文章目錄

• 1 前言
• 2 LoRaWAN空口幀結(jié)構(gòu)
• • 2.1 入網(wǎng)（JOIN）
  • • 2.1.1 入網(wǎng)請(qǐng)求（Join Request）
    • 2.1.2 入網(wǎng)接受（Join Accept）
    • 2.1.3 Join小結(jié)
  • 2.2 數(shù)據(jù)通信（Data Message）
  • • 2.2.1 數(shù)據(jù)消息類型
    • 2.2.2 MAC命令
• 3 Wireshark分析LoRaWAN空口包
• • 3.1 Join Request
  • 3.2 Join Accept
  • 3.3 Confirmed Data Up
  • 3.4 Unconfirmed Data Down(ACK)
  • 3.5 Unconfirmed Data Down(Application Data)

1 前言

幀結(jié)構(gòu)是通信協(xié)議的核心設(shè)計(jì)內(nèi)容。設(shè)計(jì)MAC層的主要工作之一就是幀（數(shù)據(jù)）結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
LoRaWAN規(guī)范（LoRaWAN Speicification）雖然只定義到了數(shù)據(jù)鏈路層（無(wú)上層LLC層，只有下層MAC層），但是LoRaWAN空口幀結(jié)構(gòu)作為L(zhǎng)oRaWAN規(guī)范的核心知識(shí)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)，是學(xué)習(xí)無(wú)線通信協(xié)議的很好參考。

2 LoRaWAN空口幀結(jié)構(gòu)

LoRaWAN規(guī)范自下而上設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了LoRa的硬件優(yōu)勢(shì)，LoRaWAN空口幀結(jié)構(gòu)非常精簡(jiǎn)，如圖2.1所示。這樣最大化優(yōu)化了物聯(lián)網(wǎng)終端的功耗，降低整體系統(tǒng)的復(fù)雜度、系統(tǒng)成本等。
下圖2.1基本涵蓋了LoRaWAN1.0.x空口傳輸?shù)乃行畔ⅰ?br />

圖2.1 LoRaWAN 空口幀結(jié)構(gòu)
LoRaWAN物理層主要是LoRa物理層（部分Region有采用FSK，作為高速應(yīng)用的補(bǔ)充），LoRa物理層采用LoRa有頭模式（Explicit Header Mode）（PS：除了Class B Beacon，其采用了Implicit Header），上行帶硬件CRC，下行不帶硬件CRC。同時(shí)采用的同步字是0x34（有別于現(xiàn)有市場(chǎng)的私有LoRa應(yīng)用的同步字0x12）。
LoRaWAN空口幀的MAC層按照消息類型（MTypes）來(lái)看，有6個(gè)消息類型：

• 入網(wǎng) 2個(gè)
• 數(shù)據(jù)通信 4個(gè)
  • MAC命令
    

2.1 入網(wǎng)（JOIN）

入網(wǎng)是LoRaWAN通信的開始，只有正確加入LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。入網(wǎng)包含了兩個(gè)消息：

• Join Request
• Join Accept
  

2.1.1 入網(wǎng)請(qǐng)求（Join Request）

設(shè)備通過(guò)發(fā)送加入請(qǐng)求（Join Request）來(lái)申請(qǐng)加入目標(biāo)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)。
入網(wǎng)請(qǐng)求（Join Request）包含了兩個(gè)EUI號(hào),數(shù)據(jù)長(zhǎng)度都是8 Byte，分別是DevEUI與AppEUI。DevEUI遵循EUI-64命名規(guī)范，是設(shè)備的全球唯一標(biāo)識(shí)。AppEUI命名規(guī)則根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)而定。

DevNonce為2 Byte的隨機(jī)數(shù)，用來(lái)防止JOIN的重播攻擊，NS服務(wù)器會(huì)跟蹤記錄每次JOIN Request中的DevNonce，只有在接收到第一條上行后，在刪除該DevNonce，因此NS服務(wù)器能夠通過(guò)DevNonce值來(lái)識(shí)別出重播攻擊，拒絕響應(yīng)Join Accept。
MIC（4 Byte）是對(duì)Join Request的完整性檢查，只有擁有根秘鑰AppKey，才能計(jì)算得到有效mic值，否則將被NS服務(wù)器拒絕，因此可以防止偽造節(jié)點(diǎn)。

圖2.2 Join Request的MIC生成方法

2.1.2 入網(wǎng)接受（Join Accept）

入網(wǎng)接受包（Join Accept）是NS服務(wù)器對(duì)設(shè)備的入網(wǎng)許可回復(fù)。
入網(wǎng)接受包通過(guò)Appkey來(lái)加密。

圖2.3 Join Accept解密方式
AppNonce若為3 Byte的隨機(jī)數(shù)，可（與DevNonce）每次派生出不同兩個(gè)會(huì)話秘鑰AppSKey、NwkSKey



圖2.4 會(huì)話秘鑰AppSKey、NwkSKey派生方式
NetID（3 Btye）標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)ID，用于區(qū)別同一地理區(qū)域內(nèi)可能存在的多個(gè)不同運(yùn)營(yíng)商的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)，全球性的NetID，LoRa Alliance已執(zhí)行了新的管理辦法。
DevAddr（4 Byte）標(biāo)識(shí)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的短地址。
DLSettings（1 Byte）用于NS服務(wù)器側(cè)調(diào)整RX1,RX2的速率。可以根據(jù)不同地區(qū)，網(wǎng)關(guān)可支持的最大功率來(lái)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)上行與下行無(wú)線鏈路預(yù)算的平衡。
RxDelay（1 Byte）用于NS服務(wù)器側(cè)調(diào)整RX1窗口開啟延時(shí)
CFList(16 Byte)是可選的頻率表字段，NS服務(wù)器可根據(jù)Reginal Parameters與實(shí)際部署需要，決定是否攜帶頻率表信息。
MIC是對(duì)Join Accept的完整性檢查。

圖2.5 Join Accept的MIC生成方式

2.1.3 Join小結(jié)

入網(wǎng)請(qǐng)求包（Join Request）是明文發(fā)送，但是受MIC（消息完整性檢查）保護(hù)。（LoRaWAN的所有消息類型都受MIC保護(hù)）。

入網(wǎng)接受包（Join Accept）是密文發(fā)送。需要通過(guò)根秘鑰AppKey解密得到。

入網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)會(huì)話秘鑰（AppSKey、NwkSKey）的動(dòng)態(tài)更新。

具備一定的防重播攻擊、防偽節(jié)點(diǎn)的能力。

2.2 數(shù)據(jù)通信（Data Message）

數(shù)據(jù)通信用來(lái)傳輸MAC命令與應(yīng)用數(shù)據(jù)。
MAC層網(wǎng)絡(luò)開銷是13字節(jié)，如圖2.1藍(lán)色區(qū)塊（在沒有FRMPayload的情況下，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)開銷是12字節(jié)，缺省情況下，未發(fā)送Fport.）
DevAddr是入網(wǎng)后，獲取的網(wǎng)內(nèi)短地址標(biāo)識(shí)。
Fctl（1 Byte）是網(wǎng)絡(luò)控制字節(jié)，按位來(lái)標(biāo)識(shí)ADR、ACK、Fpending、Class B、Foptslen等網(wǎng)絡(luò)控制信息
Fcnt（2 Byte）是幀計(jì)數(shù)器，由發(fā)送端維護(hù)，即終端側(cè)FCntUp與服務(wù)器側(cè)FCntDown，LoRaWAN支持2 Byte與4 Byte的Fcnt。4 Byte的Fcnt具有更大線性計(jì)數(shù)空間，相應(yīng)的也具備更好安全性，但是需要發(fā)送端進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)數(shù)器向上溢出、掉電\上電保護(hù)等。2 Byte的Fcnt則可以直接拿來(lái)就用，無(wú)需特殊保護(hù)。
Fport（1 Byte）是應(yīng)用端口號(hào)，用于指示FRMPayload的數(shù)據(jù)屬性。Fport=0,FRMPayload用于傳輸MAC命令。Fport=224,FRMPayload用于傳輸LoRaWAN聯(lián)盟定義認(rèn)證測(cè)試應(yīng)用。1~233 可根據(jù)實(shí)際情況，自定義使用。
FRMPayload為應(yīng)用數(shù)據(jù)。最大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度受限于通信速率。

2.2.1 數(shù)據(jù)消息類型

根據(jù)數(shù)據(jù)消息是否有顯性應(yīng)答，分為確認(rèn)幀（Confirmed-data message）與非確認(rèn)幀（Unconfirmed-data message）

• 確認(rèn)幀 ：接收端必須應(yīng)答
• 非確認(rèn)幀 ：接收端不要求應(yīng)答
  

2.2.2 MAC命令

MAC命令屬于LoRaWAN協(xié)議層數(shù)據(jù)，主要用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維與管理、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化等。
橙色由設(shè)備端發(fā)起，藍(lán)色由NS服務(wù)器發(fā)起。

CIDMAC命令描述

0x02	LinkCheck	可用于設(shè)備端進(jìn)行LoRaWAN鏈路的可達(dá)性測(cè)試
0x03	LinkADR	用于NS服務(wù)器進(jìn)行ADR提速與調(diào)整功率
0x04	DutyCycle	用于NS服務(wù)器進(jìn)行占空比配置
0x05	RxParamSetup	用于NS服務(wù)器進(jìn)行Rx速率參數(shù)（RX1\RX2）調(diào)整
0x06	DevStatus	用于NS服務(wù)器獲取設(shè)備電池信息與無(wú)線鏈路余量Margin
0x07	NewChannel	用于NS服務(wù)器新增\刪除\修改信道
0x08	RxTimingSetup	用于NS服務(wù)器進(jìn)行RX1窗口時(shí)間（RX1Delay）的調(diào)整
0x09	TxParamSetup	用于NS服務(wù)器進(jìn)行TX功率、駐留時(shí)間的調(diào)整
0x0A	DIChannel	用于NS服務(wù)器對(duì)RX1窗口頻率的特殊設(shè)定
0x0D	DeviceTime	可用于設(shè)備端獲取全網(wǎng)時(shí)間，輔助Class B Beacon 同步等

3 Wireshark分析LoRaWAN空口包

接下來(lái)透過(guò)最流行的開源協(xié)議分析工具Wireshark（PS：Wireshark2.6.0版本開始增加了LoRaWAN協(xié)議的解析器），來(lái)實(shí)際看看LoRaWAN空口數(shù)據(jù)包。

3.1 Join Request

圖3.1 Join Request

• “Join Request”為明文傳輸，但受MIC保護(hù)
  

3.2 Join Accept

圖3.2 Join Accept

• “Join Accept”為密文傳輸，沒有根秘鑰Appkey，則無(wú)法獲取原始信息內(nèi)容
  

3.3 Confirmed Data Up

圖3.3 確認(rèn)幀上行

• 上行用戶數(shù)據(jù)“Frame Payload”采用AES128加密，沒有會(huì)話秘鑰AppSkey，則無(wú)法獲取原始信息內(nèi)容
  

3.4 Unconfirmed Data Down(ACK)

圖3.4 上行確認(rèn)幀的回復(fù)（下行非確認(rèn)幀）

• 在沒有用戶數(shù)據(jù)的情況，實(shí)際下行空口是12個(gè)字節(jié)（純MAC層開銷）
  

3.5 Unconfirmed Data Down(Application Data)

圖3.5 上行確認(rèn)幀的回復(fù)（下行非確認(rèn)幀，并攜帶用戶數(shù)據(jù)）

• 下行用戶數(shù)據(jù)“Frame Payload”采用AES128加密，沒有會(huì)話秘鑰AppSkey，則無(wú)法獲取原始信息內(nèi)容
  

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的LoRaWAN1.0.x规范详解之空口帧结构的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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