商家
物聯網設備最重要的能力是通訊能力。不同的協定適用於不同的應用領域。 WiFi、藍牙、Zigbee 或其他無線電標準通常用於家庭短距離連接，而設備必須放置在其他地方，則需要使用替代技術。 LoRaWAN 傳輸就是這樣一組技術。然而，這些技術的優勢在於，與大多數其他無線電標準相比，其傳輸距離更長，能源效率更高，但頻寬成本更高。下圖展示了 LoRaWAN 與其他一些無線通訊協定的對比。 LoRaWAN 技術主要用於終端設備安裝在難以與其他技術相容的位置，或者能源效率至關重要的情況下。在這種情況下，LoRaWAN 被用作低功耗廣域網路 (LPWAN) 技術。
然而，覆蓋範圍和功耗並非物聯網的唯一關鍵點。一個經常被忽略的問題是連網設備的安全性。光是2017年至2018年間，已知的針對物聯網裝置的惡意軟體數量就增加了近四倍。但惡意軟體並非唯一的威脅。許多物聯網設備發送的資料保護不足，導致這些資料受到攻擊，進而影響物聯網基礎設施。間諜活動、資料操縱以及系統完全被接管都是典型的攻擊場景。
物聯網安全的另一個相關主題是韌體更新；韌體更新使製造商能夠為設備添加新功能，並且在發生安全事件時，無需用戶主動幹預即可進行補救。以安全的方式進行更新也至關重要，這樣攻擊者就無法將偽造的韌體注入設備。
將韌體更新與使用 LoRaWAN 協定進行資料傳輸的終端設備結合，帶來了全新的挑戰。雖然對於基於 IP 的技術（例如 B. W-LAN），已經有一些針對特定協定的建議，但透過 LoRaWAN 進行更新在很大程度上仍未被探索。無法使用傳統協定的原因在於 LoRaWAN 技術本身的限制。例如，LoRaWAN 在資料速率和 LoRaWAN 傳輸速度方面存在很大限制，並且沒有標準化的傳輸協定來彌補資料傳輸中的損失。
1.1 智慧郵箱
本研究考慮了一個具體的應用，並探討了物聯網安全的各種主題。我們開發了一個智慧郵箱，當郵箱中收到郵件時，它會透過智慧型手機通知使用者。
1.1.1 用例
智慧郵箱的基本概念是確保使用者無需頻繁打開郵箱查看郵件，而是在郵箱收到郵件後立即在行動裝置上收到通知。這樣做的好處是，使用者不會因為郵箱距離使用者較遠或郵件稀少而浪費時間。
由於注重安全性和能效，該應用程式的功能刻意保持精簡。此外，該應用程式是作為「擴展」開發的。用戶安裝信箱時應無需費力。因此，該項目還要求電池供電和小巧的外形尺寸。
1.1.2 考察LoRaWAN傳輸的主題
如前所述，這項工作的重點是物聯網安全。此外，能源效率也受到重視。從這些優先事項出發，我們探討了幾個使用智慧型信箱的子主題，其中首要的一點是安全的端對端加密 LoRaWAN 資料傳輸。尤其對於公共區域的郵箱，務必確保攻擊者無法確定郵箱中是否有郵件以及郵件數量。這可以防止攻擊者輕易發現郵箱是否值得入侵。防止篡改也很重要，以防止使用者收到有關郵箱狀況的虛假資訊。此外，我們也探討了這些任務的金鑰協商在多大程度上是安全的，並且能夠在不被設備製造商或第三方發現的情況下進行。
下一個重點研究方向是透過 LoRaWAN 進行安全韌體更新。目前尚無關於韌體傳輸的官方標準。透過 LoRaWAN 進行更新是這項工作的主要任務之一。
設計和測試。最終，智慧郵箱應該能夠透過 LoRaWAN 進行韌體更新，無需用戶幹預。這些更新還必須採用加密保護，以防止篡改。最後，研究如何將郵件投遞到可識別的郵箱設備。我們研究了各種技術，並確定了合適的方案。
2.1 LoRaWAN
LoRaWAN 是一種適用於物聯網應用的 LoRaWAN 解決方案，其資料傳輸量小、節能高效，並支援遠距離無線傳輸。它由 LoRa 無線電（一種用於 LoRaWAN 實體資料傳輸的協定）和 LoRaWAN 本身（一種基於 LoRa 建構的 MAC 協定）組成，該協定為透過 LoRa 進行資料傳輸提供了標準化的流程。作為本研究的重點之一，LoRaWAN 用於與包括智慧郵箱在內的終端設備進行通訊。
2.1.1 什麼是LoRa
LoRa 是由 Semtech 開發的一種頻率調製技術，允許兩個通訊夥伴之間進行無線通訊。因此，它是一種實體協定（OSI 第 1 層），僅負責實體資料傳輸的調變。 LoRa 使用頻率調變的線性調頻脈衝對符號進行編碼。所使用的線性調頻調變利用“線性調頻”來傳輸符號。頻率在規定的時間段內在整個頻寬內連續變化。傳輸的符號在線性調頻脈衝的起始處是規定的。
與 FSK 或 PSK 相比，這種調製的主要優勢在於傳輸距離遠和抗噪能力強。這兩者都源自於所使用的擴頻因子和頻寬。擴頻因子決定單一啁啾的持續時間，即其擴展的寬度。擴頻因子越高，符號越寬，從而確保 LoRaWAN 的傳輸距離更長，但資料傳輸速度也越慢。 LoRa 中定義的擴頻因子為 7 到 12，這表示 LoRaWAN 的傳輸速度可以達到最高 37.5 kbit/s 到最低 300 bit/s。頻寬固定為 125 kHz、250 kHz 或 500 kHz，這也會影響訊號的範圍和速度。這些參數的特定選擇由 LoRaWAN 決定。
LoRa 使用的頻率取決於地區。在歐洲，可以使用 868 MHz 或 433 MHz 進行傳送。值得一提的是，這些頻率是免許可頻譜，因此使用它們無需支付許可費。為了彌補這一點，所有設備都必須遵守暫時的發送限制。根據使用的頻率，這些限制在 0.1% 到 10% 之間。
2.1.2 什麼是 廣域網
LoRaWAN 是一個基於 LoRa（也可使用 FSK 調變）的 MAC 協定（OSI 第 2 層），並包含一些網路協定（OSI 第 3 層）的元素。它定義了訊息格式以及用於控制傳輸的 MAC 命令。 LoRa 底層傳輸的參數也由 LoRaWAN 決定。第一部分是實際規範，定義了訊息格式、MAC 指令和序列。區域參數，即針對 LoRa 的特定設置，以及對 LoRaWAN 協定的一些調整或補充，可根據相應區域進行擴展定義。
LoRaWAN 網路由多組參與者組成，採用星型拓樸結構，如圖 5 所示。中間是網頁伺服器，它是 LoRaWAN 網路的伺服器端管理，並為客戶端應用程式提供 API。它管理 LoRaWAN 應用程式並發送和接收訊息。此伺服器透過 IP 連線與多個網關通訊。它們的主要任務是將從網路伺服器接收的 LoRaWAN 封包透過 LoRa 轉發到終端設備，反之亦然。因此，它們充當交換物理介質的介面。位於末端的是與一個或多個網關通訊以傳輸資料的終端設備。 LoRaWAN 協定僅在網關和所使用的終端設備之間運作。其餘路徑沒有定義標準，因此格式取決於所使用的特定應用程式。
在此背景下，LoRaWAN 承擔了一些任務，下文將進一步解釋。這些任務包括：不同的通訊類別（用於以不同的方式傳輸資料）、兩種將裝置新增至 LoRaWAN 應用程式的選項、傳輸資料的加密和完整性校驗，以及用於控制連線的各種 MAC 命令。由於後者非常具體，與本文無關，因此不再贅述。
2.1.3 LoRaWAN資料傳輸模式
LoRaWAN 支援三種不同的資料傳輸模式。每種模式都有特定的用例以及優缺點，如下所示。
A類
A類 模式 是所有終端設備和網關必須支援的主要 LoRaWAN 傳輸模式。它允許終端和網關基於 ALOHA 原理進行雙向通訊。在 LoRaWAN 中，這意味著終端可以隨時發送數據，但只有在發送資料包後的兩個短暫的 1/2 間隔內才能接收資料。
這種模式的優點在於，終端設備僅在發送資料時才會開啟LoRa收發器，並在發送後不久接收回應。這意味著它可以在大多數時間保持停用狀態，從而節省能源。然而，缺點在於，終端在其他時間無法接收任何資料。此外，每個發送的資料包只能接收一個資料。
因此，A類操作在主要發送上行鏈路訊息且很少發送下行鏈路訊息時最有意義。由於LoRaWAN更適用於感測器和類似的低性能終端設備，這些設備通常僅為終端應用程式提供狀態信息，因此對於大多數終端設備來說，A類操作是首選的數據傳輸模式。
B級
B類是一種擴展，無需終端設備支援。除了A類之外，終端設備還可以定期使用此模式。無需先自行傳送數據，即可從網關接收資料。信標每128秒向網關發送一次信標，其中包含一些有關網關的狀態資訊。接收此信標的終端設備可以使用信標和ping時隙週期來計算可以接收資料的時間。這使得它們能夠在短時間內在正確的時間啟動LoRa收發器，接收可能存在的任何資料。過程如下所示。
B類在可訪問性和能耗之間實現了良好的平衡，因為可以調整ping時隙週期來控制接收頻率。這意味著比純A類操作消耗更多能量，但LoRa收發器仍然可以長時間關閉。 B類的另一個優點是能夠以8位元儲存數據，只要位址和金鑰相同，就可以同時向多個裝置發送多重播放。因此，可以建立多播群組。
如果設備需要更頻繁地接收數據而不發送數據，同時又需要高效運行，那麼使用 B 類協定是合理的。典型的應用是那些可以控制但對時間要求不嚴格的常規終端設備。
C級
最後，也是可選的，傳輸模式是C類別。在這種情況下，交換器終端始終處於接收狀態，以便隨時從網關接收資料。 A類傳輸選項保持不變，如下圖所示。
C類的優點是可以隨時接收資料。然而，其代價是高能耗，因為終端設備必須始終保持LoRa收發器處於活動狀態。此外，還可以進行多重播送LoRaWAN傳輸。
C類鏈路僅應在短時間內傳輸大量資料或對時間要求嚴格的傳輸情況下使用。此類終端設備應配備永久電源，因為此模式會消耗過多的電池電量。
