Kiểm tra các chủ đề với tốc độ truyền LoRaWAN

Truyền LoRaWAN

Khả năng quan trọng nhất của thiết bị IoT là khả năng giao tiếp. có các giao thức khác nhau với các lĩnh vực ứng dụng khác nhau. Trong khi WiFi, Bluetooth, Zigbee hoặc các tiêu chuẩn radio khác thường được sử dụng cho khoảng cách ngắn trong nhà, thiết bị phải được đặt ở nơi khác sử dụng các công nghệ thay thế. Một nhóm công nghệ như vậy là truyền LoRaWAN. Tuy nhiên, chúng có lợi thế là phạm vi xa hơn đáng kể và hiệu quả năng lượng tốt hơn hầu hết các tiêu chuẩn vô tuyến khác với chi phí băng thông. Hình ảnh bên dưới cho thấy LoRaWAN so với một số giao thức truyền thông không dây khác. Công nghệ LoRaWAN chủ yếu được sử dụng khi các thiết bị đầu cuối được lắp đặt ở những vị trí chỉ hoạt động với các công nghệ khác khó đạt được, hoặc khi hiệu quả năng lượng có tầm quan trọng lớn. Trong LoRaWAN này được sử dụng làm công nghệ LPWAN.

Tuy nhiên, phạm vi và mức tiêu thụ điện năng không phải là những điểm quan trọng duy nhất trong IoT. Một vấn đề thường bị bỏ qua là bảo mật của các thiết bị nối mạng. Giữa 2017 và 2018 một mình, số lượng phần mềm độc hại đã biết cho các thiết bị IoT tăng gần gấp bốn lần. Nhưng phần mềm độc hại không phải là mối đe dọa duy nhất. Rất nhiều thiết bị IoT gửi dữ liệu được bảo vệ không đầy đủ, gây ra các cuộc tấn công vào dữ liệu đó và do đó cũng trên cơ sở hạ tầng IoT. Gián điệp, thao tác dữ liệu và tiếp quản hoàn toàn hệ thống là các kịch bản tấn công điển hình.

Một chủ đề có liên quan khác trong bảo mật IoT là cập nhật chương trình cơ sở; chúng cho phép các nhà sản xuất đưa các chức năng mới vào thiết bị và, trong trường hợp có sự cố an ninh, để khắc phục chúng mà người dùng không cần phải hoạt động. Điều cực kỳ quan trọng là các bản cập nhật cũng phải được thực hiện một cách an toàn để những kẻ tấn công không thể đưa phần mềm giả vào thiết bị.

Việc kết hợp cập nhật chương trình cơ sở và thiết bị đầu cuối sử dụng giao thức LoRaWAN để truyền dữ liệu tạo ra một thách thức hoàn toàn mới. Trong khi đối với các công nghệ dựa trên IP, chẳng hạn như B. W-LAN, đã có một số đề xuất cho các giao thức cụ thể, các bản cập nhật qua LoRaWAN phần lớn vẫn chưa được khám phá. Lý do mà các giao thức cổ điển không thể được sử dụng có thể được tìm thấy trong các hạn chế của công nghệ LoRaWAN. LoRaWAN, ví dụ, có những hạn chế cao về tốc độ dữ liệu và tốc độ truyền LoRaWAN và không có giao thức truyền tải tiêu chuẩn hóa, bù đắp cho những mất mát trong quá trình truyền dữ liệu có thể.

1.1 Hộp thư thông minh

Trong công việc này, một ứng dụng cụ thể được xem xét và các chủ đề khác nhau về bảo mật IoT được kiểm tra. Một hộp thư thông minh đã được phát triển, thông báo cho người dùng qua điện thoại thông minh của họ khi đã nhận được thư trong hộp thư.

1.1.1 Ca sử dụng

Ý tưởng cơ bản của hộp thư thông minh là đảm bảo rằng người dùng không phải liên tục mở hộp thư của mình để tìm xem có thư nào trong đó không. Thay thế, anh ấy sẽ nhận được thông báo trên thiết bị di động của mình ngay khi có thư trong hộp thư. Điều này có ưu điểm là thời gian của người dùng không cần thiết do các hộp thư ở xa người dùng hoặc hiếm khi chứa thư..

Các chức năng của ứng dụng được cố ý giữ nhỏ vì tập trung vào bảo mật và hiệu quả năng lượng. Ngoài ra, ứng dụng được phát triển như một “sự mở rộng”. Người dùng có thể thực hiện việc này mà không cần cố gắng cài đặt bất kỳ hộp thư nào. Do đó, hoạt động bằng pin và một hệ số hình thức nhỏ cũng là yêu cầu đối với dự án.

1.1.2 Các chủ đề đã kiểm tra với truyền LoRaWAN

Như đã đề cập trước đây, trọng tâm của công việc là về bảo mật IoT. Ngoài ra, hiệu quả năng lượng được coi là. Từ những ưu tiên này, có một số chủ đề phụ được kiểm tra bằng cách sử dụng hộp thư thông minh, điểm đầu tiên là sự an toàn, Truyền dữ liệu được mã hóa E2E LoRaWAN. Đặc biệt với hộp thư ở các khu vực công cộng, điều quan trọng là kẻ tấn công không phát hiện ra có thể xác định xem và có bao nhiêu thư trong hộp thư. Điều này ngăn cản những người có thể dễ dàng tìm ra liệu một cuộc đột nhập có đáng giá hay không. Việc bảo vệ chống lại thao tác cũng rất quan trọng để ngăn người dùng nhận được thông tin sai lệch về tình trạng của hộp thư. Ngoài ra, nó được kiểm tra mức độ thương lượng của các khóa mật mã cho các nhiệm vụ này là một cách an toàn có thể được thực hiện mà nhà sản xuất thiết bị hoặc các bên thứ ba có thể phát hiện ra..

Điểm chính tiếp theo của cuộc điều tra là các bản cập nhật firmware an toàn qua LoRaWAN. Hiện tại không có tiêu chuẩn chính thức nào liên quan đến việc chuyển giao phần sụn. Cập nhật qua LoRaWAN. Riêng về mặt này, nó là một trong những nhiệm vụ chính của công việc này
để thiết kế và thử nghiệm. đến cuối cùng, hộp thư thông minh sẽ có thể thực hiện cập nhật chương trình cơ sở qua LoRaWAN mà không cần sự can thiệp của người dùng. Các bản cập nhật này cũng phải được bảo mật bằng mật mã để ngăn chặn thao tác. Cuối cùng, nó được kiểm tra cách thư được ném vào một thiết bị hộp thư có thể được nhận dạng. Các công nghệ khác nhau đã được kiểm tra và một công nghệ phù hợp đã được xác định.

2.1 LoRaWAN

LoRaWAN là một giải pháp LoRaWAN cho các ứng dụng IoT với lượng dữ liệu nhỏ tiết kiệm năng lượng và có thể được truyền không dây trên khoảng cách lớn. Nó bao gồm một mặt của đài LoRa, một giao thức để truyền dữ liệu vật lý LoRaWAN và mặt khác của chính LoRaWAN, một giao thức MAC dựa trên LoRa được xây dựng và cung cấp một quy trình chuẩn hóa để truyền dữ liệu qua LoRa. LoRaWAN, là một trong những điểm chính trong công việc này, được sử dụng để giao tiếp với các thiết bị cuối, bao gồm cả hộp thư thông minh.

2.1.1 LoRa là gì

LoRa là một quy trình điều chế tần số được phát triển bởi Semtech truyền thông không dây giữa hai đối tác truyền thông được phép. Nó là, vì thế, một giao thức vật lý (Lớp OSI 1), mà chỉ đảm nhận việc điều chế việc truyền dữ liệu vật lý. LoRa sử dụng tiếng kêu được điều chế tần số để mã hóa các ký hiệu. Điều chế chirp được sử dụng sử dụng "chirps" để truyền các ký hiệu. Tần số được thay đổi liên tục trên băng thông trong một khoảng thời gian xác định. Các ký hiệu được chuyển về sự bắt đầu của tiếng kêu được xác định.

Những lợi thế chính mà điều chế này mang lại so với FSK hoặc PSK là phạm vi xa và độ bền chống nhiễu. Cả hai đều từ yếu tố lan truyền và băng thông được sử dụng. Yếu tố lan truyền xác định thời gian kéo dài của một tiếng kêu, tức là nó đang lan rộng như thế nào ”. Hệ số cao hơn có nghĩa là các ký hiệu rộng hơn, đảm bảo phạm vi truyền LoRaWAN dài hơn, nhưng cũng truyền dữ liệu chậm hơn. Trong LoRa các yếu tố lan truyền từ 7 đến 12 được định nghĩa, có nghĩa là tốc độ truyền LoRaWAN từ tối đa 37.5 kbit / s tối thiểu là 300 bit / s có thể đạt được. Băng thông được cố định ở 125 kHz, 250 kHz hoặc 500 kHz và cũng ảnh hưởng đến phạm vi và tốc độ của tín hiệu. Sự lựa chọn cụ thể của các thông số này được xác định bởi LoRaWAN.

Các tần số mà LoRa sử dụng phụ thuộc vào khu vực. Ở châu Âu, bạn có thể 868 MHz hoặc tại 433 MHz có thể được gửi. Điều quan trọng cần đề cập là các tần số này là phổ không có giấy phép, vì vậy không có phí cấp phép để sử dụng chúng. Để bù đắp cho điều này, áp dụng thời gian, gửi các hạn chế mà tất cả các thiết bị phải tuân theo. Đây là giữa 0.1% và 10%, tùy thuộc vào tần suất sử dụng.

2.1.2 Những gì là LoRaWAN

LoRaWAN là một giao thức MAC (Lớp OSI 2), dựa trên LoRa (nhưng với FSK cũng có thể được sử dụng), và một số yếu tố của giao thức mạng (Lớp OSI 3) chứa đựng. Nó xác định một định dạng tin nhắn, cũng như các lệnh MAC để kiểm soát việc chuyển. Các tham số cho quá trình truyền LoRa bên dưới cũng được xác định bởi LoRaWAN. Phần đầu tiên là thông số kỹ thuật thực tế, xác định các định dạng tin nhắn, các lệnh MAC, và trình tự. Các thông số khu vực, cài đặt cụ thể nào cho LoRa, cũng như một số điều chỉnh hoặc bổ sung cho giao thức LoRaWAN, có sẵn dưới dạng phần mở rộng được xác định tùy thuộc vào khu vực tương ứng.

Mạng LoRaWAN bao gồm một số nhóm người tham gia và được tổ chức theo cấu trúc liên kết từng sao, như thể hiện trong hình 5. Ở giữa là máy chủ mạng, là quản trị phía máy chủ của mạng LoRaWAN và cung cấp một API cho các ứng dụng khách. Quản lý các ứng dụng LoRaWAN và cả gửi và gửi tin nhắn để nhận. Máy chủ này giao tiếp với một số cổng thông qua kết nối IP. Nhiệm vụ chính của họ là chuyển tiếp các gói LoRaWAN nhận được từ máy chủ mạng đến thiết bị cuối thông qua LoRa và ngược lại. Theo đó, chúng phục vụ như một giao diện để thay đổi phương tiện vật lý. Đứng ở cuối thiết bị cuối giao tiếp với một hoặc nhiều cổng để truyền dữ liệu của chúng. Giao thức LoRaWAN chỉ giữa cổng và thiết bị cuối được sử dụng. Không có tiêu chuẩn nào được xác định cho các đường dẫn còn lại và định dạng đó, vì thế, phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể được sử dụng.

Trong ngữ cảnh này, LoRaWAN đảm nhận một số nhiệm vụ, được giải thích thêm bên dưới. Điều này bao gồm các lớp giao tiếp khác nhau được sử dụng dữ liệu có thể được truyền theo những cách khác nhau, hai tùy chọn để thêm thiết bị vào ứng dụng LoRaWAN, mã hóa và kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu được truyền, và các lệnh MAC khác nhau để kiểm soát kết nối. Phần sau sẽ không được giải thích thêm vì chúng rất cụ thể và không liên quan đến công việc này.

2.1.3 LoRaWAN Các chế độ truyền dữ liệu

LoRaWAN hỗ trợ ba chế độ khác nhau để truyền dữ liệu. Mỗi Modi này có các trường hợp sử dụng cụ thể, cũng như ưu nhược điểm, được liệt kê bên dưới.

Class-A

Class-A chế độ là chế độ truyền LoRaWAN chính được sử dụng bởi tất cả các thiết bị đầu cuối và các cổng phải được hỗ trợ. Nó cho phép giao tiếp hai chiều giữa thiết bị đầu cuối và cổng dựa trên nguyên tắc ALOHA. Trong trường hợp của LoRaWAN, điều này có nghĩa là một thiết bị đầu cuối có thể gửi dữ liệu bất cứ lúc nào, nhưng chỉ trong hai khoảng thời gian ngắn sau khi gửi gói dữ liệu cũng có thể nhận được dữ liệu.

Ưu điểm của chế độ này là thiết bị đầu cuối chỉ khi gửi dữ liệu và ngay sau khi bật bộ thu phát LoRa để nhận phản hồi. Điều này có nghĩa là nó có thể vẫn bị vô hiệu hóa hầu hết thời gian, giúp tiết kiệm năng lượng. Những bất lợi, Tuy nhiên, là thiết bị đầu cuối không có bất kỳ dữ liệu nào khác có thể nhận được. Ngoài ra, chỉ có thể nhận một cho mỗi gói dữ liệu được gửi trở thành.

Hoạt động loại A, vì thế, có ý nghĩa nhất khi chủ yếu gửi tin nhắn liên kết lên và hiếm khi gửi tin nhắn liên kết xuống. Vì LoRaWAN tốt hơn trong các cảm biến và các thiết bị cuối tương tự có hiệu suất thấp thường chỉ cung cấp thông tin trạng thái cho một ứng dụng cuối được sử dụng cho hầu hết các thiết bị cuối nên chế độ truyền dữ liệu được ưu tiên.

LoRaWAN transmission class a

Lớp B

Class-B là tiện ích mở rộng không cần thiết bị đầu cuối hỗ trợ. Bởi chế độ này có thể được sử dụng bởi các thiết bị cuối ngoài Class-A theo các khoảng thời gian đều đặn. Nhận dữ liệu từ cổng mà không phải tự gửi trước. Đến beacon gửi một cái gọi là beacon mỗi 128 S, chứa một số thông tin trạng thái về cổng. Sau đó, các thiết bị cuối nhận được thông báo này có thể sử dụng đèn hiệu và chu kỳ của khe ping để tính toán thời gian có thể nhận dữ liệu. Điều này cho phép họ đến đúng thời điểm trong những khoảnh khắc ngắn, bật bộ thu phát LoRa để nhận bất kỳ dữ liệu nào có thể có. Quy trình được hiển thị bên dưới.

LoRaWAN transmission class b

Class-B mang lại sự cân bằng tốt giữa khả năng tiếp cận và tiêu thụ năng lượng vì chu kỳ của khe ping có thể được điều chỉnh để kiểm soát tần suất nhận được. Điều này có nghĩa là năng lượng được sử dụng nhiều hơn so với hoạt động loại A thuần túy, nhưng vẫn có thời gian dài mà bộ thu phát LoRa có thể bị tắt. Một ưu điểm khác của Class-B là khả năng lưu trữ dữ liệu trong 8 để có thể truyền phát đa hướng đến nhiều thiết bị đồng thời, miễn là địa chỉ và khóa giống nhau. Nhóm Multicast có thể, vì thế, được tạo ra.

Việc sử dụng Class-B có ý nghĩa nếu một thiết bị phải nhận dữ liệu thường xuyên hơn mà không tự gửi dữ liệu, nhưng thiết bị vẫn phải hoạt động tiết kiệm năng lượng. Một ứng dụng điển hình sẽ là các thiết bị đầu cuối thường xuyên có thể được kiểm soát mà không quá quan trọng về thời gian.

Lớp C

Cuối cùng, cũng tùy chọn, chế độ truyền là Class-C. Trong này, thiết bị đầu cuối chuyển đổi vĩnh viễn khi tiếp nhận để có thể nhận dữ liệu từ cổng bất kỳ lúc nào. Tùy chọn truyền động với Class-A vẫn như trong hình bên dưới.

LoRaWAN transmission class c

Ưu điểm của Class-C là dữ liệu có thể được nhận bất cứ lúc nào. Tuy nhiên, cái giá phải trả cho việc này là tiêu thụ năng lượng cao, vì thiết bị cuối phải giữ cho bộ thu phát LoRa luôn hoạt động. Cũng có thể truyền Multicast LoRaWAN ở đây.

Class-C chỉ nên được sử dụng khi phải chuyển một lượng lớn dữ liệu trong một khoảng thời gian ngắn hoặc khi các quá trình chuyển giao quan trọng về thời gian xảy ra. Các thiết bị đầu cuối như vậy phải có nguồn điện thường xuyên vì chế độ này tiêu thụ quá nhiều năng lượng cho hoạt động của pin.