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      针对物联网无线连接安全的LoRaWAN协议介绍

      电子设计 ? 2019-03-22 08:33 ? 次阅读

      长距离,低功耗无线连接

      当无线物联网设备超出 Wi-Fi® 或 ZigBee® 等的链路范围时,有几种连接方案可供设计人员选择。对于典型物联网传感器或致动器,3G 或 4G 高速连接比预期的连接方案更加复杂、昂贵和耗电。尽管第二代 (2G) GSM 经济且实惠,但 2G 网络的未来仍存有变数,因为一些智能手机用户已经使用 4G 和 5G 服务。GSM 协会 (GSMA) 已提出 Cat-0 LTE,一种将设备轻松连接至 4G 网络的物联网友好型方法。同时,推出的 LoRaWAN™、Sigfox、Ingenu 和 Weightless 等低功耗广域网 (LPWAN) 标准已成为 GSM 标准的经济实惠替代品。

      LPWAN 网络在非许可频带工作。Sigfox 和 Ingenu 身后的组织正在设置各自的网络,而 LoRa® 联盟采用了不同的方法,正在推广供独立网络运营商使用的技术。2015 年,Orange 宣布,作为战略的一部分,公司将会创建 LoRa 网络以服务于 M2M 和物联网连接市场。

      简单地说,LoRaWAN 网络在?#20998;?#20197; 868 kHz 频带工作,在北美以 915 MHz 频带工作。协议旨在实现极低功耗且支持 0.3 kbit/s 至 50 kbit/s 的数据速率。支持自适应数据速率,可以自动优化距离、电池寿命和网络容量。通信范围为 2 km 至 15 km,具体取决于建筑环境和消息量大小等因素。LoRaWAN 越来越受欢迎,设计人员可以利用现已面市的一些产品为自主式设备添加 LoRaWAN 连接功能。

      随着物联网进入公共领域,威胁安防和安全的网络攻击已成为焦点问题。由于物联网的性质所致,这类威胁可能会影响个人或者同时影响很多人。黑客可能会试图接管设备,导致设备?#25910;稀?#31363;取设备数据或使用设备访问存放敏感个人或财务信息的托管网络。还可能会利用设备传播恶意软件或仅仅试图窃取设备?#26174;?#34892;的应用代码等知识产权。

      保障 LoRa 数据流安全

      保护物联网连接的安全策?#26434;?#36275;够简单,?#21592;?#25903;持资源受限型物联网?#35828;悖?#36824;应价格便宜且对设备功率的要求最小。LoRaWAN 安全机制基于网络和?#35828;?#20043;间的相互身份验证来保护通信。这样,网络可以确保任?#38382;?#22270;连接网络的设备均经正确注册且未被入侵,以及确保连接设备即将连接的网络的真实性。网络和连接设备均需要具备安全密钥,亦称为 AppKey,这样双方可以为对方加密信息,并正?#26041;?#23494;从对方接收的信息。在验证凭据和连接?#35828;?#21518;,LoRaWAN 安全性通过使用签名和加密来保护信息完整性。

      LoRa 联盟设计了 LoRaWAN 协议以支持?#35828;?#31471;加密。数据流不仅在空中接口中处于加密状态,在运营商的核心网络中也保持加密状态,不会?#28304;?#25991;本形式传输。这样可以节省额外应用层加密等更多的安全开销,因此节省了成本和能耗,同时也降低了复?#26377;浴?/p>

      LoRaWAN 安全性基于针对 IEEE 802.15.4 无线电通信制定的安全性,还通过使用网络会话密钥 (NwkSKey) 和应用会话密钥 (AppSKey) 两种会话密钥进行扩展。根据现有 IEEE 802 安全规范,将向每个 LoRaWAN 设备分配一个名为 DevEUI 的 64 位全局唯一标识符,该标识符兼容 IEEE 扩展唯一标识符 (EUI-64)。只有拥有由 IEEE 注册权威机构分配的 24 位组织唯一标识符 (OUI) 的分配组织,才具备分配标识符的资格。每个 LoRaWAN 终端设备还拥有自己的 128 位 AES 密钥,亦称 AppKey。

      每个设备需在激活后才可在 LoRaWAN 网络?#22411;?#20449;。可使用空中激活 (OTAA) 或个性化激活 (ABP) 两种形式完成。无论使用哪种方法,网络和连接设备均需证明其拥有建立连接的正确安全密钥。

      在 OTAA 中,终端设备将传输包含设备 DevEUI、应用标识符 (AppEUI) 和 AppKey 的连接请求。随后应用服务器将发送加密的接受消息,终端设备便可以使用其 AppKey 对其进行解密,从而获取指定的网络设备地址 (DevAddr),以及网络会话密钥 (NwkSKey) 和应用会话密钥 (AppSKey)。这些密钥是设备的唯一密钥。

      在 ABP 中,出厂时已对终端设备的设备地址和会话密钥进行编程。这适用于设备拟将连接至特定已知网络的情况。无需空中信号交换即可立即在网络?#22411;?#20449;。

      针对物联网无线连接安全的LoRaWAN协议介绍

      图 1: LoRaWAN 网络拓扑。

      在 LoRaWAN 网络中,终端设备通过一或多个网关与网络服务器进?#22411;?#20449;,如图 1 所?#23613;?#32593;络服务器进而将各终端设备的数据传输至适用于设备的应用服务器中,并通过网关管理从应用服务器至终端设备的数据传输。?#30452;?#36890;过 NwkSKey 和 AppSKey 会话密钥,在控制和应用数据级别提供安全保护。每个数据包含有 MAC 报头、帧头和有效载荷,以及使用 NWSKey 生成的信息完整代码 (MIC)。

      通过高级加密标准和标准的基于密码的信息?#29616;?#30721; (AES-CMAC) 来计算 MIC,以实现验证。使用 AppSKey 对有效载荷加密。通过这种方法,网络服务器和应用服务器可以对来自终端设备的信息进行验证。如图 2 所示,应用有效载荷通过高级加密标准计数 (CTR) 模式 (AES-CTR) 进行加密,且帧计数器也包含在 LoRaWAN 数据包中。可以有效防止攻击者通过重放信息获得访问权限。正确管理计数器十?#31181;?#35201;,可?#21592;?#20813;出?#31181;?#22797;序列,也不会因强制将节点重新连接至网络而重置计数器。

      针对物联网无线连接安全的LoRaWAN协议介绍

      图 2: LoRaWAN 数据包加密可以防止拦截和重放攻击。

      LoRa 节点的物理安全

      LoRaWAN 安全设计简单节能,可?#21592;?#20813;复杂或繁琐的加密计算或多层安全设计。尽管通过 NwkSKey 和 AppSKey 在控制和应用层实施加密,但密钥均来源于同一根密钥 (AppKey)。因此,拥有 AppKey 的网络运营商能够获得 AppSKey 并解密数据流。如需针对这种漏洞采取防范措施,则负责处理 AppKey 存储和相关服务的服务器应由与网络运营商无关联的受信任组织来控制。LoRa 联盟表示,已针对 LoRaWAN 做出有计划更?#27169;?#26410;来将从单独的密钥中获取 NwkSKey 和 AppSKey。

      在实际操作中,可以使用 Microchip.的 RN2483 等收发器模块对使用 LoRaWAN 无线连接的数据进行编码、加密和传输。该模块在集成微控制器中实施板载 LoRaWAN 协议堆栈,并集成了 LoRa 技术无线电和用于连接主机微控制器的 UART(图 3)。嵌入式微控制器具有 14 个 GPIO 引脚,用于连接传感器、开关或 LED 状态指示灯等用户设备。还可以使用 Seeed Technology 的 Seeeduino LoRaWAN 模块,用户可以使用创客式扩展板轻松快速地增加各类传感器。

      针对物联网无线连接安全的LoRaWAN协议介绍

      图 3: Microchip RN2483 可?#28304;?#29702;包括加密在内的 LoRaWAN 完整协议。

      尽管 LoRaWAN 标准采用一些机制来保护在 LoRa 网络和连接的终端设备之间传送的数据,但节点仍容易受到物理攻击。如果能够提取存储的密钥,则网络中的设备可能会被冒充。物理攻击会?#29616;?#23041;胁安装在偏远或无监控区域的设备,因而需要采取更多的安全措施。

      现提供的 Murata CMWX1ZZABZ-078 LoRa 模块,配备用于安全密钥存储的可选安全元件(图 4)。嵌入安全元件?#19988;?#31181;有效的保护措施,可以防止加密密钥和其他敏感数据遭受入侵式探测或引脚监控等物理攻击,这种做法也越来越多地应用到物联网设备和个人计算机等设备中,以创建信任根硬件来验证机器、软件和用户。

      针对物联网无线连接安全的LoRaWAN协议介绍

      图 4: Murata CMWX1ZZABZ-078 提供一种集成的安全元件,可以针对物理攻击提供更多防护措施。

      结论

      开发 LoRaWAN 协议时已经考虑了物联网应用,并包括用于保护传输中数据的各种安全措施。设备设计人员需谨慎对待 LoRa 联盟的建议,尽可能确保应用的安全性。此外还须额外的安全措施防止无人值守的物联网设备遭受物理攻击。

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      发表于 04-19 13:45 ? 121次 阅读
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      台湾正在实现成为区块链中心的梦想

      台湾的创业产业规模很小,而且常以住宅为单位,这导致其发展空间非常有限。随后,新公司需具备高效的特点,....
      发表于 04-19 10:49 ? 53次 阅读
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      5G助力物联网驶入快车道

      5G凭借高带宽、低延迟、海量物联的三大优势,能够进一步推进人和物、物与物的连接,为物联网新的业务和应....
      发表于 04-19 10:20 ? 172次 阅读
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      NI在工业物联网中的角色

      物联网主要有工业和消费两个领域。消费物联网方面,NI的方案主要是测量。而工业物联网是NI监测擅长的领域,例如风力发电要在...
      发表于 04-19 09:40 ? 45次 阅读
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      SLWSTK6223A,EZR32 490MHz无线入?#30424;准?/a>

      SLWSTK6223A,EZR32 490MHz无线入?#30424;准?#26159;熟悉EZR32 Wonder Gecko无线微控制器的绝佳起点。无线入...
      发表于 04-19 09:30 ? 323次 阅读
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      SLWSTK6221A,EZR32 434MHz无线入?#30424;准?/a>

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      发表于 04-19 09:29 ? 501次 阅读
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      如?#26410;?#36827;物联网健康有序的发展

      物联网应用涉及国民经济和人类社会生活的方方面面,然而近年来多领域发生安全事件:在智慧城市领域,201....
      发表于 04-19 09:26 ? 205次 阅读
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      医疗产业与新技术逐渐融合 物联网助力智慧医院蓬勃发展

      近日,达实智能发布了《基于物联网应用的达实智慧医院白皮书》,从智慧医院的发展现状入手,总结智慧医院发....
      发表于 04-19 08:51 ? 182次 阅读
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      ESP8266测试接收字节数不对

      ESP8266 AP模式连接电脑无线网后,链接成功。屏上面显示:0,connect  而统计字节数据为11字节,这没有11字节啊...
      发表于 04-19 03:25 ? 14次 阅读
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      如何使用空间合作关系进行基站流量预测模型的资料说明

      针对传统的自回归积分移动平均(ARIMA)模型和长短时?#19988;洌↙STM)单元在基站流量预测中没有利用基....
      发表于 04-18 17:29 ? 55次 阅读
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      PHP?#22363;?#20043;文件?#20302;?#21644;服务器的交互资料说明

      本文档的主要内容详细介绍的是PHP?#22363;?#20043;文件?#20302;?#21644;服务器的交互资料说明包括了:1.文件上传,2.使用....
      发表于 04-18 17:04 ? 37次 阅读
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      物联网将改变未来物流产业的发展

      智能物流,是基于互联网、物联网技术的深化应用,?#25250;?#29992;先进的信息采集、处理、管理、流通,智能分析等技术....
      发表于 04-18 16:15 ? 217次 阅读
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      物联网技术可以实?#31181;?#24935;医院的智能化

      近日,达实智能发布了《基于物联网应用的达实智慧医院白皮书》,从智慧医院的发展现状入手,总结智慧医院发....
      发表于 04-18 16:05 ? 184次 阅读
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      物联网将如何改变交通运输行业

      每年有近120万人死于车祸,平均每天约有3,287人死亡。专家认为,当自动驾驶汽车开始取代人类驾驶汽....
      发表于 04-18 15:52 ? 142次 阅读
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      物联网发展的三大编程语言

      虽然Java是物联网开发中使用最多的语言,但是Java和Python在物联网开发的不同子域中紧随其后。物联网发展的未来可能仍然?#23884;?..
      发表于 04-18 10:49 ? 134次 阅读
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      如何使用CC2530单片机进行多点温度采集?#20302;?#30340;设计实验说明

      多点温度采集有利于分析整个设备或?#20302;?#30340;温度,改善被控温度的技术指 标,提高产品的质量和数量,因而,....
      发表于 04-18 08:00 ? 68次 阅读
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      山西快乐十分预测
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