Najważniejszą zdolnością urządzeń IoT jest komunikacja. istnieją różne protokoły z różnymi obszarami zastosowań. Podczas gdy Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee lub inne standardy radiowe są często używane na krótkich dystansach w domu, urządzenia muszą znajdować się w innym miejscu, korzystać z alternatywnych technologii. Taką grupą technologii jest transmisja LoRaWAN. jednak, mają one tę zaletę, że mają znacznie większy zasięg i lepszą wydajność energetyczną niż większość innych standardów radiowych kosztem przepustowości. Poniższy rysunek przedstawia LoRaWAN w porównaniu z niektórymi innymi protokołami komunikacji bezprzewodowej. Technologie LoRaWAN są najczęściej wykorzystywane, gdy urządzenia końcowe są instalowane w lokalizacjach, które współpracują tylko z innymi, trudnymi do osiągnięcia technologiami, lub gdy efektywność energetyczna ma ogromne znaczenie. W tym LoRaWAN jest używany jako technologia LPWAN.
jednak, zasięg i zużycie energii to nie jedyne ważne punkty w IoT. Często pomijaną kwestią jest bezpieczeństwo urządzeń sieciowych. Między 2017 i 2018 sam, liczba znanych szkodliwych programów dla urządzeń IoT wzrosła prawie czterokrotnie. Ale złośliwe oprogramowanie nie jest jedynym zagrożeniem. Wiele urządzeń IoT wysyła dane nieodpowiednio chronione, powodowanie ataków na te dane, a tym samym również na infrastrukturę IoT. Szpiegostwo, manipulacja danymi i całkowite przejęcie systemów to przykładowe scenariusze ataków.
Innym ważnym tematem w zakresie bezpieczeństwa IoT są aktualizacje oprogramowania układowego; umożliwiają producentom wprowadzanie nowych funkcji do urządzeń i, w przypadku incydentów bezpieczeństwa, aby je naprawić bez konieczności uaktywniania się użytkownika. Niezwykle ważne jest, aby aktualizacje były również przeprowadzane w bezpieczny sposób, aby osoby atakujące nie były w stanie wstrzyknąć fałszywego oprogramowania układowego do urządzenia.
Połączenie aktualizacji oprogramowania i urządzeń końcowych wykorzystujących protokół LoRaWAN do transmisji danych to zupełnie nowe wyzwanie. Podczas gdy dla technologii opartych na protokole IP, takie jak B. W-LAN, są już sugestie dotyczące konkretnych protokołów, aktualizacje przez LoRaWAN są nadal w dużej mierze niezbadane. Powodem, dla którego nie można zastosować klasycznych protokołów, są ograniczenia technologii LoRaWAN. LoRaWAN, na przykład, ma duże ograniczenia w zakresie przepływności danych i szybkości transmisji LoRaWAN oraz nie posiada wystandaryzowanego protokołu transportowego, co kompensuje straty w transmisji danych może.
1.1 Inteligentna skrzynka pocztowa
W tej pracy, rozważana jest konkretna aplikacja i badane są różne tematy bezpieczeństwa IoT. Opracowano inteligentną skrzynkę pocztową, który powiadamia użytkownika za pośrednictwem smartfona o otrzymaniu wiadomości w skrzynce pocztowej.
1.1.1 Przypadek użycia
Podstawową ideą inteligentnej skrzynki pocztowej jest upewnienie się, że użytkownik nie musi ciągle otwierać swojej skrzynki pocztowej, aby dowiedzieć się, czy jest w niej jakaś poczta. Zamiast, powinien otrzymać powiadomienie na swoje urządzenie mobilne, gdy tylko poczta pojawi się w skrzynce pocztowej. Ma to tę zaletę, że czas użytkownika nie jest niepotrzebny ze względu na skrzynki pocztowe znajdujące się daleko od użytkownika lub rzadko zawierające pocztę..
Funkcje aplikacji są celowo ograniczone ze względu na skupienie się na bezpieczeństwie i efektywności energetycznej. Dodatkowo, aplikacja została opracowana jako “rozbudowa”. Powinno to być możliwe przy niewielkim wysiłku ze strony użytkownika, aby zainstalować jakiekolwiek skrzynki na listy. Zasilanie bateryjne i mały współczynnik kształtu są zatem również wymaganiami dla projektu.
1.1.2 Badane tematy z transmisją LoRaWAN
Jak wcześniej wspomniano, praca skupia się na bezpieczeństwie IoT. Dodatkowo, brana jest pod uwagę efektywność energetyczna. Z tych priorytetów, istnieje kilka podtematów, które są badane za pomocą inteligentnej skrzynki pocztowej, a pierwszym punktem jest bezpieczeństwo, Transmisja danych zaszyfrowanych E2E LoRaWAN. Zwłaszcza w przypadku skrzynek pocztowych w miejscach publicznych, ważne jest, aby atakujący nie dowiedział się, czy i ile poczty znajduje się w skrzynce pocztowej. Zapobiega to temu, kto może łatwo dowiedzieć się, czy warto byłoby włamać się. Ważna jest również ochrona przed manipulacją, aby uniemożliwić użytkownikowi otrzymanie fałszywych informacji o stanie skrzynki pocztowej. Dodatkowo, bada się, w jakim stopniu negocjowanie kluczy kryptograficznych do tych zadań jest bezpiecznym sposobem, może być przeprowadzone bez możliwości dowiedzenia się przez producenta urządzenia lub osoby trzecie.
Kolejnym głównym punktem dochodzenia są bezpieczne aktualizacje oprogramowania układowego za pośrednictwem LoRaWAN. Obecnie nie ma oficjalnego standardu dotyczącego przesyłania oprogramowania układowego. Aktualizacje przez LoRaWAN. Pod tym względem, jest to jedno z głównych zadań tej pracy
zaprojektować i przetestować. Na końcu, inteligentna skrzynka pocztowa powinna być w stanie przeprowadzać aktualizacje oprogramowania układowego przez LoRaWAN bez interwencji użytkownika. Te aktualizacje muszą być również zabezpieczone kryptograficznie, aby zapobiec manipulacji. Wreszcie, sprawdza się, w jaki sposób poczta jest wrzucana do urządzenia skrzynki pocztowej, które można rozpoznać. Zbadano różne technologie i zidentyfikowano odpowiednią.
2.1 LoRaWAN
LoRaWAN to rozwiązanie LoRaWAN dla aplikacji IoT z niewielką ilością danych, energooszczędne i mogące być przesyłane bezprzewodowo na duże odległości. Składa się z jednej ręki radia LoRa, protokół do fizycznej transmisji danych LoRaWAN a z drugiej strony sam LoRaWAN, protokół MAC oparty na LoRa buduje i zapewnia ustandaryzowaną procedurę przesyłania danych przez LoRa. LoRaWAN, jako jeden z kluczowych punktów w tej pracy, służył do komunikacji z urządzeniami końcowymi, w tym inteligentna skrzynka pocztowa.
2.1.1 Co to jest LoRa
LoRa to proces modulacji częstotliwości opracowany przez firmę Semtech, dozwolona bezprzewodowa komunikacja między dwoma partnerami komunikacyjnymi. To jest, w związku z tym, protokół fizyczny (Warstwa OSI 1), która przejmuje jedynie modulację fizycznej transmisji danych. LoRa wykorzystuje ćwierkanie o modulowanej częstotliwości do kodowania symboli. Zastosowana modulacja chirp wykorzystuje „chirp” do przesyłania symboli. Częstotliwość zmienia się w sposób ciągły w całym paśmie przez określony czas. Przesyłane symbole dotyczą początku ćwierkania są zdefiniowane.
Główne zalety tej modulacji w porównaniu z FSK lub PSK to duży zasięg i odporność na hałas. Oba pochodzą z zastosowanego współczynnika rozprzestrzeniania i przepustowości. Współczynnik rozprzestrzeniania określa, jak długo trwa pojedynczy ćwierkanie, czyli jak szeroko się rozprzestrzenia”. Wyższy współczynnik oznacza szersze symbole, co zapewnia dłuższe zasięgi transmisji LoRaWAN, ale też wolniejsza transmisja danych. W LoRa współczynniki rozprzestrzeniania od 7 do 12 definiuje, co oznacza prędkość transmisji LoRaWAN od maksymalnie 37.5 kbit / s do minimum 300 fragment / s można osiągnąć. Przepustowość jest ustalona na 125 kHz, 250 kHz lub 500 kHz, a także wpływa na zasięg i prędkość sygnału. O konkretnym doborze tych parametrów decyduje LoRaWAN.
Częstotliwości, z których korzysta LoRa, zależą od regionu. W Europie, możesz 868 MHz lub at 433 Można wysyłać MHz. Należy wspomnieć, że te częstotliwości są widmami wolnymi od licencji, więc nie ma opłaty licencyjnej za ich używanie. Aby to zrekompensować, zastosuj tymczasowe, wysyłać ograniczenia, których muszą przestrzegać wszystkie urządzenia. Są to między 0.1% i 10%, w zależności od używanej częstotliwości.
2.1.2 Co jest LoRaWAN
LoRaWAN to protokół MAC (Warstwa OSI 2), który jest oparty na LoRa (ale również z FSK może być używany), a także niektóre elementy protokołu sieciowego (Warstwa OSI 3) zawiera. Definiuje format wiadomości, a także komendy MAC do sterowania transferem. Parametry podstawowej transmisji LoRa są również określane przez LoRaWAN. Pierwsza część to rzeczywista specyfikacja, który definiuje formaty wiadomości, polecenia MAC, i sekwencja. Parametry regionalne, jakie konkretne ustawienia dla LoRa, a także pewne poprawki lub dodatki do protokołu LoRaWAN, są dostępne jako rozszerzenie zdefiniuj w zależności od danego regionu.
Sieć LoRaWAN składa się z kilku grup uczestników i jest zorganizowana w topologii gwiazda po gwieździe, jak pokazano na rysunku 5. W środku jest serwer sieciowy, która jest administracją po stronie serwera siecią LoRaWAN i oferuje API dla aplikacji klienckich. Zarządzaj aplikacjami LoRaWAN oraz wysyłaj i wysyłaj wiadomości do odbioru. Ten serwer komunikuje się z kilkoma bramami za pośrednictwem połączenia IP. Ich podstawowym zadaniem jest przekazywanie pakietów LoRaWAN odebranych z serwera sieciowego do urządzeń końcowych za pośrednictwem LoRa i odwrotnie. Odpowiednio, służą jako interfejs do zmiany medium fizycznego. Stań na końcu niż urządzenia końcowe, które komunikują się z jedną lub kilkoma bramami w celu przesyłania swoich danych. Protokół LoRaWAN jest tylko pomiędzy bramą a używanymi urządzeniami końcowymi. Nie zdefiniowano standardu dla pozostałych ścieżek i tego formatu, w związku z tym, zależy od konkretnych używanych aplikacji.
W tym kontekście, LoRaWAN przejmuje niektóre zadania, które są wyjaśnione dalej poniżej. Obejmuje to różne klasy komunikacji, w których wykorzystywane są dane, które mogą być przesyłane na różne sposoby, dwie opcje dodawania urządzeń do aplikacji LoRaWAN, szyfrowanie i sprawdzanie integralności przesyłanych danych, i różne polecenia MAC do kontrolowania połączenia. Te ostatnie nie będą dalej wyjaśniane, ponieważ są bardzo specyficzne i nie mają związku z tą pracą.
2.1.3 Tryby transmisji danych LoRaWAN
LoRaWAN obsługuje trzy różne tryby transmisji danych. Każdy z tych Modi ma określone przypadki użycia, a także zalety i wady, które są wymienione poniżej.
Klasa A
Klasa A tryb jest podstawowym trybem transmisji LoRaWAN używanym przez wszystkie urządzenia końcowe, a bramy muszą być obsługiwane. Umożliwia dwukierunkową komunikację między terminalem a bramą w oparciu o zasadę ALOHA. W przypadku LoRaWAN, oznacza to, że terminal może wysyłać dane w dowolnym momencie, ale tylko przez dwa krótkie Interwały po wysłaniu pakietu danych można również odbierać dane.
Zaletą tego trybu jest to, że urządzenie końcowe tylko podczas wysyłania danych i krótko po tym włącza się transceiver LoRa w celu odebrania odpowiedzi.. Oznacza to, że przez większość czasu może pozostać nieaktywny, co oszczędza energię. Wada, jednak, jest to, że terminal nie ma żadnych danych przez cały czas, który może odbierać. Dodatkowo, tylko jeden może zostać odebrany dla każdego wysłanego pakietu danych.
Operacja klasy A, w związku z tym, ma to największy sens, gdy wysyłasz głównie wiadomości uplink i rzadko wiadomości downlink. Ponieważ LoRaWAN najlepiej w czujnikach i podobnych urządzeniach końcowych o niskiej wydajności, które zwykle dostarczają tylko informacje o stanie aplikacji końcowej, jest używany w większości urządzeń końcowych, preferowany tryb przesyłania danych.
Klasa B
Klasa B to rozszerzenie, które nie musi być obsługiwane przez urządzenia końcowe. W tym trybie mogą być używane przez urządzenia końcowe oprócz klasy A w regularnych odstępach czasu. Odbieraj dane z bramki bez konieczności uprzedniego ich samodzielnego wysyłania. Do beacon wysyła tak zwany beacon co 128 s, który zawiera informacje o stanie bramy. Urządzenia końcowe, które to otrzymają, mogą następnie użyć sygnału nawigacyjnego i okresowości szczeliny ping do obliczenia czasu, w którym dane mogą być odbierane. Dzięki temu mogą być we właściwym czasie na krótkie chwile, włącz transceiver LoRa, aby otrzymać dowolne dane, które mogą być obecne. Proces pokazano poniżej.
Klasa B zapewnia dobrą równowagę między dostępnością a zużyciem energii, ponieważ częstotliwość szczeliny ping można regulować, aby kontrolować, jak często powinien być odbierany. Oznacza to, że zużywa się więcej energii niż przy pracy w czystej klasie A, ale nadal są długie okresy, w których transceiver LoRa można wyłączyć. Kolejną zaletą klasy B jest możliwość przechowywania danych w 8 aby móc transmitować multicast do kilku urządzeń jednocześnie, o ile adres i klucze są takie same. Grupy multiemisji mogą, w związku z tym, bądź kreatywny.
Użycie klasy B ma sens, jeśli urządzenie musi częściej odbierać dane bez samego wysyłania danych, ale urządzenie nadal musi pracować energooszczędnie. Typową aplikacją byłyby urządzenia końcowe, które można kontrolować bez konieczności krytycznego czasu.
Klasa-C
Ostatni, również opcjonalnie, tryb transmisji to klasa C. W tym, terminal przełącza na stałe w odbiorze, aby w każdej chwili móc odbierać dane z bramki. Opcja transmisji w klasie A pozostaje jak na poniższym obrazku.
Zaletą klasy C jest to, że dane mogą być odbierane w dowolnym momencie. jednak, ceną za to jest wysokie zużycie energii, ponieważ urządzenie końcowe musi utrzymywać transceiver LoRa cały czas aktywny. Możliwa jest również transmisja multicast LoRaWAN.
Klasa C powinna być używana tylko wtedy, gdy duże ilości danych muszą być przesyłane w krótkim czasie lub gdy występują transfery krytyczne czasowo. Takie urządzenia końcowe powinny mieć stałe zasilanie, ponieważ tryb ten zużywa zbyt dużo energii do pracy z baterii.
