικές συσκευές που λαμβάνουν αυτό μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιούν τον περιοδικό φάρο και την περιοδικότητα της υποδοχής ping για τον υπολογισμό των χρόνων κατά τους οποίους μπορούν να ληφθούν δεδομένα. Αυτό τους επιτρέπει να βρίσκονται την κατάλληλη στιγμή για σύντομες στιγμές ενεργοποιήστε τον πομποδέκτη LoRa για να λάβετε τυχόν δεδομένα που μπορεί να υπάρχουν. Η διαδικασία φαίνεται παρακάτω.
Η κατηγορία Β προσφέρει μια καλή ισορροπία μεταξύ προσβασιμότητας και κατανάλωσης ενέργειας, καθώς η περιοδικότητα της υποδοχής ping μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να ελέγχει πόσο συχνά πρέπει να λαμβάνεται. Αυτό σημαίνει ότι καταναλώνεται περισσότερη ενέργεια από ό, τι για καθαρή λειτουργία κατηγορίας Α, αλλά υπάρχουν ακόμα μεγάλες περίοδοι κατά τις οποίες ο πομποδέκτης LoRa μπορεί να απενεργοποιηθεί. Ένα άλλο πλεονέκτημα του Class-B είναι η δυνατότητα αποθήκευσης δεδομένων 8 να είναι σε θέση να μεταδώσει ταυτόχρονα πολλαπλή εκπομπή σε πολλές συσκευές, αρκεί η διεύθυνση και τα κλειδιά να είναι ίδια. Οι ομάδες πολλαπλής εκπομπής μπορούν, ως εκ τούτου, να δημιουργηθεί.
Η χρήση της κατηγορίας Β έχει νόημα εάν μια συσκευή πρέπει να λαμβάνει δεδομένα πιο συχνά χωρίς να στέλνει δεδομένα η ίδια, αλλά η συσκευή πρέπει ακόμα να λειτουργεί ενεργειακά αποδοτικά. Μια τυπική εφαρμογή θα ήταν οι τελικές συσκευές που είναι τακτικές μπορούν να ελεγχθούν χωρίς να είναι κρίσιμες για το χρόνο.
Κατηγορία-Γ
Το τελευταίο, επίσης προαιρετικό, ο τρόπος μετάδοσης είναι Class-C. Σε αυτό, ο τερματικός διακόπτης μόνιμα στη λήψη για να μπορεί να λαμβάνει δεδομένα από την πύλη ανά πάσα στιγμή. Η επιλογή μετάδοσης με την Κλάση-Α παραμένει όπως στην παρακάτω εικόνα.
Το πλεονέκτημα της κλάσης C είναι ότι τα δεδομένα μπορούν να ληφθούν ανά πάσα στιγμή. Ωστόσο, η τιμή για αυτό είναι η υψηλή κατανάλωση ενέργειας, αφού η τελική συσκευή πρέπει να διατηρεί τον πομποδέκτη LoRa ενεργό ανά πάσα στιγμή. Η μετάδοση LoRaWAN Multicast είναι επίσης δυνατή εδώ.
Η κλάση C πρέπει να χρησιμοποιείται μόνο όταν πρέπει να μεταφερθούν μεγάλες ποσότητες δεδομένων σε σύντομο χρονικό διάστημα ή όταν πραγματοποιηθούν κρίσιμες χρονικές μεταφορές. Τέτοιες τελικές συσκευές θα πρέπει να έχουν μόνιμο τροφοδοτικό αφού αυτή η λειτουργία καταναλώνει πάρα πολύ ενέργεια για τη λειτουργία της μπαταρίας.
