A capacidade mais importante dos dispositivos IoT é a comunicação. Existem diferentes protocolos com diferentes áreas de aplicação. Enquanto WiFi, Bluetooth, Zigbee ou outros padrões de rádio são frequentemente usados para curtas distâncias em casa, os dispositivos que precisam estar localizados em outros lugares usam tecnologias alternativas. Um desses grupos de tecnologias é a transmissão LoRaWAN. No entanto, estas têm a vantagem de um alcance significativamente maior e melhor eficiência energética do que a maioria dos outros padrões de rádio em detrimento da largura de banda. A imagem abaixo mostra LoRaWAN em comparação com alguns outros protocolos de comunicação sem fio. As tecnologias LoRaWAN são usadas principalmente quando os dispositivos finais são instalados em locais que só funcionam com outras tecnologias que são difíceis de alcançar, ou quando a eficiência energética é de grande importância. Neste caso, LoRaWAN é usado como tecnologia LPWAN.
No entanto, alcance e consumo de energia não são os únicos pontos importantes na IoT. Uma questão frequentemente negligenciada é a segurança dos dispositivos em rede. Somente entre 2017 e 2018, o número de malware conhecido para dispositivos IoT quase quadruplicou. Mas o malware não é a única ameaça. Muitos dispositivos IoT enviam dados de forma inadequada, causando ataques a esses dados e, portanto, também à infraestrutura de IoT. Espionagem, manipulação de dados e a tomada completa de sistemas são cenários de ataque exemplares.
Outro tópico relevante em segurança de IoT são as atualizações de firmware; elas permitem que os fabricantes adicionem novas funções aos dispositivos e, em caso de incidentes de segurança, os corrijam sem que o usuário precise intervir. É extremamente importante que as atualizações também sejam realizadas de forma segura, para que invasores não consigam injetar firmware falso no dispositivo.
Combinar atualizações de firmware e dispositivos finais que utilizam o protocolo LoRaWAN para transmissão de dados cria um desafio completamente novo. Enquanto para tecnologias baseadas em IP, como W-LAN, já existem algumas sugestões de protocolos específicos, as atualizações via LoRaWAN ainda são amplamente inexploradas. A razão pela qual os protocolos clássicos não podem ser utilizados reside nas restrições das tecnologias LoRaWAN. A LoRaWAN, por exemplo, apresenta altas limitações em termos de taxa de dados e velocidade de transmissão LoRaWAN, e não possui um protocolo de transporte padronizado que possa compensar as perdas na transmissão de dados.
Neste trabalho, uma aplicação específica é considerada e diversos tópicos de segurança de IoT são examinados. Foi desenvolvida uma caixa de correio inteligente, que notifica o usuário por meio de seu smartphone quando uma correspondência é recebida.
A ideia básica de uma caixa de correio inteligente é garantir que o usuário não precise abrir constantemente sua caixa de correio para verificar se há correspondência nela. Em vez disso, ele deve receber uma notificação em seu dispositivo móvel assim que houver correspondência na caixa de correio. Isso tem a vantagem de não desperdiçar tempo do usuário devido a caixas de correio que estão distantes ou que raramente contêm correspondências.
As funções do aplicativo são deliberadamente reduzidas devido ao foco em segurança e eficiência energética. Além disso, o aplicativo foi desenvolvido como uma "extensão". Deve ser possível fazer isso com pouco esforço por parte do usuário para instalar caixas de correio. Funcionamento a bateria e um formato compacto também são requisitos para o projeto.
Como mencionado anteriormente, o foco do trabalho está na segurança da IoT. Além disso, a eficiência energética é considerada. Dentre essas prioridades, vários subtópicos são examinados usando caixas de correio inteligentes, sendo o primeiro ponto a transmissão segura de dados criptografados E2E via LoRaWAN. Especialmente em caixas de correio em áreas públicas, é importante que um invasor não descubra se e quantos e-mails há nelas. Isso impede que alguém descubra facilmente se uma invasão valeria a pena. A proteção contra manipulação também é importante para evitar que o usuário receba informações falsas sobre o estado da caixa de correio. Além disso, é examinado até que ponto a negociação de chaves criptográficas para essas tarefas pode ser realizada de forma segura sem que o fabricante do dispositivo ou terceiros possam descobrir.
O próximo ponto principal da investigação são as atualizações seguras de firmware via LoRaWAN. Atualmente, não existe um padrão oficial para a transferência de firmware. Atualizações via LoRaWAN são uma das principais tarefas deste trabalho.
para projetar e testar. No final, a caixa de correio inteligente deve ser capaz de realizar atualizações de firmware via LoRaWAN sem intervenção do usuário. Essas atualizações também devem ser criptograficamente protegidas para evitar manipulação. Por fim, é examinado como a correspondência é enviada para um dispositivo de caixa de correio reconhecível. Diversas tecnologias foram examinadas e uma adequada foi identificada.
LoRaWAN é uma solução LoRaWAN para aplicações de IoT com pequena quantidade de dados, energeticamente eficiente e que pode ser transmitida sem fio por grandes distâncias. Consiste, por um lado, em rádio LoRa, um protocolo para transmissão física de dados LoRaWAN, e, por outro, no próprio LoRaWAN, um protocolo MAC baseado em LoRa, que cria e fornece um procedimento padronizado para a transferência de dados via LoRa. LoRaWAN, como um dos pontos-chave deste trabalho, foi utilizado para comunicação com os dispositivos finais, incluindo a caixa de correio inteligente.
LoRa é um processo de modulação de frequência desenvolvido pela Semtech para permitir a comunicação sem fio entre dois parceiros de comunicação. Trata-se, portanto, de um protocolo físico (camada OSI 1), que assume apenas a modulação da transmissão física de dados. LoRa utiliza chirps modulados em frequência para codificar símbolos. A modulação de chirps utilizada utiliza "chirps" para transmitir símbolos. A frequência é alterada continuamente na largura de banda ao longo de um período de tempo definido. Os símbolos transferidos são definidos aproximadamente no início do chirp.
As principais vantagens que esta modulação oferece em comparação com FSK ou PSK são o longo alcance e a robustez contra ruído. Ambos são baseados no fator de espalhamento e na largura de banda utilizada. O fator de espalhamento determina a duração de um único chirp, ou seja, a sua amplitude de propagação. Um fator mais alto significa símbolos mais amplos, o que garante maiores alcances de transmissão LoRaWAN, mas também uma transmissão de dados mais lenta. Em LoRa, são definidos fatores de espalhamento de 7 a 12, o que significa que é possível atingir velocidades de transmissão LoRaWAN de um máximo de 37.5 kbit/s a um mínimo de 300 bits/s. A largura de banda é fixada em 125 kHz, 250 kHz ou 500 kHz e também influencia o alcance e a velocidade do sinal. A escolha concreta destes parâmetros é determinada pela LoRaWAN.
As frequências que o LoRa utiliza dependem da região. Na Europa, é possível enviar em 868 MHz ou 433 MHz. É importante mencionar que essas frequências são espectros livres de licença, portanto, não há taxa de licença para usá-las. Para compensar isso, aplique restrições temporais de envio que todos os dispositivos devem respeitar. Essas restrições variam entre 0.1% e 10%, dependendo da frequência utilizada.
LoRaWAN é um protocolo MAC (camada 2 do protocolo OSI) baseado em LoRa (mas também pode ser usado com FSK) e que contém alguns elementos de um protocolo de rede (camada 3 do protocolo OSI). Ele define um formato de mensagem, bem como comandos MAC para controlar a transferência. Os parâmetros para a transmissão LoRa subjacente também são determinados pelo LoRaWAN. A primeira parte é a especificação propriamente dita, que define os formatos de mensagem, os comandos MAC e a sequência. Os parâmetros regionais, com as configurações específicas para LoRa, bem como alguns ajustes ou adições ao protocolo LoRaWAN, estão disponíveis como uma extensão definida dependendo da respectiva região.
Uma rede LoRaWAN consiste em vários grupos de participantes e é organizada em uma topologia estrela por estrela, como mostrado na Figura 5. No meio está o servidor de rede, que administra a rede LoRaWAN do lado do servidor e oferece uma API para aplicativos clientes. Ele gerencia os aplicativos LoRaWAN e envia e recebe mensagens. Este servidor se comunica com vários gateways por meio de uma conexão IP. Sua principal tarefa é encaminhar os pacotes LoRaWAN recebidos do servidor de rede para os dispositivos finais via LoRa e vice-versa. Assim, eles servem como uma interface para a troca de mídia física. Eles ficam na extremidade dos dispositivos finais que se comunicam com um ou mais gateways para transmitir seus dados. O protocolo LoRaWAN é usado apenas entre o gateway e os dispositivos finais. Nenhum padrão é definido para os caminhos restantes e, portanto, esse formato depende dos aplicativos específicos usados.
Nesse contexto, o LoRaWAN assume algumas tarefas, que serão explicadas mais adiante. Isso inclui as diferentes classes de comunicação utilizadas (os dados podem ser transmitidos de diferentes maneiras), as duas opções para adicionar dispositivos a uma aplicação LoRaWAN, a criptografia e a verificação de integridade dos dados transmitidos, e os diversos comandos MAC para controlar a conexão. Estes últimos não serão explicados com mais detalhes, pois são muito específicos e não são relevantes para este trabalho.
A LoRaWAN suporta três modos diferentes de transmissão de dados. Cada um desses modos possui casos de uso específicos, além de vantagens e desvantagens, listadas abaixo.
O modo Classe A é o modo de transmissão LoRaWAN principal, utilizado por todos os dispositivos finais e gateways, que devem ser compatíveis. Ele permite a comunicação bidirecional entre o terminal e o gateway, baseada no princípio ALOHA. No caso do LoRaWAN, isso significa que um terminal pode enviar dados a qualquer momento, mas só pode receber dados durante dois breves intervalos de uma unidade após o envio de um pacote de dados.
A vantagem deste modo é que um dispositivo terminal só recebe uma resposta enquanto envia dados e, logo após, liga o transceptor LoRa para receber uma resposta. Isso significa que ele pode permanecer desativado na maior parte do tempo, o que economiza energia. A desvantagem, no entanto, é que o terminal não pode receber dados em todos os outros momentos. Além disso, apenas um pacote de dados pode ser recebido para cada pacote de dados enviado.
A operação de Classe A, portanto, faz mais sentido quando se envia principalmente mensagens de uplink e raramente mensagens de downlink. Como o LoRaWAN é usado preferencialmente em sensores e dispositivos finais similares de baixo desempenho, que normalmente fornecem apenas informações de status para uma aplicação final, o modo de transferência de dados preferido para a maioria dos dispositivos finais é o .
A Classe B é uma extensão que não precisa ser suportada pelos dispositivos finais. Este modo pode ser usado pelos dispositivos finais, além da Classe A, em intervalos regulares. Receba dados do gateway sem precisar enviá-los primeiro. O beacon envia um chamado beacon a cada 128 s, que contém algumas informações de status sobre o gateway. Os dispositivos finais que recebem isso podem então usar o beacon e a periodicidade do slot de ping para calcular os horários em que os dados podem ser recebidos. Isso permite que eles liguem o transceptor LoRa no momento certo por breves instantes para receber quaisquer dados que possam estar presentes. O processo é mostrado abaixo.
A Classe B oferece um bom equilíbrio entre acessibilidade e consumo de energia, já que a periodicidade do slot de ping pode ser ajustada para controlar a frequência de recebimento. Isso significa que mais energia é consumida do que na operação Classe A pura, mas ainda há longos períodos em que o transceptor LoRa pode ser desligado. Outra vantagem da Classe B é a capacidade de armazenar dados em 8 bits para permitir a transmissão multicast para vários dispositivos simultaneamente, desde que o endereço e as chaves sejam os mesmos. Portanto, grupos multicast podem ser criados.
O uso da Classe B faz sentido se um dispositivo precisa receber dados com mais frequência sem enviá-los ele mesmo, mas ainda precisa operar com eficiência energética. Uma aplicação típica seriam dispositivos finais que podem ser controlados regularmente sem serem críticos em termos de tempo.
O último modo de transmissão, também opcional, é a Classe C. Neste modo, o terminal de comutação fica permanentemente em recepção para poder receber dados do gateway a qualquer momento. A opção de transmissão com Classe A permanece, como na imagem abaixo.
A vantagem da Classe C é que os dados podem ser recebidos a qualquer momento. No entanto, o preço disso é um alto consumo de energia, já que o dispositivo final precisa manter o transceptor LoRa ativo o tempo todo. A transmissão multicast LoRaWAN também é possível aqui.
A Classe C só deve ser usada quando grandes volumes de dados precisam ser transferidos em um curto período de tempo ou quando ocorrem transferências com tempo crítico. Esses dispositivos finais devem ter uma fonte de alimentação permanente, pois esse modo consome muita energia para operação com bateria.
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