La capacidad más importante de los dispositivos IoT es la comunicación. Existen diferentes protocolos con distintas áreas de aplicación. Si bien WiFi, Bluetooth, Zigbee y otros estándares de radio se utilizan a menudo para distancias cortas en el hogar, los dispositivos que deben ubicarse en otros lugares utilizan tecnologías alternativas. Un grupo de estas tecnologías es la transmisión LoRaWAN. Sin embargo, estas ofrecen la ventaja de un alcance significativamente mayor y una mayor eficiencia energética que la mayoría de los demás estándares de radio, a costa del ancho de banda. La imagen a continuación muestra LoRaWAN en comparación con otros protocolos de comunicación inalámbrica. Las tecnologías LoRaWAN se utilizan principalmente cuando los dispositivos finales se instalan en ubicaciones que solo funcionan con otras tecnologías difíciles de lograr, o cuando la eficiencia energética es fundamental. En este caso, LoRaWAN se utiliza como tecnología LPWAN.
Sin embargo, el alcance y el consumo de energía no son los únicos puntos importantes en el IoT. Un aspecto que a menudo se descuida es la seguridad de los dispositivos en red. Solo entre 2017 y 2018, la cantidad de malware conocido para dispositivos IoT casi se cuadruplicó. Pero el malware no es la única amenaza. Muchos dispositivos IoT envían datos sin la protección adecuada, lo que provoca ataques a dichos datos y, por lo tanto, a la infraestructura del IoT. El espionaje, la manipulación de datos y la toma total del control de los sistemas son ejemplos de escenarios de ataque.
Otro tema relevante en la seguridad del IoT son las actualizaciones de firmware. Estas permiten a los fabricantes incorporar nuevas funciones a los dispositivos y, en caso de incidentes de seguridad, solucionarlos sin necesidad de intervención del usuario. Es fundamental que las actualizaciones se realicen de forma segura para que los atacantes no puedan inyectar firmware falso en un dispositivo.
La combinación de actualizaciones de firmware y dispositivos finales que utilizan el protocolo LoRaWAN para la transmisión de datos plantea un reto completamente nuevo. Si bien ya existen algunas sugerencias de protocolos específicos para tecnologías basadas en IP, como WLAN, las actualizaciones mediante LoRaWAN aún están en gran parte inexploradas. La razón por la que no se pueden utilizar los protocolos clásicos radica en las limitaciones de las tecnologías LoRaWAN. LoRaWAN, por ejemplo, presenta importantes limitaciones en cuanto a velocidad de datos y de transmisión, y carece de un protocolo de transporte estandarizado que compense las pérdidas en la transmisión de datos.
En este trabajo, se considera una aplicación específica y se examinan diversos aspectos de la seguridad del IoT. Se desarrolló un buzón inteligente que notifica al usuario a través de su teléfono inteligente cuando recibe correo en su buzón.
La idea básica del buzón inteligente es evitar que el usuario tenga que abrirlo constantemente para ver si hay correo. En su lugar, debería recibir una notificación en su dispositivo móvil en cuanto haya correo. Esto tiene la ventaja de que no se pierde tiempo por culpa de buzones que están lejos o que rara vez reciben correo.
Las funciones de la aplicación se redujeron deliberadamente debido a la prioridad en la seguridad y la eficiencia energética. Además, se desarrolló como una "extensión". Esto debería ser posible con poco esfuerzo por parte del usuario, ya que requiere instalar buzones. Por lo tanto, el funcionamiento con batería y un formato compacto también son requisitos del proyecto.
Como se mencionó anteriormente, el trabajo se centra en la seguridad del IoT. Además, se considera la eficiencia energética. A partir de estas prioridades, se examinan varios subtemas utilizando el buzón inteligente. El primer punto es la transmisión segura de datos con cifrado de extremo a extremo mediante LoRaWAN. Especialmente en buzones en áreas públicas, es importante que un atacante no pueda determinar si hay correo en el buzón y cuánto. Esto impide que alguien pueda averiguar fácilmente si un robo sería rentable. La protección contra la manipulación también es importante para evitar que el usuario reciba información falsa sobre el estado del buzón. Además, se examina hasta qué punto la negociación de claves criptográficas para estas tareas es un método seguro que puede llevarse a cabo sin que el fabricante del dispositivo o terceros lo descubran.
El siguiente punto principal de investigación son las actualizaciones seguras de firmware mediante LoRaWAN. Actualmente no existe un estándar oficial para la transferencia de firmware. Las actualizaciones mediante LoRaWAN constituyen una de las principales tareas de este trabajo.
Diseño y pruebas. Finalmente, el buzón inteligente debe ser capaz de realizar actualizaciones de firmware mediante LoRaWAN sin intervención del usuario. Estas actualizaciones también deben estar protegidas criptográficamente para evitar su manipulación. Finalmente, se examina cómo se envía el correo a un dispositivo de buzón reconocible. Se examinaron diversas tecnologías y se identificó una adecuada.
LoRaWAN es una solución LoRaWAN para aplicaciones IoT que gestiona una pequeña cantidad de datos de forma eficiente y permite la transmisión inalámbrica a grandes distancias. Consiste, por un lado, en la radio LoRa, un protocolo para la transmisión física de datos LoRaWAN, y por otro, en el propio LoRaWAN, un protocolo MAC basado en LoRa, que proporciona un procedimiento estandarizado para la transferencia de datos a través de LoRa. LoRaWAN, uno de los puntos clave de este trabajo, se utilizó para la comunicación con los dispositivos finales, incluido el buzón inteligente.
LoRa es un proceso de modulación de frecuencia desarrollado por Semtech que permite la comunicación inalámbrica entre dos interlocutores. Por lo tanto, es un protocolo físico (OSI Capa 1) que solo modula la transmisión física de datos. LoRa utiliza chirps modulados en frecuencia para codificar símbolos. La modulación de chirp se utiliza para transmitir símbolos. La frecuencia cambia continuamente a lo largo del ancho de banda durante un período definido. Los símbolos transferidos se definen al inicio del chirp.
Las principales ventajas que ofrece esta modulación en comparación con FSK o PSK son su largo alcance y su robustez frente al ruido. Ambas se deben al factor de ensanchamiento y al ancho de banda utilizado. El factor de ensanchamiento determina la duración de un chirp, es decir, su amplitud de propagación. Un factor más alto implica símbolos más anchos, lo que garantiza mayores alcances de transmisión LoRaWAN, pero también una transmisión de datos más lenta. En LoRa, se definen factores de ensanchamiento de 7 a 12, lo que permite alcanzar velocidades de transmisión LoRaWAN desde un máximo de 37.5 kbit/s hasta un mínimo de 300 kbit/s. El ancho de banda se fija en 125 kHz, 250 kHz o 500 kHz e influye en el alcance y la velocidad de la señal. La elección concreta de estos parámetros depende de LoRaWAN.
Las frecuencias que utiliza LoRa dependen de la región. En Europa, se pueden enviar señales de 868 MHz o 433 MHz. Cabe destacar que estas frecuencias son espectros sin licencia, por lo que no se cobra ninguna tarifa por su uso. Para compensar esto, se aplican restricciones temporales de envío que todos los dispositivos deben cumplir. Estas oscilan entre el 0.1 % y el 10 %, según la frecuencia utilizada.
LoRaWAN es un protocolo MAC (OSI Capa 2) basado en LoRa (aunque también puede utilizarse con FSK) y que contiene algunos elementos de un protocolo de red (OSI Capa 3). Define el formato del mensaje, así como los comandos MAC para controlar la transferencia. Los parámetros para la transmisión LoRa subyacente también están determinados por LoRaWAN. La primera parte es la especificación propiamente dicha, que define los formatos de los mensajes, los comandos MAC y la secuencia. Los parámetros regionales, que incluyen configuraciones específicas para LoRa, así como algunos ajustes o adiciones al protocolo LoRaWAN, están disponibles como una extensión que se define según la región correspondiente.
Una red LoRaWAN consta de varios grupos de participantes y está organizada en una topología estrella a estrella, como se muestra en la Figura 5. En el centro se encuentra el servidor de red, que administra la red LoRaWAN desde el servidor y ofrece una API para las aplicaciones cliente. Gestiona las aplicaciones LoRaWAN y envía y recibe mensajes. Este servidor se comunica con varias puertas de enlace mediante una conexión IP. Su tarea principal es reenviar los paquetes LoRaWAN recibidos del servidor de red a los dispositivos finales a través de LoRa y viceversa. Por lo tanto, sirve como interfaz para cambiar el medio físico. Se ubican en el extremo opuesto a los dispositivos finales que se comunican con una o más puertas de enlace para transmitir sus datos. El protocolo LoRaWAN se aplica únicamente entre la puerta de enlace y los dispositivos finales utilizados. No existe un estándar definido para las rutas restantes, por lo que su formato depende de las aplicaciones específicas utilizadas.
En este contexto, LoRaWAN asume algunas tareas que se explican más adelante. Estas incluyen las diferentes clases de comunicación utilizadas, la posibilidad de transmitir datos de distintas maneras, las dos opciones para agregar dispositivos a una aplicación LoRaWAN, el cifrado y la comprobación de la integridad de los datos transmitidos, y los diversos comandos MAC para controlar la conexión. Estos últimos no se explicarán con más detalle debido a su especificidad y no son relevantes para este trabajo.
LoRaWAN admite tres modos diferentes de transmisión de datos. Cada uno tiene casos de uso específicos, así como ventajas y desventajas, que se detallan a continuación.
El modo Clase A es el modo de transmisión LoRaWAN principal que deben admitir todos los dispositivos finales y gateways. Permite la comunicación bidireccional entre el terminal y el gateway según el principio ALOHA. En el caso de LoRaWAN, esto significa que un terminal puede enviar datos en cualquier momento, pero solo puede recibirlos durante dos breves intervalos de un segundo.
La ventaja de este modo es que el dispositivo terminal solo recibe la respuesta mientras envía datos y, poco después, activa el transceptor LoRa. Esto significa que puede permanecer desactivado la mayor parte del tiempo, lo que ahorra energía. Sin embargo, la desventaja es que el terminal no recibe datos en ningún otro momento. Además, solo se recibe uno por cada paquete de datos enviado.
Por lo tanto, la operación de clase A es más conveniente cuando se envían principalmente mensajes de enlace ascendente y rara vez mensajes de enlace descendente. Dado que LoRaWAN se utiliza, preferentemente, en sensores y dispositivos finales similares de bajo rendimiento que normalmente solo proporcionan información de estado para una aplicación final, para la mayoría de los dispositivos finales es el modo de transferencia de datos preferido.
La clase B es una extensión que no requiere compatibilidad con los dispositivos finales. Este modo puede ser utilizado por dispositivos finales, además de la clase A, a intervalos regulares. Reciba datos de la puerta de enlace sin necesidad de enviarlos previamente. La baliza envía una señal cada 128 s, que contiene información de estado de la puerta de enlace. Los dispositivos finales que la reciben pueden usar la baliza y la periodicidad de la ranura de ping para calcular los tiempos de recepción de datos. Esto les permite activar el transceptor LoRa en el momento oportuno, incluso en breves instantes, para recibir cualquier dato disponible. El proceso se muestra a continuación.
La clase B ofrece un buen equilibrio entre accesibilidad y consumo de energía, ya que la periodicidad de la ranura de ping se puede ajustar para controlar la frecuencia de recepción. Esto significa que se consume más energía que en la clase A pura, pero aún así hay largos periodos en los que el transceptor LoRa puede estar apagado. Otra ventaja de la clase B es la capacidad de almacenar datos en 8 para poder transmitir multidifusión a varios dispositivos simultáneamente, siempre que la dirección y las claves sean las mismas. Por lo tanto, se pueden crear grupos de multidifusión.
El uso de la Clase B tiene sentido si un dispositivo necesita recibir datos con mayor frecuencia sin enviarlos, pero aun así debe funcionar con eficiencia energética. Una aplicación típica sería la de dispositivos finales que se pueden controlar regularmente sin que el tiempo sea un factor crítico.
El último modo de transmisión, también opcional, es la Clase C. En este modo, el terminal del conmutador está permanentemente en recepción para poder recibir datos de la pasarela en cualquier momento. La opción de transmisión con Clase A se mantiene como se muestra en la imagen inferior.
La ventaja de la Clase C es que permite recibir datos en cualquier momento. Sin embargo, esto conlleva un alto consumo de energía, ya que el dispositivo final debe mantener el transceptor LoRa activo en todo momento. La transmisión LoRaWAN multicast también es posible.
La clase C solo debe utilizarse cuando se deban transferir grandes cantidades de datos en un corto periodo de tiempo o cuando se produzcan transferencias urgentes. Estos dispositivos finales deben contar con una fuente de alimentación permanente, ya que este modo consume demasiada energía para funcionar con batería.
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