LoRaWAN Backend Interfaces v1.0 学习 (p1)

本文为学习 LoRaWAN 后端接口 v1.0 文档时,顺便翻译所得。文档较长,预计分为多篇。

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本部分主要介绍网络参考模型。

1. 介绍

这份文档描述了以下服务间的标准接口和数据流:

  1. 网络服务器(Network Sever)和入网服务器(Join Server)
  2. 入网服务器(Join Server)和应用服务器(Application Server)
  3. 漫游流量路由的两个网络服务器(Network Servers)

Network Server 和 Application Server 之间的接口超出本文档范围。
重点关注本文档中描述的 OTAA(Over-the-Air Activation)及单终端漫游时,网络中多实体间信息流。

2. 公约

本文中的关键词(”MUST”, “MUST NOT”, “REQUIRED”, “SHALL”, “SHALL NOT”, “SHOULD”, “SHOULD NOT”, “RECOMMENDED”, “MAY”, 以及 “OPTIONAL”)的解释如 RFC 2119 协议描述。

3. 网络参考模型(Network Reference Model)

LoRaWAN 架构网络参考模型如图 f0, f1 所示:

Figure 1 LoRaWAN Network Reference Model (NRM), End-Device at home

f0. 固定终端(End-Device at home)

Figure 2 LoRaWAN Network Reference Model (NRM), roaming End-Device

f1. 漫游终端(roaming End-Device)

终端(End-Device):

终端是传感器或执行器。它是无线方式通过无线网关连入一个 LoRaWAN 网络的。终端的应用层连接到云端特定的 Application Server(简称:AS)。这个终端的所有应用层载荷(payloads)都会路由到响应的 AS。

无线网关(Radio-Gateway):

无线网关传递所有接收到的 LoRaWAN 无线数据报到 Network Server(简称:NS),连接使用 IP 端口。无线网关完全工作在物理层。它的职责是简单解码上行无线数据报并将数据报定向到 NS。相对地,下行时,无线网关简单处理(不解析)传递 NS 的请求报文。

网络服务器(Network Server):

NS 是终端设备连接的网络,终止于 LoRaWAN MAC 层。它是星型拓扑的中心。

NS 的一般特征:

  • 终端地址检查
  • 帧验证和帧计数检查
  • 确认(Acknowledgments)
  • 数据速率适应
  • 响应终端设备的所有 MAC 层请求
  • 传递上行应用数据到合适的 AS
  • 将任何 AS 的下行消息排队到连接上网络的任何终端
  • 在终端和 Join Servers 之间传递 Join-request(入网请求) 和 Join-accept(入网确认)

在漫游架构中,一个 NS 可能扮演三个不同的角色,这取决于终端是否处于漫游场景以及涉及的漫游类型。

Serving NS(简称:sNS)控制终端的 MAC 层。

Home NS (简称:hNS)是设备配置(Device Profile)、服务配置(Service Profile)、路由配置(Routing Profile)存储的位置。hNS 将用于入网过程中直接关联 Join Server。它连接到 AS。如果 hNS 和 sNS 分离,他们遵循漫游协议。上下行数据报在 sNS 和 hNS 间传递。

Forwarding NS(简称:fNS)管理着无线网关。当 sNS 和 fNS 分离,他们遵循漫游协议。将有一个或多个 fNS 服务于终端设备。上下行数据报在 fNS 和 sNS 间传递。

入网服务器(Join Server):

Join Server(简称:JS)处理终端设备的 OTA(Over-the-Air)激活流程。可能有许多 JS 连接到一个 NS,且一个 JS 可能连接多个 NS。

终端设备通过 Join-request 消息中的 JoinEUI 字段发信号通知 JS。每个 JS 被唯一 JoinEUI 值标识。(注意:AppEUI 存在于 LoRaWAN1.0/1.0.2(LW10,LW102) 的 Join-request 中,被重命名未 LoRaWAN1.1(LW11) 中的 JoinEUI 。术语 JoinEUI 被用于指代该规范中 LW10/LW102 终端设备上下文中的 AppEUI 。

JS 知道终端设备的 hNS 标识符,并在漫游过程中将所需信息提供给其他 NS。
JS 包含所需信息处理上行入网请求帧并且生成下行入网确认帧。它也执行网络和应用程序会话密钥(session key)的派生。它将终端设备的网络密钥传送到 NS ,将应用会话密钥传送给相应的应用服务器。

为此,JS 应该(SHALL)包含其控制下的每个终端设备的如下信息:

  • DevEUI
  • AppKey
  • NwkKey(仅适用于 LW11 终端设备)
  • hNS 标识
  • AS 标识
  • 一种首选网络的方法,以防多个网络可以为终端提供服务
  • 终端设备 LoRaWAN 版本(LoRaWAN 1.0,1.0.2 或 1.1)

根密钥(root key) NwkKey 和 AppKey 仅可用于 JS 和终端设备,他们不会被发送到 NS 或 AS 。

安全配置(secure provisioning),存储和使用根密钥 NwkKey 和 AppKey 在终端设备和后端是解决方案整体安全性的内在要素。这些留待实施且超出本文档的范畴。然而,该解决方案可包括 SE (Secure Elements 安全要素) 和 HSM (Hardware Security Modules 硬件安全模块)。

这些信息实际如何编程到 JS 中超出本文档范围,可能因 JS 而异。这可以通过例如门户网站或者一组 API 来实现。

JS 和 NS 应该(SHALL)应该能够建立安全通信,提供端点身份验证(end-point authentication),完整性(integrity)和重放保护(replay protection)以及机密性(confidentiality)。JS 还应该(SHALL)能够安全地传递应用会话密钥(AppSKey)给 AS 。

JS 可以连接到多个 AS,一个 AS 可以连接到多个 JS 。

JS 和 AS 应该(SHALL)能建立安全通信,提供端点身份验证(end-point authentication),完整性(integrity)和重放保护(replay protection)以及机密性(confidentiality)。

应用服务器(Application Server):

AS 处理相关终端设备地所有应用层有效负载(payload),并为最终用户提供应用级服务。它还为连接的终端设备生成所有应用层下行链路有效载荷。

可以有多个 AS 连接到一个 NS ,也可以一个 AS 连接到许多 NS(例如通过多层网络操作终端)。一个 AS 也可以连接多个 JS 。

hNS 基于 DevEUI 路由上行链路到合适的 AS 。

除了前述的网络元素外,LoRaWAN 架构还在这些实体间定义了以下网络接口:

hNS-JS:此接口用于支持 JS 和 NS 之间的入网(激活)过程。

vNS-JS:此接口用于漫游激活过程。它用于检索于终端设备关联的 hNS 和 NetID 。

ED-NS:此接口用于支持终端设备和 NS 之间的 LoRaWAN MAC 层信令和有效载荷传送。

AS-hNS:此接口用于支持应用程序有效载荷的传送以及在 AS 和 NS 之间关联元数据(meta-data)。

hNS-sNS:此接口用于支持 hNS 和 sNS 之间的漫游信令和有效载荷传递。

sNS-fNS:此接口用于支持 sNS 和 fNS 之间的漫游信令和有效载荷传递。

AS-JS:此接口用于将应用会话密钥(AppSKey)从 JS 传送到 AS 。