物聯(lián)網(wǎng)革命如火如荼，舉目遙望，各種LPWAN技術(shù)山頭林立、遍地插旗，都期待快速搶占橋頭堡。

LoRa，作為最早商用的LPWAN技術(shù)之一，全球已有95個國家部署，聯(lián)盟成員超過500家。在國內(nèi)，阿里巴巴已宣告全面推動LoRa覆蓋與普及，阿里云IoT與多個廣電運營商合作，開始建設(shè)城市級LoRa全網(wǎng)覆蓋。

不過，許多人對這項技術(shù)仍然云里霧里，對此，本文寄希望于從物聯(lián)網(wǎng)的“應用”、“連接”和“安全”三大重點來說說LoRa獨具優(yōu)勢的那些特征。

[[247636]]

一、應用：智慧城市、智慧社區(qū)快速普及

1. 為什么LoRa能迅速普及落地?

(1) 客戶愿意買單

物聯(lián)網(wǎng)叫得火熱，可對于客戶，哪些應用是剛需的?哪些是可有可無的?是雪中送炭，還是錦上添花?

答案很簡單，能幫助客戶省錢的、賺錢的，能保障人身安全、提供社會便利、維護社會穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)應用，一定是雪中送炭的，而方便好玩的一定是錦上添花的。

• 案例一：普陀智聯(lián)城市大腦。垃圾箱房滿溢，家里煤氣沒關(guān)好，窨井蓋沒蓋好，報警裝置立即報告給相關(guān)部門;消防通道有車停放，超過5分鐘地磁自動報警……在普陀區(qū)，41個物聯(lián)網(wǎng)應用場景，9萬個傳感器遍布全區(qū)5.5平方公里，將數(shù)據(jù)采集至城市大腦進行實時分析和判斷，生成處置流程，自動派單，整合公安、交警、城管、市場、市容、環(huán)衛(wèi)等力量及時處置，讓城市變得更有序、更安全和更干凈。
• 案例二：智慧夢想小鎮(zhèn)。在杭州余杭區(qū)的夢想小鎮(zhèn)，基于阿里云IoT的Link WAN平臺布設(shè)了LoRa網(wǎng)絡來提供城市管理服務。在已交付的第一期項目中，LoRa技術(shù)在環(huán)境衛(wèi)生，智慧停車，井蓋監(jiān)控等應用上為小鎮(zhèn)管理者和居民提供便利的服務。

(2) 運營者能夠賺錢

孤島式的物聯(lián)網(wǎng)應用能賺錢嗎?估計要打一個大問號。對于運營商、應用提供商等，物聯(lián)網(wǎng)連接規(guī)模越大，價值越大，這個道理自不待言。

案例三：上海東方明珠轉(zhuǎn)型智慧城市服務商。采用LoRa技術(shù)承接了上海市六個區(qū)的智能化方案落地和運營，利用LoRa技術(shù)對城市消防、小區(qū)安全及城市孤寡老人進行全面感知，并通過事件聯(lián)動相關(guān)部門加快處置流程，幫助城市政府提高工作效率，也幫助市民得到更加優(yōu)質(zhì)的服務。

對廣電企業(yè)而言，LoRa是目前最合適的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。一方面，廣電企業(yè)的頻譜資源完全可以承載LoRa網(wǎng)絡，而且LoRa低成本、產(chǎn)業(yè)成熟、部署方便的特點也完全滿足廣電企業(yè)切入各地數(shù)字城市建設(shè)的迫切需求。根據(jù)目前公開資料，北京歌華有線、東方明珠、華數(shù)傳媒、四川廣電網(wǎng)絡已經(jīng)與阿里云IoT聯(lián)合宣布，在LoRa網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)服務方面開展深度合作。雙方將依托頻譜資源、物聯(lián)網(wǎng)全鏈路資源，快速、低成本地搭建物聯(lián)網(wǎng)絡。

2. LoRa具有成為企業(yè)級WiFi的獨特價值

與其他LPWAN技術(shù)一樣，LoRa具備廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本等物聯(lián)網(wǎng)特性，可廣泛應用于多種場景。

與其他LPWAN技術(shù)不一樣的是，LoRa的易部署、自主性與安全性。且經(jīng)過國內(nèi)外的多個商業(yè)落地，我們可以斷言，LoRa更適合企業(yè)用戶對自主性、快速性要求高，對連續(xù)覆蓋、深度覆蓋要求高的場景，如園區(qū)、工廠、廠礦、農(nóng)場、物流集散地、綜合體、人居社區(qū)等環(huán)境。

應用很關(guān)鍵，連接是基礎(chǔ)，LoRa在連接上有何特別之處?

二、連接: 適用于企業(yè)專網(wǎng)部署

說到連接，LoRa特別之處是其網(wǎng)絡構(gòu)架，該構(gòu)架獨辟蹊徑，簡單靈活，也調(diào)優(yōu)了LPWAN共同具備的大連接、廣覆蓋、低功耗和低成本等特性。

如上圖，LoRa網(wǎng)絡構(gòu)架由終端節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡服務器和應用服務器四部分組成。

大多數(shù)的網(wǎng)絡采用網(wǎng)狀拓樸，這易于不斷擴張網(wǎng)絡規(guī)模，但缺點在于使用各種不相關(guān)的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)消息，路由迂回，增加了系統(tǒng)復雜性和總功耗。

但LoRa采用星狀拓樸，網(wǎng)關(guān)星狀連接終端節(jié)點，但終端節(jié)點并不綁定唯一網(wǎng)關(guān)，相反，終端節(jié)點的上行數(shù)據(jù)可發(fā)送給多個網(wǎng)關(guān)。

LoRa星狀拓樸的好處有三：

(1)結(jié)構(gòu)簡單，部署靈活

星裝拓撲結(jié)構(gòu)簡單，網(wǎng)關(guān)選點、部署靈活，且時延低。由于無線系統(tǒng)非常復雜且依賴于環(huán)境，如果沒有任何經(jīng)驗，部署網(wǎng)絡時必然會遇到不少麻煩，花費大量時間和精力，因此簡化集成、靈活的網(wǎng)絡部署方式是發(fā)展趨勢，這也是LoRa的設(shè)計初衷。

(2)調(diào)優(yōu)功耗、覆蓋、容量等性能

星裝拓撲可將智能化的、復雜的和耗電較高的工作交給網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)絡服務器來處理，來延長終端電池壽命;網(wǎng)關(guān)執(zhí)行自適應數(shù)據(jù)速率，適應不同終端節(jié)點的速率和功率，從而獲得最大的網(wǎng)絡容量和最長的終端電池壽命;同時，相比于網(wǎng)狀拓撲，星裝拓撲減少了同步開銷和跳數(shù)，可進一步降低功耗。

(3)當終端節(jié)點處于移動狀態(tài)時，無需網(wǎng)關(guān)間切換，這利于資產(chǎn)跟蹤等物聯(lián)網(wǎng)應用。

從網(wǎng)絡構(gòu)架看，LoRa除了與其他所有LPWAN技術(shù)一樣具備廣覆蓋、低成本、低功耗、低速率、高安全等特性之外，還有一顆“小、快、靈”的夢想。它適用于企業(yè)專網(wǎng)部署，自己部署網(wǎng)關(guān)，覆蓋幾公里范圍的園區(qū)，也考慮到了如同手機網(wǎng)絡一樣的大型公共網(wǎng)絡部署。

三、技術(shù)：LoRa五大優(yōu)勢成全球企業(yè)通用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

• 一是廣覆蓋。LoRa單一網(wǎng)關(guān)的覆蓋距離通常在3-5km的范圍，在復雜的城市環(huán)境中可以超過傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡，空曠地域甚至高達15公里以上，在特定條件下100百公里的距離也能夠成功。
• 二是低功耗，電池供電可以支撐數(shù)年甚至十多年。
• 三是高容量。GSM基站通常在小幾千的連接，家用wifi 網(wǎng)關(guān)往往僅有20不到的終端連接能力，LoRa網(wǎng)關(guān)得益于終端無連接狀態(tài)的特性，可提供超過兩萬以上的終端連接數(shù)量。
• 四是網(wǎng)絡通信成本極低，同時支持窄帶數(shù)據(jù)傳輸。

除了以上四點，本文重點聊一聊第五點：安全性。

“前瞻性安全設(shè)計”成技術(shù)亮點

如上圖，LoRaWAN具有兩個安全層：網(wǎng)絡層安全和應用層安全，分別使用NwkSKey和APPSKey兩個會話秘鑰對所有網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量進行加密保護。

• NwkSKey用于在終端和網(wǎng)絡之間傳輸時加密MAC層有效負載，其用來計算信息完整性代碼(MIC)值，以防止偽消息和驗證終端節(jié)點，實現(xiàn)網(wǎng)絡層安全。
• AppSKey用于在終端和應用服務器之間端到端加密應用負載，實現(xiàn)應用層安全，可確保網(wǎng)絡運營商無法訪問終端用戶的應用數(shù)據(jù)。

LoRaWAN端到端的加密機制確保了只有持有密鑰且被授權(quán)實體才能訪問應用數(shù)據(jù)，防止了應用數(shù)據(jù)被竊聽，保護了數(shù)據(jù)完整性和隱私。

此外，MAC還利用幀計數(shù)器(Frame Counter，F(xiàn)CNT)來確保不會重復收到一個已經(jīng)收到的幀，此機制可以避免重放攻擊。

NwkSKey和AppSKey是如何產(chǎn)生的呢?下面要說說LoRa終端的OTAA激活流程。

OTAA激活流程，也叫入網(wǎng)流程，該過程在發(fā)送實際數(shù)據(jù)之前生成每個設(shè)備的NwkSKey、DevAddr和AppSKey。

在理解該流程之前，再來了解一下一個根密鑰AppKey，每一個LoRa終端具有一個唯一標識的128位AppKey， AppSKey 和NwkSKey由AppKey生成。

流程如下：

(1)Join Request(加入請求)

終端設(shè)備發(fā)送Join Request消息(用AppKey簽名)，Join Request包含以下信息：AppEUI、DevEUI和DevNonce。

DevEUI標識唯一的終端設(shè)備，相當于設(shè)備的MAC地址;AppEUI標識唯一的應用提供者，比如垃圾桶監(jiān)測應用，智慧路燈等都有自己唯一的ID;AppKey由應用程序擁有者分配給終端。

DevNonce是一個包含2字節(jié)的隨機數(shù)，在一個會話周期中，網(wǎng)絡服務器會一直跟蹤DevNonce值，保證DevNonce值永遠不可能被重復使用，一旦被網(wǎng)絡服務器發(fā)現(xiàn)，該Join Request將被丟棄，這個機制可以有效的防止重放攻擊。

(2)認證和會話密鑰生成

網(wǎng)絡服務器收到Join Request后，首先執(zhí)行基于DevNonce的重放攻擊防范流程，如果發(fā)現(xiàn)重復使用DevNonce值，網(wǎng)絡服務器確定該消息無效，加入過程失敗;如果該消息有效，網(wǎng)絡服務器使用MIC值對終端設(shè)備進行身份驗證，若終端設(shè)備通過身份驗證，則網(wǎng)絡服務器會生成AppSKey和NwkSKey。

(3)Join Accept(加入接受)

Join Accept消息包含AppNonce、NetID、終端地址DevAddr、傳輸時延RxDelay等，AppNonce是一個網(wǎng)絡服務器產(chǎn)生的隨機數(shù)，用于給終端生成AppSKey和NwkSKey兩個會話密鑰。

(4)傳送AppSKey

由于AppSKey被設(shè)計為保護終端設(shè)備和應用服務器之間的端到端通信，因此應將其從網(wǎng)絡服務器傳送到應用服務器。

(5)會話密鑰生成

終端接受到Join Accept消息(使用AppKey加密)后，對其解密并提取參數(shù)生成會話密鑰AppSKey和NwkSKey。

如果你仔細再閱讀一遍，你會發(fā)現(xiàn)，整個流程中并沒有通過空中發(fā)送密鑰，只是交換了兩側(cè)所需計算的缺失部分，這就保證了無法通過空中攔截流量來生成任何密鑰。

但這一的設(shè)計仍然有缺陷，由于AppSKey和NwkSKey由同一個AppKey生成，有AppKey泄露的風險。

不過，這個問題在LoRaWAN的新版本協(xié)議(1.1)中得到了進一步解決，采用兩個不同的根秘鑰(NwkKey和AppKey)，分別生成多組相互隔離的會話密鑰，分開保證協(xié)議鏈路與應用鏈路加密。同時LoRa網(wǎng)絡服務廠商，比如Link WAN，使用基于硬件加密機的密鑰管理系統(tǒng)來保護密鑰，提升服務端密鑰的安全性。

總體上講，LoRa在安全方面具備端到端加密、雙向認證和完整性保護等特性，可有效防止竊聽者和流氓設(shè)備，在安全設(shè)計上具備全面性和前瞻性。

但是，沒有絕對安全的網(wǎng)絡，即使是授權(quán)頻段蜂窩網(wǎng)絡也有偽基站攻擊的風險，這個世界上只有最經(jīng)濟合理的網(wǎng)絡，尤其是對于物聯(lián)網(wǎng)，在低功耗連接中的T(Thing)往往是價格敏感，計算性能極低與體積為小等等特性，安全挑戰(zhàn)更是艱巨。

LoRa應依靠其開放的標準，讓每個人都可以來檢視并檢驗安全是否有漏洞，如同安卓手機的安全性不僅來自于Google本身開源，也來自于各手機品牌公司的打磨與安全能力添加，共同推動安全、普惠的萬物智聯(lián)時代。

最后，來個懶人版總結(jié)：

• LoRa應用廣泛，人人都能用。物聯(lián)網(wǎng)應用應找準剛需，融合孤島，發(fā)揮規(guī)模價值。
• LoRa具備靈活可擴展特性，規(guī)模可大可小，這是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)成長與摸索階段所需的，可以說是最適合物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)。
• LoRa安全可靠，具有雙向認證、端到端加密和完整性保護等特性，在安全設(shè)計上具備全面性和前瞻性，但物聯(lián)網(wǎng)安全不容忽視，需業(yè)界共同努力持續(xù)推動。