נושאים נבדקו במהירות שידור LoRaWAN

שידור LoRaWAN

היכולת החשובה ביותר של מכשירי IoT היא של תקשורת. ישנם פרוטוקולים שונים עם אזורי יישום שונים. בזמן WiFi, בלוטות, זיגבי או תקני רדיו אחרים משמשים לעתים קרובות למרחקים קצרים בבית, התקנים צריכים להיות ממוקמים במקום אחר באמצעות טכנולוגיות חלופיות. קבוצת טכנולוגיות כזו היא העברת LoRaWAN. למרות זאת, לאלה יש יתרון של טווח ארוך משמעותית ויעילות אנרגטית טובה יותר מרוב תקני הרדיו האחרים על חשבון רוחב הפס. בתמונה למטה מוצגת LoRaWAN בהשוואה לפרוטוקולי תקשורת אלחוטית אחרים. טכנולוגיות LoRaWAN משמשות בעיקר כאשר מכשירי קצה מותקנים במיקומים שעובדים רק עם טכנולוגיות אחרות שקשה להשיג, או כאשר יש חשיבות רבה ליעילות אנרגטית. ב- LoRaWAN זה משמש כטכנולוגיית LPWAN.

למרות זאת, טווח וצריכת חשמל אינם הנקודות החשובות היחידות ב- IoT. נושא אחד שלעתים קרובות מוזנח הוא האבטחה של מכשירים ברשת. בֵּין 2017 ו 2018 לבד, מספר התוכנות הזדוניות הידועות למכשירי IoT גדל כמעט פי ארבעה. אך תוכנות זדוניות אינן האיום היחיד. הרבה מכשירי IoT שולחים נתונים מוגנים בצורה לא מספקת, גרימת התקפות על הנתונים הללו וכך גם על תשתית ה- IoT. בִּיוּן, מניפולציה של נתונים וההשתלטות המלאה על מערכות הם תרחישים תקיפתיים למופת.

נושא רלוונטי נוסף באבטחת IoT הוא עדכוני קושחה; הם מאפשרים ליצרנים להביא פונקציות חדשות למכשירים, במקרה של אירועים ביטחוניים, כדי לתקן אותם מבלי שהמשתמש יצטרך להיות פעיל. חשוב ביותר שהעדכונים יתבצעו גם בצורה מאובטחת, כך שהתוקפים לא יוכלו להזרים קושחה מזויפת למכשיר..

שילוב של עדכוני קושחה והתקני קצה המשתמשים בפרוטוקול LoRaWAN להעברת נתונים יוצר אתגר חדש לחלוטין. ואילו עבור טכנולוגיות מבוססות IP, כגון B. W-LAN, יש כבר כמה הצעות לפרוטוקולים ספציפיים, עדכונים באמצעות LoRaWAN עדיין לא נחקרו ברובם. הסיבה שלא ניתן להשתמש בפרוטוקולים הקלאסיים נמצאת במגבלות הטכנולוגיות LoRaWAN. LoRaWAN, לדוגמה, בעל מגבלות גבוהות מבחינת קצב נתונים ומהירות העברת LoRaWAN ואין לו פרוטוקול תחבורה סטנדרטי, אשר מפצה על הפסדים בהעברת נתונים.

1.1 תיבת הדואר החכמה

בעבודה הזו, יישום ספציפי נחשב ונבדקים נושאים שונים של אבטחת IoT. פותחה תיבת דואר חכמה, אשר מודיע למשתמש באמצעות הסמארטפון שלו כאשר הדואר נמצא בתיבת הדואר.

1.1.1 השתמש במקרה

הרעיון הבסיסי של תיבת הדואר החכמה הוא לוודא שהמשתמש לא צריך כל הזמן לפתוח את תיבת הדואר שלו כדי לברר אם יש בה דואר כלשהו. במקום זאת, עליו לקבל התראה במכשיר הנייד שלו ברגע שיש דואר בתיבת הדואר. יש לזה את היתרון שזמן המשתמש אינו מיותר בגלל תיבות דואר רחוקות מהמשתמש או שכמעט ולא מכיל דואר..

הפונקציות של היישום נשמרות בכוונה קטנה בגלל ההתמקדות בביטחון וביעילות אנרגטית. בנוסף, היישום פותח כ- “סיומת”. זה אמור להיות אפשרי לעשות זאת במאמץ מועט מצד המשתמש להתקין תיבות מכתבים כלשהן. הפעלת סוללה וגורם צורה קטן הם לפיכך גם דרישות לפרויקט.

1.1.2 נושאים שנבדקו עם העברת LoRaWAN

כפי שהוזכר מוקדם יותר, מוקד העבודה הוא על אבטחת IoT. בנוסף, נחשב יעילות אנרגטית. מתוך סדרי עדיפויות אלה, ישנם כמה נושאי משנה שנבדקים באמצעות תיבת הדואר החכמה, והנקודה הראשונה היא המאובטחת, העברת LoRaWAN נתונים מוצפנים באמצעות E2E. במיוחד עם תיבות דואר בשטחים ציבוריים, חשוב שתוקף לא יגלה שהוא יכול לקבוע אם וכמה דואר יש בתיבת הדואר. זה מונע מי יכול לגלות בקלות אם פריצה כדאי. ההגנה חשובה גם מפני מניפולציות כדי למנוע מהמשתמש לקבל מידע כוזב על מצב תיבת הדואר. בנוסף, נבדק באיזו מידה ניתן לנהל משא ומתן על מפתחות הצפנה למשימות אלה דרך מאובטחת מבלי שיצרן המכשיר או צדדים שלישיים יוכלו לגלות.

נקודת החקירה העיקרית הבאה היא עדכוני הקושחה המאובטחים באמצעות LoRaWAN. כרגע אין תקן רשמי לגבי העברת קושחה. עדכונים באמצעות LoRaWAN. מהבחינה הזו, זו אחת המשימות העיקריות של עבודה זו
לעצב ולבדוק. בסוף, תיבת הדואר החכמה אמורה להיות מסוגלת לבצע עדכוני קושחה באמצעות LoRaWAN ללא התערבות המשתמש. יש לאבטח עדכונים אלה באופן קריפטוגרפי כדי למנוע מניפולציה. סוף סוף, נבדק כיצד נזרק דואר למכשיר תיבת דואר הניתן לזיהוי. נבדקו טכנולוגיות שונות וזוהתה טכנולוגיה מתאימה.

2.1 LoRaWAN

LoRaWAN הוא פתרון LoRaWAN ליישומי IoT עם כמות קטנה של נתונים חסכוניים באנרגיה וניתן להעבירו באופן אלחוטי למרחקים גדולים. הוא מורכב מצד אחד של רדיו LoRa, פרוטוקול להעברת נתונים פיזיים של LoRaWAN ומצד שני של LoRaWAN עצמו, פרוטוקול MAC המבוסס על LoRa מצטבר ומספק נוהל סטנדרטי להעברת נתונים באמצעות LoRa. LoRaWAN, כאחת מנקודות המפתח בעבודה זו, שימש לתקשורת עם מכשירי הקצה, כולל תיבת הדואר החכמה.

2.1.1 מה זה LoRa

LoRa הוא תהליך אפנון תדרים שפותח על ידי תקשורת אלחוטית Semtech בין שני שותפי תקשורת מותרים. זה, לָכֵן, פרוטוקול פיזי (שכבת OSI 1), שמשתלט רק על האפנון של העברת הנתונים הפיזית. LoRa משתמשת בציוצים מווסתים לתדרים כדי לקודד סמלים. אפנון הציוץ בשימוש משתמש ב"ציוצים "כדי להעביר סמלים. התדר משתנה ברציפות ברוחב הפס לאורך פרק זמן מוגדר. הסמלים המועברים הם בערך תחילת ציוץ מוגדרים.

היתרונות העיקריים שמציע אפנון זה בהשוואה ל- FSK או PSK הם הטווח הארוך והחוסן נגד רעש. שניהם הם מהגורם המתפשט ורוחב הפס המשמש. הגורם המתפשט קובע כמה זמן ציוץ יחיד נמשך, כלומר עד כמה הוא מתפשט ". גורם גבוה יותר פירושו סמלים רחבים יותר, מה שמבטיח טווחי שידור ארוכים יותר של LoRaWAN, אך גם העברת נתונים איטית יותר. ב- LoRa גורמים מתפשטים מ 7 ל 12 מוגדר, שמשמעותו מהירות שידור LoRaWAN ממקסימום של 37.5 קביט / s למינימום של 300 קצת / ניתן להשיג. רוחב הפס קבוע בשעה 125 kHz, 250 kHz או 500 kHz ומשפיע גם על טווח ומהירות האות. הבחירה הקונקרטית בפרמטרים אלה נקבעת על ידי LoRaWAN.

התדרים בהם LoRa משתמשת תלויים באזור. באירופה, אתה יכול 868 MHz או ב 433 ניתן לשלוח MHz. חשוב להזכיר שתדרים אלה הם ספקטרום ללא רישיון, כך שאין דמי רישיון לשימוש בהם. כדי לפצות על זה, להחיל זמנית, שלח הגבלות שכל המכשירים חייבים לציית אליהם. אלה בין 0.1% ו 10%, תלוי בתדירות שבה משתמשים.

2.1.2 מה זה LoRaWAN

LoRaWAN הוא פרוטוקול MAC (שכבת OSI 2), שמבוסס על LoRa (אבל גם עם FSK ניתן להשתמש), וגם כמה אלמנטים של פרוטוקול רשת (שכבת OSI 3) מכיל. הוא מגדיר פורמט הודעה, כמו גם פקודות MAC לשליטה בהעברה. הפרמטרים להעברת LoRa הבסיסית נקבעים גם על ידי LoRaWAN. החלק הראשון הוא המפרט בפועל, המגדיר את פורמטי ההודעה, פקודות ה- MAC, והרצף. הפרמטרים האזוריים, אילו הגדרות ספציפיות עבור LoRa, כמו גם כמה התאמות או תוספות לפרוטוקול LoRaWAN, זמינים כהרחבה להגדיר בהתאם לאזור בהתאמה.

רשת LoRaWAN מורכבת מכמה קבוצות של משתתפים והיא מאורגנת בטופולוגיה של כוכב אחר כוכב, כפי שמוצג באיור 5. באמצע שרת הרשת, שהוא הניהול בצד השרת של רשת LoRaWAN ומציע ממשק API ליישומי לקוח. נהל יישומי LoRaWAN ושליחה ושליחה של הודעות לקבלה. שרת זה מתקשר עם מספר שערים באמצעות חיבור IP. המשימה העיקרית שלהם היא להעביר את חבילות LoRaWAN שהתקבלו משרת הרשת למכשירי הקצה באמצעות LoRa ולהיפך.. בהתאם לכך, הם משמשים ממשק לשינוי המדיום הפיזי. עמד בקצה מאשר במכשירי הקצה שמתקשרים עם שער אחד או יותר להעברת הנתונים שלהם. פרוטוקול LoRaWAN נמצא רק בין השער למכשירי הקצה המשמשים. לא מוגדר שום תקן לנתיבים הנותרים ולפורמט זה, לָכֵן, תלוי ביישומים הספציפיים המשמשים.

בהקשר הזה, LoRaWAN לוקח על עצמו כמה משימות, אשר מוסברים בהמשך. זה כולל את שיעורי התקשורת השונים המשמשים נתונים ניתן להעביר בדרכים שונות, שתי האפשרויות להוספת מכשירים ליישום LoRaWAN, הצפנה ובדיקת תקינות של נתונים מועברים, ואת פקודות ה- MAC השונות לבקרת החיבור. האחרון לא יוסבר בהמשך מכיוון שהם ספציפיים מאוד ואינם רלוונטיים לעבודה זו.

2.1.3 LoRaWAN מצבי העברת נתונים

LoRaWAN תומך בשלושה מצבים שונים להעברת נתונים. לכל אחד מהמודיות הללו מקרי שימוש ספציפיים, כמו גם יתרונות וחסרונות, המפורטים להלן.

מחלקה A

מחלקה A מצב הוא מצב השידור העיקרי של LoRaWAN המשמש את כל מכשירי הקצה ויש לתמוך בשערים. זה מאפשר תקשורת דו כיוונית בין המסוף לשער על בסיס עקרון ALOHA. במקרה של LoRaWAN, זה אומר שטרמינל יכול לשלוח נתונים בכל עת, אך רק לשני אינטרוולים קצרים לאחר שליחת חבילת נתונים יכולים גם לקבל נתונים.

היתרון במצב זה הוא שמכשיר מסוף רק בזמן שליחת נתונים וזמן קצר לאחר מכן הפעל את מקלט ה- LoRa כדי לקבל תגובה הגיע ל. פירוש הדבר שהוא יכול להישאר מושבת רוב הזמן, מה שחוסך אנרגיה. החיסרון, למרות זאת, הוא שלטרמינל אין נתונים בכל זמן אחר שיכול לקבל. בנוסף, ניתן לקבל רק אחד עבור כל חבילת נתונים שנשלחת הופכת להיות.

מבצע סוג א ', לָכֵן, הגיוני ביותר כאשר בעיקר שולחים הודעות uplink ולעתים נדירות הודעות downlink. מכיוון ש- LoRaWAN עדיף בחיישנים ובמכשירי קצה בעלי ביצועים נמוכים דומים, אשר בדרך כלל מספקים רק מידע סטטוס ליישום קצה משמש לרוב מכשירי הקצה, מצב העברת הנתונים המועדף.

מחלקת שידור LoRaWAN א

מחלקה B

Class-B הוא הרחבה שאינה חייבת להיות נתמכת על ידי מכשירי קצה. לפי מצב זה ניתן להשתמש במכשירי קצה בנוסף ל- Class-A במרווחי זמן קבועים. קבל נתונים מהשער מבלי שתצטרך לשלוח אותם בעצמך. אל המשואה שולח כל מה שנקרא משואה 128 s, המכיל מידע על סטטוס אודות השער. מכשירי קצה שמקבלים זאת יכולים להשתמש במגדלור ובמחזוריות של חריץ הפינג כדי לחשב את הזמנים בהם ניתן לקבל נתונים. זה מאפשר להם להיות בזמן הנכון לרגעים קצרים, להפעיל את מקלט ה- LoRa כדי לקבל נתונים כלשהם.. התהליך מוצג להלן.

סוג הילוכים LoRaWAN ב

Class B מציע איזון טוב בין נגישות לצריכת אנרגיה מכיוון שניתן לכוונן את מחזור חריץ הפינג כדי לשלוט בתדירות שבה הוא אמור להתקבל. משמעות הדבר היא כי משתמשים באנרגיה רבה יותר מאשר לפעולה טהורה מסוג A, אך עדיין יש תקופות ארוכות בהן ניתן לכבות את מקלט ה- LoRa. יתרון נוסף של Class-B הוא האפשרות לאחסן נתונים ב- 8 להיות מסוגל להעביר מולטיקאסט למספר מכשירים בו זמנית, כל עוד הכתובת והמפתחות זהים. קבוצות שידור לקבוצה יכולות, לָכֵן, להיווצר.

השימוש ב- Class-B הגיוני אם מכשיר צריך לקבל נתונים לעתים קרובות יותר מבלי לשלוח נתונים בעצמו, אך המכשיר עדיין צריך לעבוד באנרגיה חסכונית. יישום אופייני יהיה התקני קצה רגילים ניתן לשלוט מבלי להיות קריטי זמן.

מחלקה C

האחרון, גם אופציונלי, מצב השידור הוא Class-C. בזה, מסוף המתגים באופן קבוע בקליטה כדי להיות מסוגל לקבל נתונים מהשער בכל עת. אפשרות השידור עם Class-A נותרה כמו בתמונה למטה.

סוג הילוכים LoRaWAN ג

היתרון של Class-C הוא שניתן לקבל נתונים בכל עת. למרות זאת, המחיר לכך הוא צריכת אנרגיה גבוהה, מכיוון שעל מכשיר הקצה להשאיר את מקלט ה- LoRa פעיל בכל עת. שידור LoRaWAN מולטי-קאסט אפשרי גם כאן.

יש להשתמש בכיתה C רק כאשר יש להעביר כמויות גדולות של נתונים לאורך זמן קצר או כאשר מתרחשות העברות קריטיות.. התקני קצה כאלה צריכים להיות בעלי אספקת חשמל קבועה מכיוון שמצב זה צורך יותר מדי אנרגיה להפעלת הסוללה.

שוחח עם מומחה