Negozio
La capacità più importante dei dispositivi IoT è la comunicazione. Esistono diversi protocolli con diversi ambiti di applicazione. Mentre WiFi, Bluetooth, Zigbee o altri standard radio vengono spesso utilizzati per brevi distanze in ambito domestico, i dispositivi devono essere posizionati altrove e utilizzare tecnologie alternative. Un gruppo di queste tecnologie è la trasmissione LoRaWAN. Tuttavia, queste offrono il vantaggio di una portata significativamente maggiore e di una migliore efficienza energetica rispetto alla maggior parte degli altri standard radio, a scapito della larghezza di banda. L'immagine seguente mostra LoRaWAN a confronto con altri protocolli di comunicazione wireless. Le tecnologie LoRaWAN vengono utilizzate principalmente quando i dispositivi finali vengono installati in luoghi che supportano solo altre tecnologie difficili da raggiungere, o quando l'efficienza energetica è di grande importanza. In questo caso, LoRaWAN viene utilizzata come tecnologia LPWAN.
Tuttavia, portata e consumo energetico non sono gli unici aspetti importanti nell'IoT. Un aspetto spesso trascurato è la sicurezza dei dispositivi in rete. Solo tra il 2017 e il 2018, il numero di malware noti per i dispositivi IoT è quasi quadruplicato. Ma il malware non è l'unica minaccia. Molti dispositivi IoT inviano dati senza una protezione adeguata, causando attacchi a tali dati e quindi anche all'infrastruttura IoT. Spionaggio, manipolazione dei dati e il controllo totale dei sistemi sono scenari di attacco esemplari.
Un altro tema rilevante per la sicurezza IoT sono gli aggiornamenti del firmware: consentono ai produttori di integrare nuove funzionalità nei dispositivi e, in caso di problemi di sicurezza, di risolverli senza che l'utente debba intervenire. È estremamente importante che gli aggiornamenti vengano eseguiti in modo sicuro, in modo che gli aggressori non possano iniettare firmware falsi in un dispositivo.
Combinare aggiornamenti firmware e dispositivi finali che utilizzano un protocollo LoRaWAN per la trasmissione dati crea una sfida completamente nuova. Mentre per le tecnologie basate su IP, come la WLAN, esistono già alcune proposte per protocolli specifici, gli aggiornamenti tramite LoRaWAN sono ancora in gran parte inesplorati. Il motivo per cui i protocolli classici non possono essere utilizzati è da ricercare nelle limitazioni delle tecnologie LoRaWAN. LoRaWAN, ad esempio, presenta elevate limitazioni in termini di velocità di trasmissione dati e LoRaWAN, e non dispone di un protocollo di trasporto standardizzato che possa compensare le perdite di dati nella trasmissione.
1.1 La casella di posta intelligente
In questo lavoro, viene presa in considerazione un'applicazione specifica e vengono esaminati diversi aspetti della sicurezza IoT. È stata sviluppata una casella di posta intelligente, che notifica all'utente tramite smartphone la ricezione di un messaggio nella casella.
1.1.1 Caso d'uso
L'idea di base della casella di posta intelligente è quella di garantire che l'utente non debba aprire costantemente la propria casella di posta per verificare la presenza di posta. Al contrario, dovrebbe ricevere una notifica sul proprio dispositivo mobile non appena la casella di posta contiene posta. Questo offre il vantaggio di non sprecare tempo prezioso a causa di caselle di posta lontane o che raramente contengono posta.
Le funzioni dell'applicazione sono volutamente ridotte, con particolare attenzione alla sicurezza e all'efficienza energetica. Inoltre, l'applicazione è stata sviluppata come "estensione". L'installazione di eventuali cassette postali dovrebbe essere possibile con il minimo sforzo da parte dell'utente. Il funzionamento a batteria e un fattore di forma compatto sono quindi requisiti essenziali del progetto.
1.1.2 Argomenti esaminati con trasmissione LoRaWAN
Come accennato in precedenza, il focus del lavoro è sulla sicurezza dell'IoT. Inoltre, viene presa in considerazione l'efficienza energetica. Tra queste priorità, diversi sottotemi vengono esaminati utilizzando la casella di posta intelligente. Il primo punto è la trasmissione sicura dei dati con crittografia E2E tramite LoRaWAN. Soprattutto nel caso di caselle di posta in aree pubbliche, è fondamentale che un aggressore non possa scoprire se e quanta posta sia presente nella casella. Questo impedisce a chiunque di scoprire facilmente se un'intrusione sia utile. È inoltre importante proteggere la casella di posta dalle manipolazioni per impedire all'utente di ricevere false informazioni sulle condizioni della casella. Inoltre, si esamina in che misura la negoziazione delle chiavi crittografiche per queste attività possa essere eseguita in modo sicuro, senza che il produttore del dispositivo o terze parti possano scoprirlo.
Il prossimo punto principale di indagine riguarda gli aggiornamenti firmware sicuri tramite LoRaWAN. Attualmente non esiste uno standard ufficiale per il trasferimento del firmware. Gli aggiornamenti tramite LoRaWAN rappresentano uno degli obiettivi principali di questo lavoro.
Da progettare e testare. Infine, la casella di posta intelligente dovrebbe essere in grado di eseguire aggiornamenti del firmware tramite LoRaWAN senza l'intervento dell'utente. Questi aggiornamenti devono inoltre essere protetti crittograficamente per impedire la manipolazione. Infine, si esamina come la posta viene inviata a un dispositivo di casella di posta che può essere riconosciuto. Sono state esaminate diverse tecnologie e ne è stata individuata una adatta.
2.1LoRaWAN
LoRaWAN è una soluzione LoRaWAN per applicazioni IoT che richiede una piccola quantità di dati, è efficiente dal punto di vista energetico e può essere trasmessa in modalità wireless su lunghe distanze. È composta da un lato dalla radio LoRa, un protocollo per la trasmissione fisica di dati tramite LoRaWAN, e dall'altro da LoRaWAN stessa, un protocollo MAC basato su LoRa che fornisce una procedura standardizzata per il trasferimento di dati tramite LoRa. LoRaWAN, uno dei punti chiave di questo lavoro, è stato utilizzato per la comunicazione con i dispositivi finali, inclusa la smart mailbox.
2.1.1 Che cosa è LoRa
LoRa è un processo di modulazione di frequenza sviluppato da Semtech che consente la comunicazione wireless tra due partner. Si tratta, quindi, di un protocollo fisico (livello OSI 1), che si occupa solo della modulazione della trasmissione fisica dei dati. LoRa utilizza chirp modulati in frequenza per codificare i simboli. La modulazione chirp utilizzata utilizza "chirp" per trasmettere i simboli. La frequenza viene modificata continuamente lungo la larghezza di banda per un periodo di tempo definito. I simboli trasferiti sono definiti all'inizio del chirp.
I principali vantaggi offerti da questa modulazione rispetto a FSK o PSK sono la lunga portata e la resistenza al rumore. Entrambi dipendono dal fattore di spreading e dalla larghezza di banda utilizzata. Il fattore di spreading determina la durata di un singolo chirp, ovvero l'ampiezza della sua diffusione. Un fattore più elevato significa simboli più ampi, il che garantisce portate di trasmissione LoRaWAN maggiori, ma anche una trasmissione dati più lenta. In LoRa sono definiti fattori di spreading da 7 a 12, il che significa che è possibile raggiungere velocità di trasmissione LoRaWAN da un massimo di 37.5 kbit/s a un minimo di 300 bit/s. La larghezza di banda è fissata a 125 kHz, 250 kHz o 500 kHz e influenza anche la portata e la velocità del segnale. La scelta concreta di questi parametri è determinata da LoRaWAN.
Le frequenze utilizzate da LoRa dipendono dalla regione. In Europa, è possibile inviare segnali a 868 MHz o a 433 MHz. È importante sottolineare che queste frequenze sono spettri liberi da licenza, quindi non è previsto alcun costo di licenza per il loro utilizzo. Per compensare questo, vengono applicate restrizioni temporali di invio che tutti i dispositivi devono rispettare. Queste restrizioni variano tra lo 0.1% e il 10%, a seconda della frequenza utilizzata.
2.1.2 Che cos'è LoRaWAN
LoRaWAN è un protocollo MAC (OSI Layer 2) basato su LoRa (ma può essere utilizzato anche con FSK) e contiene anche alcuni elementi di un protocollo di rete (OSI Layer 3). Definisce il formato del messaggio e i comandi MAC per controllare la trasmissione. Anche i parametri per la trasmissione LoRa sottostante sono determinati da LoRaWAN. La prima parte è la specifica vera e propria, che definisce i formati dei messaggi, i comandi MAC e la sequenza. I parametri regionali, che includono impostazioni specifiche per LoRa, nonché alcune modifiche o aggiunte al protocollo LoRaWAN, sono disponibili come estensione e definiti a seconda della rispettiva regione.
Una rete LoRaWAN è composta da diversi gruppi di partecipanti ed è organizzata in una topologia a stella, come mostrato in Figura 5. Al centro si trova il server di rete, che gestisce la rete LoRaWAN lato server e offre un'API per le applicazioni client. Gestisce le applicazioni LoRaWAN e gestisce sia l'invio che la ricezione di messaggi. Questo server comunica con diversi gateway tramite una connessione IP. Il loro compito principale è inoltrare i pacchetti LoRaWAN ricevuti dal server di rete ai dispositivi terminali tramite LoRa e viceversa. Di conseguenza, fungono da interfaccia per la commutazione del mezzo fisico. I dispositivi terminali che comunicano con uno o più gateway per trasmettere i propri dati si trovano all'estremità del percorso. Il protocollo LoRaWAN viene utilizzato solo tra il gateway e i dispositivi terminali. Non esiste uno standard definito per i percorsi rimanenti e il formato dipende quindi dalle applicazioni specifiche utilizzate.
In questo contesto, LoRaWAN assume alcune funzioni, che verranno spiegate più avanti. Tra queste, le diverse classi di comunicazione utilizzate per la trasmissione dei dati, le due opzioni per l'aggiunta di dispositivi a un'applicazione LoRaWAN, la crittografia e il controllo dell'integrità dei dati trasmessi e i vari comandi MAC per il controllo della connessione. Questi ultimi non verranno spiegati ulteriormente perché sono molto specifici e non pertinenti al presente lavoro.
2.1.3 Modalità di trasmissione dati LoRaWAN
LoRaWAN supporta tre diverse modalità di trasmissione dati. Ognuna di queste modalità presenta casi d'uso specifici, nonché vantaggi e svantaggi, elencati di seguito.
Classe A
La modalità di Classe A è la modalità di trasmissione LoRaWAN primaria utilizzata da tutti i dispositivi finali e i gateway devono supportarla. Consente la comunicazione bidirezionale tra terminale e gateway basata sul principio ALOHA. Nel caso di LoRaWAN, ciò significa che un terminale può inviare dati in qualsiasi momento, ma solo per due brevi intervalli dopo l'invio di un pacchetto di dati può anche riceverli.
Il vantaggio di questa modalità è che un dispositivo terminale attiva il trasmettitore LoRa solo durante l'invio dei dati e poco dopo per ricevere la risposta. Ciò significa che può rimanere disattivato per la maggior parte del tempo, con conseguente risparmio energetico. Lo svantaggio, tuttavia, è che il terminale non riceve dati in nessun altro momento. Inoltre, per ogni pacchetto dati inviato, può essere ricevuto solo un pacchetto.
Pertanto, l'operazione di Classe A è la più sensata quando si inviano principalmente messaggi di uplink e raramente di downlink. Poiché LoRaWAN viene utilizzata preferibilmente in sensori e dispositivi terminali simili a basse prestazioni, che normalmente forniscono solo informazioni di stato per un'applicazione finale, per la maggior parte dei dispositivi finali è la modalità di trasferimento dati preferita.
Classe-B
La Classe B è un'estensione che non deve essere supportata dai dispositivi finali. In questo modo, i dispositivi finali possono utilizzare questa modalità in aggiunta alla Classe A a intervalli regolari. Ricevono dati dal gateway senza doverli prima inviare. Il beacon invia un cosiddetto beacon ogni 128 secondi, contenente alcune informazioni di stato sul gateway. I dispositivi finali che ricevono queste informazioni possono quindi utilizzare il beacon e la periodicità dello slot di ping per calcolare gli orari in cui i dati possono essere ricevuti. Questo consente loro di accendere il trasmettitore LoRa al momento giusto per brevi istanti per ricevere eventuali dati presenti. Il processo è illustrato di seguito.
La Classe B offre un buon equilibrio tra accessibilità e consumo energetico, poiché la periodicità dello slot di ping può essere regolata per controllare la frequenza di ricezione. Ciò significa che viene consumata più energia rispetto al funzionamento in Classe A pura, ma il trasmettitore LoRa può comunque rimanere spento per lunghi periodi. Un altro vantaggio della Classe B è la possibilità di memorizzare i dati in 8 bit per poter trasmettere in multicast a più dispositivi contemporaneamente, a condizione che l'indirizzo e le chiavi siano gli stessi. È quindi possibile creare gruppi multicast.
L'uso della Classe B è sensato se un dispositivo deve ricevere dati più spesso senza inviarli a sua volta, ma deve comunque funzionare in modo efficiente dal punto di vista energetico. Un'applicazione tipica sarebbe quella di dispositivi terminali che possono essere controllati regolarmente senza essere soggetti a vincoli temporali.
Classe C
L'ultima, anch'essa opzionale, modalità di trasmissione è la Classe C. In questo caso, gli switch rimangono permanentemente in ricezione per poter ricevere dati dal gateway in qualsiasi momento. L'opzione di trasmissione in Classe A rimane quella mostrata nell'immagine sottostante.
Il vantaggio della Classe C è che i dati possono essere ricevuti in qualsiasi momento. Tuttavia, il prezzo da pagare è un elevato consumo energetico, poiché il dispositivo finale deve mantenere il trasmettitore LoRa sempre attivo. È possibile anche la trasmissione multicast LoRaWAN.
La Classe C dovrebbe essere utilizzata solo quando è necessario trasferire grandi quantità di dati in un breve periodo di tempo o quando si verificano trasferimenti critici in termini di tempo. Tali dispositivi terminali dovrebbero disporre di un'alimentazione permanente, poiché questa modalità consuma troppa energia per il funzionamento a batteria.
