IoTデバイスの最も重要な機能は通信機能です。さまざまなプロトコルがあり、適用分野も異なります。WiFi、Bluetooth、Zigbeeなどの無線規格は、家庭内の短距離通信によく使用されますが、デバイスが他の場所に設置されている場合は、代替技術が使用されます。そのような技術群がLoRaWAN伝送です。ただし、これらには、帯域幅を犠牲にして、他のほとんどの無線規格よりも範囲がはるかに長く、エネルギー効率に優れているという利点があります。下の図は、LoRaWANと他の無線通信プロトコルを比較したものです。LoRaWAN技術は、エンドデバイスが他の技術でしか動作しない場所に設置されている場合、またはエネルギー効率が非常に重要である場合に主に使用されます。この場合、LoRaWANはLPWAN技術として使用されます。
しかし、IoTにおいて重要なのは通信範囲と消費電力だけではありません。しばしば見落とされがちなのが、ネットワークデバイスのセキュリティです。2017年から2018年の間だけでも、IoTデバイスを狙う既知のマルウェアの数はほぼXNUMX倍に増加しました。しかし、脅威はマルウェアだけではありません。多くのIoTデバイスは、適切に保護されていないデータを送信し、そのデータ、ひいてはIoTインフラストラクチャへの攻撃を引き起こしています。スパイ活動、データ操作、システムの完全乗っ取りなどは、典型的な攻撃シナリオです。
IoTセキュリティにおけるもう一つの重要なトピックはファームウェアアップデートです。ファームウェアアップデートにより、メーカーはデバイスに新機能を追加し、セキュリティインシデントが発生した場合でも、ユーザーが介入することなく修正することができます。攻撃者が偽のファームウェアをデバイスに注入できないよう、アップデートが安全な方法で実行されることが極めて重要です。
ファームウェアアップデートと、データ伝送にLoRaWANプロトコルを使用するエンドデバイスを組み合わせると、全く新しい課題が生じます。B. W-LANなどのIPベースの技術では、特定のプロトコルに関する提案が既にいくつかありますが、LoRaWAN経由のアップデートについてはまだほとんど検討されていません。従来のプロトコルが使用できない理由は、LoRaWAN技術の制約にあります。例えば、LoRaWANはデータレートとLoRaWAN伝送速度に関して大きな制限があり、データ伝送ロスを補償できる標準化されたトランスポートプロトコルが存在しません。
本研究では、具体的なアプリケーションを想定し、IoTセキュリティの様々なトピックを検証します。スマートメールボックスは、メールボックスにメールが届いた際にスマートフォンでユーザーに通知するように設計されています。
スマートメールボックスの基本的な考え方は、ユーザーがメールボックスにメールが入っているかどうかを確認するために、常にメールボックスを開く必要がないようにすることです。その代わりに、メールボックスにメールが届くとすぐにモバイルデバイスに通知が届くようにします。これにより、メールボックスがユーザーから遠く離れている場合や、メールがほとんど入っていない場合に、ユーザーの時間を無駄に消費することがなくなります。
セキュリティとエネルギー効率に重点を置くため、アプリケーションの機能は意図的に小さく抑えられています。さらに、このアプリケーションは「拡張機能」として開発されているため、ユーザーがレターボックスを設置する手間をほとんどかけずに、この機能を実現できるはずです。そのため、バッテリー駆動と小型フォームファクタもこのプロジェクトの要件となっています。
前述のように、この作業の焦点は IoT セキュリティにあります。さらに、エネルギー効率も考慮されています。これらの優先事項から、スマート メールボックスを使用して検討されているいくつかのサブトピックがあります。最初のポイントは、安全な E2E 暗号化データ LoRaWAN 伝送です。特に公共エリアのメールボックスでは、攻撃者がメールボックス内にメールがあるかどうか、またどれだけのメールがあるかを把握できないようにすることが重要です。これにより、侵入する価値があるかどうかを簡単に判断できなくなります。ユーザーがメールボックスの状態に関する誤った情報を受け取らないようにするための操作に対する保護も重要です。さらに、これらのタスク用の暗号鍵のネゴシエーションが、デバイスの製造元や第三者に知られることなく、どの程度安全に実行できるかが検討されます。
次の主要な調査対象は、LoRaWAN経由の安全なファームウェアアップデートです。現在、ファームウェアの転送に関する公式規格は存在しません。この点において、LoRaWAN経由のアップデートは本研究の主要な課題の一つです。
設計とテストを行いました。最終的には、スマートメールボックスはLoRaWAN経由でユーザーの介入なしにファームウェアアップデートを実行できる必要があります。これらのアップデートは、改ざんを防ぐために暗号化によって保護される必要があります。最後に、メールが認識可能なメールボックスデバイスに投入される仕組みを検証しました。様々な技術が検討され、最適な技術が特定されました。
LoRaWANは、少量のデータをエネルギー効率よく長距離ワイヤレス伝送できるIoTアプリケーション向けのLoRaWANソリューションです。LoRaWANは、物理データLoRaWAN伝送プロトコルであるLoRa無線と、LoRaをベースとしたMACプロトコルであるLoRaWAN自体で構成されており、LoRaを介したデータ転送のための標準化された手順を提供します。本研究のキーポイントの一つであるLoRaWANは、スマートメールボックスを含むエンドデバイスとの通信に使用されました。
LoRaは、Semtech社が開発した周波数変調プロセスであり、1つの通信相手間の無線通信を可能にします。したがって、これは物理プロトコル（OSI第XNUMX層）であり、物理的なデータ伝送の変調のみを担当します。LoRaは、周波数変調されたチャープを用いてシンボルを符号化します。使用されるチャープ変調は、「チャープ」を用いてシンボルを送信します。周波数は、定義された時間にわたって帯域幅全体で連続的に変化します。転送されるシンボルは、チャープの開始点付近で定義されます。
FSK や PSK と比較して、この変調方式が提供する主な利点は、長距離とノイズに対する堅牢性です。どちらも、使用される拡散係数と帯域幅によるものです。拡散係数は、7 つのチャープが持続する時間、つまり拡散する幅を決定します。係数が高いほどシンボルが広くなり、LoRaWAN の伝送範囲が長くなりますが、データ伝送速度は遅くなります。LoRa では、拡散係数は 12 から 37.5 まで定義されており、最大 300 kbit/s から最小 125 bit/s の LoRaWAN 伝送速度を実現できます。帯域幅は 250 kHz、500 kHz、または XNUMX kHz に固定されており、信号の範囲と速度にも影響します。これらのパラメーターの具体的な選択は、LoRaWAN によって決定されます。
LoRaが使用する周波数は地域によって異なります。ヨーロッパでは、868MHzまたは433MHzで送信できます。これらの周波数はライセンスフリーのスペクトルであるため、使用にライセンス料はかかりません。これを補うために、すべてのデバイスが遵守しなければならない一時的な送信制限が適用されます。制限は、使用する周波数に応じて0.1%から10%の範囲です。
LoRaWANは、LoRa（FSKも使用可能）をベースにしたMACプロトコル（OSIレイヤー2）であり、ネットワークプロトコル（OSIレイヤー3）の一部要素も含んでいます。メッセージフォーマットと、転送を制御するMACコマンドを定義します。LoRa伝送の基礎となるパラメータもLoRaWANによって決定されます。最初の部分は実際の仕様であり、メッセージフォーマット、MACコマンド、およびシーケンスを定義します。地域パラメータは、LoRa固有の設定、およびLoRaWANプロトコルへの調整や追加を含むもので、それぞれの地域に応じて拡張として利用可能です。
LoRaWAN ネットワークは、複数の参加者グループで構成され、図 5 に示すように、スターバイスター トポロジに編成されています。中央にあるのはネットワーク サーバーです。これは、LoRaWAN ネットワークのサーバー側管理であり、クライアント アプリケーション用の API を提供します。LoRaWAN アプリケーションを管理し、メッセージの送受信を行います。このサーバーは、IP 接続を介して複数のゲートウェイと通信します。主なタスクは、ネットワーク サーバーから受信した LoRaWAN パケットを LoRa 経由でエンド デバイスに転送し、その逆も行うことです。したがって、物理メディアを変更するためのインターフェイスとして機能します。XNUMX つ以上のゲートウェイと通信してデータを送信しているエンド デバイスよりも末端に位置します。LoRaWAN プロトコルは、ゲートウェイとエンド デバイス間のみで使用されます。残りのパスについては標準が定義されていないため、その形式は使用する特定のアプリケーションによって異なります。
この文脈において、LoRaWANはいくつかのタスクを担っており、それらについては後述します。これには、データの送信方法の違いに応じて使用される様々な通信クラス、LoRaWANアプリケーションにデバイスを追加するための2つのオプション、送信データの暗号化と整合性チェック、そして接続を制御するための様々なMACコマンドが含まれます。MACコマンドは非常に特殊であり、本研究とは関係がないため、これ以上の説明は省略します。
LoRaWANは3つの異なるデータ伝送モードをサポートしています。それぞれのモードには特定のユースケースがあり、長所と短所も異なります。以下にその概要を示します。
クラスAモードは、すべてのエンドデバイスで使用される主要なLoRaWAN伝送モードであり、ゲートウェイはこれに対応している必要があります。ALOHAの原理に基づき、端末とゲートウェイ間の双方向通信を可能にします。LoRaWANの場合、これは端末がいつでもデータを送信できることを意味しますが、データパケットを送信した後、データを受信できるのはわずか2秒間隔のみです。
このモードの利点は、端末デバイスがデータ送信中のみ、そして送信直後にLoRaトランシーバーをオンにして応答を受信することです。つまり、ほとんどの時間、トランシーバーを非アクティブにしておくことができ、消費電力を節約できます。一方、欠点は、端末が受信可能な時間以外はデータを一切持たないことです。さらに、送信されたデータパケットごとに1つしか受信できません。
したがって、クラスA動作は、主にアップリンクメッセージを送信し、ダウンリンクメッセージをほとんど送信しない場合に最も適しています。LoRaWANは、エンドアプリケーションのステータス情報のみを提供するセンサーなどの低性能エンドデバイスに適しているため、ほとんどのエンドデバイスでは、このデータ転送モードが推奨されます。
クラスBは、エンドデバイスによるサポートが不要な拡張機能です。このモードでは、クラスAに加えて、エンドデバイスが定期的に使用できます。ゲートウェイからデータを受信する際に、事前にデータを送信する必要はありません。ビーコンは、ゲートウェイのステータス情報を含むビーコンと呼ばれる信号を128秒ごとに送信します。これを受信したエンドデバイスは、ビーコンとpingスロットの周期性を使用して、データを受信できる時間を計算できます。これにより、LoRaトランシーバーを短時間オンにして、存在する可能性のあるデータを受信できます。プロセスを以下に示します。
クラスBは、pingスロットの周期を調整することで受信頻度を制御できるため、アクセス性と消費電力のバランスが優れています。これは、純粋なクラスA動作よりも多くの電力を消費することを意味しますが、LoRaトランシーバーを長時間オフにできるという利点もあります。クラスBのもう一つの利点は、データを8ビットで保存できるため、アドレスとキーが同じであれば、複数のデバイスに同時にマルチキャストを送信できることです。そのため、マルチキャストグループを作成できます。
デバイスがデータ自体を送信せずに頻繁にデータを受信する必要があるものの、エネルギー効率の高い動作が求められる場合、クラスBの使用は理にかなっています。典型的な用途としては、時間的制約を受けずに定期的に制御できるエンドデバイスが挙げられます。
最後に、これもオプションの伝送モードであるクラスCがあります。このモードでは、スイッチ端末は常時受信状態となり、ゲートウェイからいつでもデータを受信できるようになります。クラスA伝送のオプションは、下図の通りです。
クラスCの利点は、いつでもデータを受信できることです。ただし、エンドデバイスはLoRaトランシーバーを常にアクティブにしておく必要があるため、消費電力が高くなります。マルチキャストLoRaWAN伝送も可能です。
クラスCは、短時間で大量のデータを転送する必要がある場合、または時間的に厳しい転送が発生する場合にのみ使用してください。このモードはバッテリー駆動には電力消費が大きすぎるため、このようなエンドデバイスには常時電源が必要です。
今日、現代のビジネス運営はますますダイナミックになっています。特に広大な地域で事業を展開する企業にとって…