安全性不足的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會為網(wǎng)絡(luò)帶來多個漏洞。例如，如果攝像頭和打印機等設(shè)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(guān)公司的信息。在某些情況下，不安全的設(shè)備甚至可能允許黑客訪問主網(wǎng)絡(luò)，從而破壞公司的所有在線資產(chǎn)。

　　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(dāng)使用無線通信時，這種做法就更為迫切，因為覆蓋范圍內(nèi)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)，以便能夠?qū)Ｗ⒂跒閼?yīng)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(fù)雜的本地裝置即可提供設(shè)備之間的互操作性。其星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)充當(dāng)透明的橋梁，可在端節(jié)點與處理數(shù)據(jù)的后端服務(wù)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(chǔ)設(shè)施才能運行的無線技術(shù)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(shè)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(yuǎn)程位置或更復(fù)雜系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)的深處）的應(yīng)用，這種功能非常重要。

　　LoRaWAN 通過在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)實現(xiàn)可靠的安全方案，簡化了安全物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開發(fā)。由于專為低功耗運行而設(shè)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(hù)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(luò)會話層，另一個在應(yīng)用層）以確保通信不受影響。網(wǎng)絡(luò)層的安全功能用于驗證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的原真性。然后，這個第一層會使不屬于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備脫離該網(wǎng)絡(luò)。如果沒有這一層，惡意設(shè)備將能夠通過假裝為真實設(shè)備來啟動與網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點的安全對話。由于惡意設(shè)備無法加入網(wǎng)絡(luò)，因此它們無法打開與受保護(hù)設(shè)備的通信通道。

　　要加入網(wǎng)絡(luò)，設(shè)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(luò)，則可使用加入該網(wǎng)絡(luò)所需的身份驗證信息對設(shè)備進(jìn)行出廠編程。

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

　　為了確保應(yīng)用層的安全性，應(yīng)用會話密鑰可用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，為在通道中傳播的數(shù)據(jù)提供保護(hù)。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(yīng)用可獲得未加密的數(shù)據(jù)。

　　作為基礎(chǔ)，LoRaWAN 使用 AES 128 位加密，這是安全通信的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。訪問數(shù)據(jù)需要使用會話密鑰對其進(jìn)行解密。因此，沿通信通道的所有中間設(shè)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(shè)計安全系統(tǒng)，而無需實現(xiàn)復(fù)雜的安全算法。

　　加速物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計

　　使用 LoRaWAN 之類標(biāo)準(zhǔn)的一個主要優(yōu)點是，它可以大幅加快設(shè)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(yīng)用設(shè)計，使開發(fā)人員無需先成為新技術(shù)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(yīng)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(gòu)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(rèn)證 LoRaWAN 節(jié)點。該模塊還配備 Arduino 連接器，以支持?jǐn)U展板。板載 STM32 處理器極大地簡化了設(shè)計，它可以運行內(nèi)部閃存中存儲的應(yīng)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(rèn)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(yīng)用的參考設(shè)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(jìn)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(guān)構(gòu)建定制設(shè)計的清晰路線圖。

　　這些工具隨附的樣例應(yīng)用為更復(fù)雜的應(yīng)用提供了藍(lán)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(chǔ)知識，從而讓他們可以確信設(shè)計中的連接部分能可靠地工作。如果沒有這種信心，調(diào)試基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)可能會非常復(fù)雜，因為開發(fā)人員不會知道是應(yīng)用還是通信通道存在問題。

　　除了簡化節(jié)點和聚合設(shè)備之間的連接，支持 LoRaWAN 的供應(yīng)商還提供了一些工具來簡化云訪問。若是從頭開始云應(yīng)用設(shè)計，這可能是一項艱巨的任務(wù)。有許多不同類型的云服務(wù)需要考慮，而每種類型的服務(wù)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(shè)備進(jìn)行身份驗證、配置新設(shè)備和服務(wù)、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(jìn)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(fù)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(shè)計可以連接到云端的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（參見圖 3）。

　　總結(jié)

　　LoRaWAN 是一項針對低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（例如傳感器節(jié)點）的出色技術(shù)。它匯集了包括 WAN 連接和安全性在內(nèi)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。