針對低功耗物聯(lián)網(wǎng)應用的LoRaWAN 技術分析

　　安全性不足的物聯(lián)網(wǎng)設備會為網(wǎng)絡帶來多個漏洞。例如，如果攝像頭和打印機等設備可以被黑客入侵，則入侵者可以控制并使用它們來獲取有關公司的信息。在某些情況下，不安全的設備甚至可能允許黑客訪問主網(wǎng)絡，從而破壞公司的所有在線資產。

　　為了防止此類攻擊，開發(fā)人員需要同時在硬件和軟件中實現(xiàn)安全性。當使用無線通信時，這種做法就更為迫切，因為覆蓋范圍內的任何無線電都可讀取傳輸中的數(shù)據(jù)。

　　鎖定物聯(lián)網(wǎng)設備所面臨的部分挑戰(zhàn)是，處于邊緣的傳感器節(jié)點往往需要功耗很低且通常必須依靠電池運行數(shù)年。因此，任何安全實施方案都必須使功耗最小化。

　　LoRaWAN

　　如今，開發(fā)人員可以選擇一系列注重確保安全通信的無線標準，以便能夠專注于為應用增值，而不是重新發(fā)明如何安全地傳輸數(shù)據(jù)。例如，LoRaWAN 是一種用于 WAN 連接的低功耗協(xié)議，無需復雜的本地裝置即可提供設備之間的互操作性。其星形拓撲結構充當透明的橋梁，可在端節(jié)點與處理數(shù)據(jù)的后端服務器之間中繼消息。該協(xié)議適用于低功耗（即電池供電型）節(jié)點，并為需要更多基礎設施才能運行的無線技術提供了一種具有成本效益的高能效解決方案。

　　LoRaWAN 支持雙向通信。高級傳感器功能不僅需要從節(jié)點接收流數(shù)據(jù)，而且還要求能夠安全地傳輸?shù)礁鱾€節(jié)點。例如，雙向通信使開發(fā)人員能夠執(zhí)行空中下載 （OTA） 更新。OTA 可用于更新固件，從而可以使設備無需物理連接至節(jié)點，即可保持最新狀態(tài)。對于節(jié)點部署后可能不再易于接觸（因為安裝在遠程位置或更復雜系統(tǒng)基礎架構的深處）的應用，這種功能非常重要。

　　LoRaWAN 通過在標準內實現(xiàn)可靠的安全方案，簡化了安全物聯(lián)網(wǎng)設備的開發(fā)。由于專為低功耗運行而設計，LoRaWAN 以最小化功耗的方式實現(xiàn)了安全性，而不會損害低功耗節(jié)點的完整性、原真性或可靠性。這使得基于 LoRaWAN 的系統(tǒng)不僅可以保護數(shù)據(jù)完整性，而且還可以在需要時支持安全 OTA 更新。

　　LoRaWAN 具有兩個獨立的安全層（一個在網(wǎng)絡會話層，另一個在應用層）以確保通信不受影響。網(wǎng)絡層的安全功能用于驗證網(wǎng)絡內節(jié)點的原真性。然后，這個第一層會使不屬于網(wǎng)絡的設備脫離該網(wǎng)絡。如果沒有這一層，惡意設備將能夠通過假裝為真實設備來啟動與網(wǎng)絡上其他節(jié)點的安全對話。由于惡意設備無法加入網(wǎng)絡，因此它們無法打開與受保護設備的通信通道。

　　要加入網(wǎng)絡，設備必須具有允許加入的憑據(jù)。如果在制造過程中已知特定的 LoRaWAN 網(wǎng)絡，則可使用加入該網(wǎng)絡所需的身份驗證信息對設備進行出廠編程。

　　不過，在大多數(shù)使用情況下，需要將設備安全地添加到網(wǎng)絡中。為此，使用了空中身份認證 （OTAA）。使用 OTAA，可在需要時生成網(wǎng)絡和應用會話密鑰。這使用戶可以靈活地將設備加入 LoRaWAN 網(wǎng)絡，而無需事先知道是哪個網(wǎng)絡。

　　為了確保應用層的安全性，應用會話密鑰可用于對數(shù)據(jù)進行加密和解密，為在通道中傳播的數(shù)據(jù)提供保護。這可確保僅生成數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點和打算接收數(shù)據(jù)的應用可獲得未加密的數(shù)據(jù)。

　　作為基礎，LoRaWAN 使用 AES 128 位加密，這是安全通信的行業(yè)標準。訪問數(shù)據(jù)需要使用會話密鑰對其進行解密。因此，沿通信通道的所有中間設備只能傳遞數(shù)據(jù)，而不能實際查看或更改數(shù)據(jù)。由于安全性是 LoRaWAN 整體的一部分，因此開發(fā)人員可以快速設計安全系統(tǒng)，而無需實現(xiàn)復雜的安全算法。

　　加速物聯(lián)網(wǎng)設計

　　使用 LoRaWAN 之類標準的一個主要優(yōu)點是，它可以大幅加快設計速度，尤其是在安全性集成到協(xié)議中的情況下。有許多工具可用于直接啟動應用設計，使開發(fā)人員無需先成為新技術的專家，即可利用安全無線通信。

　　例如，STM32 LoRaWAN Discovery 板為開發(fā)人員提供了一種直接了解 LoRaWAN 并評估如何在特定應用中使用的方法（參見圖 1）。這款一體化開放模塊基于 ST 的 STM32 處理器構建，是支持 LoRaWAN 的最小、最低成本無線模塊之一。該 Discovery 板包括 I-CUBE-LRWAN 嵌入式軟件，提供了完整的 A 類認證 LoRaWAN 節(jié)點。該模塊還配備 Arduino 連接器，以支持擴展板。板載 STM32 處理器極大地簡化了設計，它可以運行內部閃存中存儲的應用代碼和 LoRaWAN 堆棧。這消除了對外部 MCU 的需求，而外部 MCU 對于其他僅提供無線電的 LoRaWAN 模塊卻是必需的。

Microchip Technology 的 SAM R34 Xplained Pro 評估套件通過 FCC、ISED 和 RED 認證，是一個用于評估 ATSAMR34 低功耗 LoRa sub-GHz SiP 的硬件平臺。該套件還可用作開發(fā)基于 SAM R34 的 LoRa 端節(jié)點應用的參考設計。

　　或者，開發(fā)人員可以使用 Microchip 的 SAM R34 Xplained Pro 評估套件。Xplained Pro 是一個用于評估 Microchip 的 ATSAMR34 低功耗 LoRa sub-GHz SiP 的硬件平臺。開發(fā)人員可以使用 Atmel Studio 集成開發(fā)平臺對該套件進行編程，從而可以完全訪問 ATSAMR34 的功能。SAM R34 Xplained Pro 評估套件還提供了有關構建定制設計的清晰路線圖。

　　這些工具隨附的樣例應用為更復雜的應用提供了藍圖。它們使開發(fā)人員能夠了解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)順利運行的基礎知識，從而讓他們可以確信設計中的連接部分能可靠地工作。如果沒有這種信心，調試基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)可能會非常復雜，因為開發(fā)人員不會知道是應用還是通信通道存在問題。

　　除了簡化節(jié)點和聚合設備之間的連接，支持 LoRaWAN 的供應商還提供了一些工具來簡化云訪問。若是從頭開始云應用設計，這可能是一項艱巨的任務。有許多不同類型的云服務需要考慮，而每種類型的服務又有許多可用的選項。除此之外，開發(fā)人員還需要考慮如何對設備進行身份驗證、配置新設備和服務、管理傳入和傳出數(shù)據(jù)流、存儲數(shù)據(jù)、分配處理資源等等。在進行所有這些決定時，開發(fā)人員必須始終牢記安全第一原則。為了幫助簡化復雜的系統(tǒng)，Renesas 推出與物聯(lián)網(wǎng)快速原型開發(fā)套件一起使用的物聯(lián)網(wǎng)沙箱。這是一個全面的開發(fā)平臺，用于設計可以連接到云端的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（參見圖 3）。

　　總結

　　LoRaWAN 是一項針對低功耗物聯(lián)網(wǎng)應用（例如傳感器節(jié)點）的出色技術。它匯集了包括 WAN 連接和安全性在內的基本功能，可加速物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)并簡化其管理。