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物联网设备最重要的能力是通信能力。不同的协议适用于不同的应用领域。WiFi、蓝牙、Zigbee 或其他无线电标准通常用于家庭短距离连接，而设备必须放置在其他地方，则需要使用替代技术。LoRaWAN 传输就是这样一组技术。然而，这些技术的优势在于，与大多数其他无线电标准相比，其传输距离更长，能效更高，但带宽成本更高。下图展示了 LoRaWAN 与其他一些无线通信协议的对比。LoRaWAN 技术主要用于终端设备安装在难以与其他技术兼容的位置，或者能效至关重要的情况下。在这种情况下，LoRaWAN 被用作低功耗广域网 (LPWAN) 技术。
然而，覆盖范围和功耗并非物联网的唯一关键点。一个经常被忽视的问题是联网设备的安全性。仅在2017年至2018年间，已知的针对物联网设备的恶意软件数量就增加了近四倍。但恶意软件并非唯一的威胁。许多物联网设备发送的数据保护不足，导致这些数据受到攻击，进而也影响到物联网基础设施。间谍活动、数据操纵以及系统完全被接管都是典型的攻击场景。
物联网安全的另一个相关主题是固件更新；固件更新使制造商能够为设备添加新功能，并且在发生安全事件时，无需用户主动干预即可进行补救。以安全的方式进行更新也至关重要，这样攻击者就无法将伪造的固件注入设备。
将固件更新与使用 LoRaWAN 协议进行数据传输的终端设备相结合，带来了全新的挑战。虽然对于基于 IP 的技术（例如 B. W-LAN），已经有一些针对特定协议的建议，但通过 LoRaWAN 进行更新在很大程度上仍未得到探索。无法使用传统协议的原因在于 LoRaWAN 技术本身的限制。例如，LoRaWAN 在数据速率和 LoRaWAN 传输速度方面存在很大限制，并且没有标准化的传输协议来弥补数据传输中的损失。
1.1 智能邮箱
本研究考虑了一个具体的应用，并探讨了物联网安全的各种主题。我们开发了一个智能邮箱，当邮箱中收到邮件时，它会通过智能手机通知用户。
1.1.1 用例
智能邮箱的基本理念是确保用户无需频繁打开邮箱查看邮件，而是在邮箱收到邮件后立即在移动设备上收到通知。这样做的好处是，用户不会因为邮箱距离用户较远或邮件稀少而浪费时间。
由于注重安全性和能效，该应用程序的功能刻意保持精简。此外，该应用程序是作为“扩展”开发的。用户安装信箱时应该无需费力。因此，该项目还要求电池供电和小巧的外形尺寸。
1.1.2 考察LoRaWAN传输的主题
如前所述，这项工作的重点是物联网安全。此外，能源效率也受到重视。从这些优先事项出发，我们探讨了几个使用智能邮箱的子主题，其中首要的一点是安全的端到端加密 LoRaWAN 数据传输。尤其对于公共区域的邮箱，务必确保攻击者无法确定邮箱中是否有邮件以及邮件数量。这可以防止攻击者轻易发现邮箱是否值得入侵。防止篡改也很重要，以防止用户收到有关邮箱状况的虚假信息。此外，我们还探讨了这些任务的密钥协商在多大程度上是安全的，并且能够在不被设备制造商或第三方发现的情况下进行。
下一个重点研究方向是通过 LoRaWAN 进行安全固件更新。目前尚无关于固件传输的官方标准。通过 LoRaWAN 进行更新是这项工作的主要任务之一。
设计和测试。最终，智能邮箱应该能够通过 LoRaWAN 进行固件更新，无需用户干预。这些更新还必须采用加密保护，以防止篡改。最后，研究了如何将邮件投递到可识别的邮箱设备中。我们研究了各种技术，并确定了合适的方案。
2.1 罗拉万
LoRaWAN 是一种适用于物联网应用的 LoRaWAN 解决方案，其数据传输量小、节能高效，并支持远距离无线传输。它由 LoRa 无线电（一种用于 LoRaWAN 物理数据传输的协议）和 LoRaWAN 本身（一种基于 LoRa 构建的 MAC 协议）组成，该协议为通过 LoRa 进行数据传输提供了标准化的流程。作为本研究的重点之一，LoRaWAN 用于与包括智能邮箱在内的终端设备进行通信。
2.1.1 什么是LoRa
LoRa 是由 Semtech 开发的一种频率调制技术，允许两个通信伙伴之间进行无线通信。因此，它是一种物理协议（OSI 第 1 层），仅负责物理数据传输的调制。LoRa 使用频率调制的线性调频脉冲对符号进行编码。所使用的线性调频调制利用“线性调频”来传输符号。频率在规定的时间段内在整个带宽内连续变化。传输的符号在线性调频脉冲的起始处是规定的。
与 FSK 或 PSK 相比，这种调制的主要优势在于传输距离远和抗噪能力强。这两者都源于所使用的扩频因子和带宽。扩频因子决定单个啁啾的持续时间，即其扩展的宽度。扩频因子越高，符号越宽，从而确保 LoRaWAN 的传输距离更长，但数据传输速度也越慢。LoRa 中定义的扩频因子为 7 到 12，这意味着 LoRaWAN 的传输速度可以达到最高 37.5 kbit/s 到最低 300 bit/s。带宽固定为 125 kHz、250 kHz 或 500 kHz，这也会影响信号的范围和速度。这些参数的具体选择由 LoRaWAN 决定。
LoRa 使用的频率取决于地区。在欧洲，可以使用 868 MHz 或 433 MHz 进行发送。值得一提的是，这些频率是免许可频谱，因此使用它们无需支付许可费。为了弥补这一点，所有设备都必须遵守暂时的发送限制。根据使用的频率，这些限制在 0.1% 到 10% 之间。
2.1.2什么是 LoRaWAN
LoRaWAN 是一个基于 LoRa（也可使用 FSK 调制）的 MAC 协议（OSI 第 2 层），并包含一些网络协议（OSI 第 3 层）的元素。它定义了消息格式以及用于控制传输的 MAC 命令。LoRa 底层传输的参数也由 LoRaWAN 决定。第一部分是实际规范，定义了消息格式、MAC 命令和序列。区域参数，即针对 LoRa 的特定设置，以及对 LoRaWAN 协议的一些调整或补充，可根据相应区域进行扩展定义。
LoRaWAN 网络由多组参与者组成，采用星型拓扑结构，如图 5 所示。中间是网络服务器，它是 LoRaWAN 网络的服务器端管理，并为客户端应用程序提供 API。它管理 LoRaWAN 应用程序并发送和接收消息。该服务器通过 IP 连接与多个网关通信。它们的主要任务是将从网络服务器接收的 LoRaWAN 数据包通过 LoRa 转发到终端设备，反之亦然。因此，它们充当交换物理介质的接口。位于末端的是与一个或多个网关通信以传输数据的终端设备。LoRaWAN 协议仅在网关和所使用的终端设备之间运行。其余路径没有定义标准，因此格式取决于所使用的具体应用程序。
在此背景下，LoRaWAN 承担了一些任务，下文将进一步解释。这些任务包括：不同的通信类别（用于以不同的方式传输数据）、两种将设备添加到 LoRaWAN 应用程序的选项、传输数据的加密和完整性校验，以及用于控制连接的各种 MAC 命令。由于后者非常具体，与本文无关，因此不再赘述。
2.1.3 LoRaWAN数据传输模式
LoRaWAN 支持三种不同的数据传输模式。每种模式都有特定的用例以及优缺点，如下所示。
A级
A级 模式 是所有终端设备和网关必须支持的主要 LoRaWAN 传输模式。它允许终端和网关基于 ALOHA 原理进行双向通信。在 LoRaWAN 中，这意味着终端可以随时发送数据，但只有在发送数据包后的两个短暂的 1/2 间隔内才能接收数据。
这种模式的优点在于，终端设备仅在发送数据时才会开启LoRa收发器，并在发送后不久接收响应。这意味着它可以在大多数时间保持停用状态，从而节省能源。然而，缺点在于，终端在其他时间无法接收任何数据。此外，每个发送的数据包只能接收一个数据。
因此，A类操作在主要发送上行链路消息且很少发送下行链路消息时最有意义。由于LoRaWAN更适用于传感器和类似的低性能终端设备，这些设备通常仅为终端应用程序提供状态信息，因此对于大多数终端设备来说，A类操作是首选的数据传输模式。
B类
B类是一种扩展，无需终端设备支持。除了A类之外，终端设备还可以定期使用此模式。无需先自行发送数据，即可从网关接收数据。信标每128秒向网关发送一次信标，其中包含一些有关网关的状态信息。接收此信标的终端设备可以使用信标和ping时隙周期来计算可以接收数据的时间。这使得它们能够在短时间内在正确的时间启动LoRa收发器，接收可能存在的任何数据。该过程如下所示。
B类在可访问性和能耗之间实现了良好的平衡，因为可以调整ping时隙周期来控制接收频率。这意味着比纯A类操作消耗更多能量，但LoRa收发器仍然可以长时间关闭。B类的另一个优势是能够以8位存储数据，只要地址和密钥相同，就可以同时向多个设备发送多播。因此，可以创建多播组。
如果设备需要更频繁地接收数据而不发送数据，同时又需要高效运行，那么使用 B 类协议是合理的。典型的应用是那些可以控制但对时间要求不严格的常规终端设备。
C级
最后，也是可选的，传输模式是C类。在这种情况下，交换机终端始终处于接收状态，以便能够随时从网关接收数据。A类传输选项保持不变，如下图所示。
C类的优点是可以随时接收数据。然而，其代价是高能耗，因为终端设备必须始终保持LoRa收发器处于活动状态。此外，还可以进行多播LoRaWAN传输。
C类链路仅应在短时间内传输大量数据或对时间要求严格的传输情况下使用。此类终端设备应配备永久电源，因为此模式会消耗过多的电池电量。
