Onderzochte onderwerpen met LoRaWAN transmissiesnelheid

LoRaWAN-verzending

Het belangrijkste vermogen van IoT-apparaten is dat van communicatie. er zijn verschillende protocollen met verschillende toepassingsgebieden. Terwijl WiFi, Bluetooth, Zigbee of andere radiostandaarden worden vaak gebruikt voor korte afstanden in huis, apparaten moeten ergens anders worden geplaatst met behulp van alternatieve technologieën. Zo'n groep technologieën is LoRaWAN-transmissie. Echter, deze hebben het voordeel van een aanzienlijk groter bereik en een betere energie-efficiëntie dan de meeste andere radiostandaarden, ten koste van de bandbreedte. De onderstaande afbeelding toont LoRaWAN vergeleken met sommige andere draadloze communicatieprotocollen. LoRaWAN-technologieën worden meestal gebruikt wanneer eindapparaten worden geïnstalleerd op locaties die alleen werken met andere technologieën die moeilijk te realiseren zijn, of wanneer energie-efficiëntie van groot belang is. In deze LoRaWAN wordt gebruikt als LPWAN-technologie.

Echter, bereik en stroomverbruik zijn niet de enige belangrijke punten in het IoT. Een probleem dat vaak wordt genegeerd, is de beveiliging van netwerkapparaten. Tussen 2017 en 2018 alleen, het aantal bekende malware voor IoT-apparaten is bijna verviervoudigd. Maar malware is niet de enige bedreiging. Veel IoT-apparaten verzenden gegevens die onvoldoende beschermd zijn, aanvallen veroorzaken op die data en dus ook op de IoT-infrastructuur. Spionage, manipulatie van gegevens en de volledige overname van systemen zijn voorbeeldige aanvalsscenario's.

Een ander relevant onderwerp in IoT-beveiliging zijn firmware-updates; ze stellen fabrikanten in staat om nieuwe functies op apparaten en, bij beveiligingsincidenten, om ze te verhelpen zonder dat de gebruiker actief hoeft te worden. Het is uitermate belangrijk dat de updates ook op een veilige manier worden uitgevoerd, zodat aanvallers geen nepfirmware in een apparaat kunnen injecteren.

Het combineren van firmware-updates en eindapparaten die een LoRaWAN-protocol gebruiken voor datatransmissie, creëert een geheel nieuwe uitdaging. Terwijl voor IP-gebaseerde technologieën, zoals B. W-LAN, er zijn al enkele suggesties voor specifieke protocollen, updates via LoRaWAN zijn nog grotendeels onontgonnen. De reden dat de klassieke protocollen niet kunnen worden gebruikt, is te vinden in de beperkingen van LoRaWAN-technologieën. LoRaWAN, bijvoorbeeld, heeft hoge beperkingen in termen van datasnelheid en LoRaWAN-transmissiesnelheid en heeft geen gestandaardiseerd transportprotocol, dat compenseert voor verliezen in datatransmissie.

1.1 De slimme mailbox

In dit werk, er wordt gekeken naar een specifieke toepassing en naar verschillende onderwerpen van IoT-beveiliging. Er werd een slimme mailbox ontwikkeld, die de gebruiker via zijn smartphone op de hoogte stelt wanneer de mail in de mailbox is ontvangen.

1.1.1 Gebruik case

Het basisidee van de slimme mailbox is om ervoor te zorgen dat de gebruiker niet constant zijn mailbox hoeft te openen om erachter te komen of er mail in staat. In plaats daarvan, hij zou een notificatie op zijn mobiele toestel moeten ontvangen zodra er mail in de mailbox is. Dit heeft als voordeel dat de tijd van de gebruiker niet onnodig is door mailboxen die ver van de gebruiker verwijderd zijn of die zelden mail bevatten Wordt geclaimd.

De functies van de applicatie zijn bewust klein gehouden vanwege de focus op veiligheid en energie-efficiëntie. In aanvulling op, de applicatie is ontwikkeld als een “uitbreiding”. Het zou mogelijk moeten zijn om dit te doen met weinig inspanning van de gebruiker om eventuele brievenbussen te installeren. Batterijvoeding en een kleine vormfactor zijn dus ook vereisten voor het project.

1.1.2 Onderzochte onderwerpen met LoRaWAN-verzending

Zoals eerder gezegd, de focus van het werk ligt op IoT-beveiliging. In aanvulling op, energie-efficiëntie wordt overwogen. Van deze prioriteiten, er zijn verschillende subonderwerpen die worden onderzocht met behulp van de slimme mailbox. Het eerste punt is de beveiliging, E2E-gecodeerde gegevens LoRaWAN-verzending. Vooral met brievenbussen in openbare ruimtes, Het is belangrijk dat een aanvaller er niet achter kan komen of en hoeveel mail er in de mailbox zit. Dit voorkomt wie er gemakkelijk achter kan komen of een inbraak de moeite waard is. Bescherming is ook belangrijk tegen manipulatie om te voorkomen dat de gebruiker valse informatie ontvangt over de toestand van de mailbox. In aanvulling op, er wordt onderzocht in hoeverre de onderhandeling over cryptografische sleutels voor deze taken op een veilige manier kan worden uitgevoerd zonder dat de fabrikant van het apparaat of derden daar achter kunnen komen.

Het volgende hoofdpunt van onderzoek zijn de veilige firmware-updates via LoRaWAN. Er is momenteel geen officiële standaard met betrekking tot de overdracht van firmware. Updates via LoRaWAN. In dit opzicht, het is een van de belangrijkste taken van dit werk
ontwerpen en testen. Uiteindelijk, de slimme mailbox moet firmware-updates via LoRaWAN kunnen uitvoeren zonder tussenkomst van de gebruiker. Deze updates moeten ook cryptografisch worden beveiligd om manipulatie te voorkomen. Tenslotte, er wordt gekeken hoe mail in een herkenbaar mailboxapparaat wordt gegooid. Er werden verschillende technologieën onderzocht en er werd een geschikte geïdentificeerd.

2.1 LoRaWAN

LoRaWAN is een LoRaWAN-oplossing voor IoT-toepassingen met een kleine hoeveelheid data energiezuinig en kan draadloos over grote afstanden worden verzonden. Het bestaat uit enerzijds uit LoRa-radio, een protocol voor de overdracht van fysieke gegevens via LoRaWAN en aan de andere kant van LoRaWAN zelf, een MAC-protocol dat is gebaseerd op LoRa bouwt op en biedt een gestandaardiseerde procedure voor de overdracht van gegevens via LoRa. LoRaWAN, als een van de belangrijkste punten in dit werk, werd gebruikt voor communicatie met de eindapparatuur, inclusief de slimme mailbox.

2.1.1 Wat is LoRa

LoRa is een frequentiemodulatieproces ontwikkeld door Semtech draadloze communicatie tussen twee communicatiepartners toegestaan. Het is, daarom, een fysiek protocol (OSI-laag 1), die alleen de modulatie van de fysieke datatransmissie overneemt. LoRa gebruikt frequentie-gemoduleerde chirps om symbolen te coderen. De gebruikte chirp-modulatie gebruikt "chirps" om symbolen te verzenden. De frequentie verandert continu over de bandbreedte gedurende een bepaalde tijdsperiode. De overgedragen symbolen zijn ongeveer het begin van de chirp zijn gedefinieerd.

De belangrijkste voordelen die deze modulatie biedt ten opzichte van FSK of PSK zijn het lange bereik en de robuustheid tegen ruis. Beide zijn van de gebruikte spreidingsfactor en bandbreedte. De spreidingsfactor bepaalt hoe lang een enkele chirp duurt, dwz hoe breed het zich verspreidt ". Een hogere factor betekent bredere symbolen, wat zorgt voor een groter LoRaWAN-zendbereik, maar ook langzamere gegevensoverdracht. In LoRa spreidingsfactoren van 7 naar 12 is gedefinieerd, wat een LoRaWAN-transmissiesnelheid betekent van maximaal 37.5 kbit / s tot een minimum van 300 beetje / s kunnen worden bereikt. De bandbreedte is vastgesteld op 125 kHz, 250 kHz of 500 kHz en beïnvloedt ook het bereik en de snelheid van het signaal. De concrete keuze van deze parameters wordt bepaald door LoRaWAN.

De frequenties die LoRa gebruikt, zijn afhankelijk van de regio. In Europa, jij kan 868 MHz of op 433 MHz kan worden verzonden. Het is belangrijk om te vermelden dat deze frequenties licentievrije spectra zijn, dus er zijn geen licentiekosten om ze te gebruiken. Om dit te compenseren, tijdelijk toepassen, verzendbeperkingen waaraan alle apparaten moeten voldoen. Deze zijn tussen 0.1% en 10%, afhankelijk van de gebruikte frequentie.

2.1.2 Wat is LoRaWAN

LoRaWAN is een MAC-protocol (OSI-laag 2), die is gebaseerd op LoRa (maar ook met FSK kan worden gebruikt), en ook enkele elementen van een netwerkprotocol (OSI-laag 3) bevat. Het definieert een berichtformaat, evenals MAC-opdrachten om de overdracht te regelen. De parameters voor de onderliggende LoRa-transmissie worden ook bepaald door LoRaWAN. Het eerste deel is de eigenlijke specificatie, die de berichtformaten definieert, de MAC-opdrachten, en de volgorde. De regionale parameters, welke specifieke instellingen voor LoRa, evenals enkele aanpassingen of toevoegingen aan het LoRaWAN-protocol, zijn beschikbaar als extensie, afhankelijk van de respectieve regio.

Een LoRaWAN-netwerk bestaat uit verschillende groepen deelnemers en is georganiseerd in een ster-voor-ster-topologie, zoals te zien in figuur 5. In het midden bevindt zich de netwerkserver, dat is het server-side beheer van het LoRaWAN-netwerk en biedt een API voor clienttoepassingen. Beheer LoRaWAN-applicaties en zowel verzend als verzend berichten om te ontvangen. Deze server communiceert met meerdere gateways via een IP-verbinding. Hun primaire taak is om de LoRaWAN-pakketten die zijn ontvangen van de netwerkserver via LoRa door te sturen naar de eindapparaten en vice versa.. Overeenkomstig, ze dienen als interface voor het veranderen van het fysieke medium. Sta aan het einde dan de eindapparaten die communiceren met een of meer gateways om hun gegevens te verzenden. Het LoRaWAN-protocol is alleen tussen de gateway en de gebruikte eindapparaten. Voor de overige paden en dat formaat is geen standaard gedefinieerd, daarom, hangt af van de specifieke toepassingen die worden gebruikt.

In deze context, LoRaWAN neemt een aantal taken op zich, die hieronder verder worden uitgelegd. Dit omvat de verschillende communicatieklassen die worden gebruikt, gegevens kunnen op verschillende manieren worden verzonden, de twee opties voor het toevoegen van apparaten aan een LoRaWAN-applicatie, de versleuteling en integriteitscontrole van verzonden gegevens, en de verschillende MAC-opdrachten voor het besturen van de verbinding. Dit laatste wordt niet verder toegelicht omdat ze erg specifiek zijn en niet relevant voor dit werk.

2.1.3 LoRaWAN Gegevensoverdrachtsmodi

LoRaWAN ondersteunt drie verschillende modi voor gegevensoverdracht. Elk van deze Modi heeft specifieke gebruiksscenario's, evenals voor- en nadelen, die hieronder worden vermeld.

Klasse A, eerste klasse

Klasse A, eerste klasse modus is de primaire LoRaWAN-transmissiemodus die door alle eindapparaten wordt gebruikt en gateways moeten worden ondersteund. Het maakt bidirectionele communicatie mogelijk tussen terminal en gateway op basis van het ALOHA-principe. In het geval van LoRaWAN, dit betekent dat een terminal op elk moment gegevens kan verzenden, maar slechts voor twee korte intervallen na het verzenden van een datapakket kunnen ook gegevens worden ontvangen.

Het voordeel van deze modus is dat een eindapparaat alleen tijdens het verzenden van gegevens en kort daarna de LoRa-transceiver aanzet om een ​​antwoord te ontvangen. Dit betekent dat het meestal gedeactiveerd kan blijven, wat energie bespaart. Het nadeel, echter, is dat de terminal geen gegevens op alle andere momenten kan ontvangen. In aanvulling op, er kan slechts één worden ontvangen voor elk verzonden datapakket.

Klasse A-operatie, daarom, is het meest logisch wanneer voornamelijk uplink-berichten worden verzonden en zelden downlink-berichten. Aangezien LoRaWAN bij voorkeur in sensoren en vergelijkbare low-performance eindapparaten die normaal alleen statusinformatie leveren voor een eindtoepassing, voor de meeste eindapparaten wordt gebruikt, is de geprefereerde gegevensoverdrachtsmodus.

LoRaWAN transmission class a

Klasse B

Klasse B is een extensie die niet door eindapparaten hoeft te worden ondersteund. Door deze modus kunnen eindapparaten naast Klasse-A met regelmatige tussenpozen worden gebruikt. Ontvang data van de gateway zonder deze eerst zelf te moeten versturen. Naar het baken zendt elke. Een zogenaamd baken 128 s, die wat statusinformatie over de gateway bevat. Eindapparaten die dit ontvangen, kunnen vervolgens het baken en de ping-slot-periodiciteit gebruiken om de tijden te berekenen waarop gegevens kunnen worden ontvangen. Hierdoor zijn ze voor korte momenten op het juiste moment schakel de LoRa-transceiver in om alle aanwezige gegevens te ontvangen. Het proces wordt hieronder weergegeven.

LoRaWAN transmission class b

Klasse B biedt een goede balans tussen toegankelijkheid en energieverbruik, aangezien de periodiciteit van de ping-slots kan worden aangepast om te bepalen hoe vaak deze moet worden ontvangen. Dit betekent dat er meer energie wordt gebruikt dan voor puur Klasse A-bedrijf, maar er zijn nog steeds lange perioden waarin de LoRa-transceiver kan worden uitgeschakeld. Een ander voordeel van Klasse B is de mogelijkheid om gegevens op te slaan in 8 om multicast naar meerdere apparaten tegelijk te kunnen verzenden, zolang het adres en de sleutels hetzelfde zijn. Multicast-groepen kunnen, daarom, worden gemaakt.

Het gebruik van Klasse-B is zinvol als een apparaat vaker gegevens moet ontvangen zonder zelf gegevens te verzenden, maar het apparaat moet nog wel energiezuinig werken. Een typische toepassing zou zijn dat eindapparaten die regelmatig kunnen worden bestuurd zonder tijdkritisch te zijn.

Klasse-C

De laatste, ook optioneel, de transmissiemodus is Klasse-C. In deze, de schakelkast permanent bij ontvangst om op elk moment gegevens van de gateway te kunnen ontvangen. De optie van verzending met Klasse-A blijft zoals in de onderstaande afbeelding.

LoRaWAN transmission class c

Het voordeel van Class-C is dat gegevens op elk moment kunnen worden ontvangen. Echter, de prijs hiervoor is een hoog energieverbruik, aangezien het eindapparaat de LoRa-transceiver te allen tijde actief moet houden. Multicast LoRaWAN-verzending is hier ook mogelijk.

Klasse-C mag alleen worden gebruikt als grote hoeveelheden gegevens in korte tijd moeten worden overgedragen of als tijdkritische overdrachten plaatsvinden. Dergelijke eindapparaten moeten een permanente stroomvoorziening hebben, aangezien deze modus te veel energie verbruikt voor batterijwerking.