安全性不足的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會(huì)為網(wǎng)絡(luò)帶來多個(gè)漏洞。例如，如果攝像頭和打印機(jī)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(shí)在硬件和軟件中實(shí)現(xiàn)安全性。當(dāng)使用無線通信時(shí)，這種做法就更為迫切，因?yàn)楦采w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(diǎn)往往需要功耗很低且通常必須依靠電池運(yùn)行數(shù)年。因此，任何安全實(shí)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(diǎn)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(diǎn)，并為需要更多基礎(chǔ)設(shè)施才能運(yùn)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(jí)傳感器功能不僅需要從節(jié)點(diǎn)接收流數(shù)據(jù)，而且還要求能夠安全地傳輸?shù)礁鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)，即可保持最新狀態(tài)。對(duì)于節(jié)點(diǎn)部署后可能不再易于接觸（因?yàn)榘惭b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(shí)現(xiàn)可靠的安全方案，簡(jiǎn)化了安全物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開發(fā)。由于專為低功耗運(yùn)行而設(shè)計(jì)，LoRaWAN 以最小化功耗的方式實(shí)現(xiàn)了安全性，而不會(huì)損害低功耗節(jié)點(diǎn)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(shí)支持安全 OTA 更新。

　　LoRaWAN 具有兩個(gè)獨(dú)立的安全層（一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)會(huì)話層，另一個(gè)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(yàn)證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的原真性。然后，這個(gè)第一層會(huì)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(shí)設(shè)備來啟動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)的安全對(duì)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(yàn)證信息對(duì)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(shí)生成網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用會(huì)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(gè)網(wǎng)絡(luò)。

　　為了確保應(yīng)用層的安全性，應(yīng)用會(huì)話密鑰可用于對(duì)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(diǎn)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(huì)話密鑰對(duì)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(shí)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(jì)安全系統(tǒng)，而無需實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的安全算法。

　　加速物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

　　使用 LoRaWAN 之類標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，它可以大幅加快設(shè)計(jì)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(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，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(píng)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(diǎn)。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(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，它可以運(yùn)行內(nèi)部閃存中存儲(chǔ)的應(yīng)用代碼和 LoRaWAN 堆棧。這消除了對(duì)外部 MCU 的需求，而外部 MCU 對(duì)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(píng)估套件通過 FCC、ISED 和 RED 認(rèn)證，是一個(gè)用于評(píng)估 ATSAMR34 低功耗 LoRa sub-GHz SiP 的硬件平臺(tái)。該套件還可用作開發(fā)基于 SAM R34 的 LoRa 端節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的參考設(shè)計(jì)。

　　或者，開發(fā)人員可以使用 Microchip 的 SAM R34 Xplained Pro 評(píng)估套件。Xplained Pro 是一個(gè)用于評(píng)估 Microchip 的 ATSAMR34 低功耗 LoRa sub-GHz SiP 的硬件平臺(tái)。開發(fā)人員可以使用 Atmel Studio 集成開發(fā)平臺(tái)對(duì)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(píng)估套件還提供了有關(guān)構(gòu)建定制設(shè)計(jì)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(yùn)行的基礎(chǔ)知識(shí)，從而讓他們可以確信設(shè)計(jì)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(huì)非常復(fù)雜，因?yàn)殚_發(fā)人員不會(huì)知道是應(yīng)用還是通信通道存在問題。

　　除了簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)化云訪問。若是從頭開始云應(yīng)用設(shè)計(jì)，這可能是一項(xiàng)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(xiàng)。除此之外，開發(fā)人員還需要考慮如何對(duì)設(shè)備進(jìn)行身份驗(yàn)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(chǔ)數(shù)據(jù)、分配處理資源等等。在進(jìn)行所有這些決定時(shí)，開發(fā)人員必須始終牢記安全第一原則。為了幫助簡(jiǎn)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(gè)全面的開發(fā)平臺(tái)，用于設(shè)計(jì)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(xiàng)針對(duì)低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（例如傳感器節(jié)點(diǎn)）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(jiǎn)化其管理。