LPWAN ( Low Power Wide Area Network) Technology Overview
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來源：LoRa Alliance
這是最近LoRa聯盟官方發佈的第6份白皮書，主題是安全，由GEMALTO、ACTILITY和SEMTECH一同提供，總體來說技術性較強，翻譯難免有不妥之處，還請大家見諒。
LoRaWAN介紹
LoRaWAN是一種低功耗廣域網路協議，可以為IoT、M2M、智慧城市和工業應用等場景，提供低功耗、可移動、安全的雙向通信。LoRaWAN協議為低功耗進行了優化，並且為可支持數以百萬計設備的大型網路結構，進行了特別設計。
LoRaWAN的特點，是可以支持冗餘操作、定位、低成本和低功耗等應用場景。
安全是所有應用場景的基本前提，所以從一開始在LoRaWAN協議中，就對安全性進行了設計。然而安全包含眾多方面，尤其是LoRaWAN的加密機制，需要特殊的解釋。
所以此白皮書，將會對當前LoRaWAN協議的安全性進行說明。首先會針對協議中的安全屬性進行闡述，然後呈現具體的實現細節，最後對一些LoRaWAN安全性上的設計進行解釋。
LoRaWAN安全屬性
LoRaWAN的安全性設計原則，要符合LoRaWAN的標準初衷，即低功耗、低複雜度、低成本和大擴展性。由於設備在現場佈署，並持續的時間很長(往往是數年時間)，所以安全考慮一定要全面，並且有前瞻性。
LoRaWAN安全設計，遵循先進的原則：標準的採取，算法的審查，以及端到端的安全機制。接下來我們會對LoRaWAN安全性的基本特性，進行描述：包括雙向認證、完整性校驗和保密機制。
雙向認證作為網路連接的過程，發生在LoRaWAN終端節點與網路之間。這確保只有真正的和已授權的設備，才能與真實的網路相連接。
LoRaWAN的MAC和應用消息，是「生來」經過認證、完整性保護和加密的。這種保護和雙向認證，一同確保了網路流量沒有改變，是來自一個合法的設備，而不是「竊聽者」，或者「流氓」設備。
LoRaWAN安全性，進一步為終端設備和伺服器之間的數據交換，提供了端對端的加密機制。LoRaWAN是為數不多的支持端對端加密的IoT網路技術。
傳統的蜂窩網路中，加密發生在空中接口處，但在運營商的核心網路中，只是把它當做純文本來傳輸的。因此，終端用戶還要選擇、佈署和管理一個額外的安全層(通常通過某種類型的VPN，或應用層加密如TLS來實現)。
但這種方法，並不適合應用在LPWAN技術中，因為這會額外地增加網路功耗、複雜性和成本。
安全策略
之前提到的安全機制，依賴於經過完備測試，和標準化的AES加密算法。加密社區已經對這些算法，進行了多年的研究和分析，並且被美國國家標準技術研究所，認定為適用於節點和網路之間，最佳的安全算法。
LoRaWAN使用AES加密語句，並結合多個操作模式：用於完整性保護的CMAC、用於加密的CTR。每一個LoRaWAN終端具有一個唯一辨識的128位AES Key(稱為AppKey)，和另外一個唯一標識符(EUI-64-based DevEUI)，二者都應用於設備辨識過程。
EUI - 64標識符的分配，要求申請人從 IEEE 登記機關，獲得組織唯一標識符 (OUI)。同樣地，LoRaWAN網路由LoRa 聯盟分配的24位，全球惟一標識符進行標定。
安全應用的負載
LoRaWAN應用負載的端對端加密，發生在終端設備和伺服器之間。完整性保護由跳頻來實現： 空中跳頻通過LoRaWAN提供的完整性保護，網路和伺服器之間的跳頻，透過使用安全傳輸方案，如HTTPS和VPNS來實現。
雙向認證：
空中激活證明，終端設備和網路都具有AppKey的概念。這透過將一個AES-CMAC(使用AppKey)從裝載到設備的加入請求，和後端接收器得到證明。兩個會話秘鑰接著進行相互認證，一個用來提供完整性保護和LoRaWAN MAC指令，和應用程序負載(NwkSKey)的加密，另一個用來提供端對端應用負載(AppSKey)的加密。
NwkSKey裝載在LoRaWAN網路，是為了驗證數據包的真實性和完整性。從網路服務商的角度，AppKey和AppSKey可以被隱藏，所以破解應用負載，是不可能實現的。
數據完整性和隱私保護：
LoRaWAN通信使用兩個會話秘鑰進行保護。每個負載由AES-CTR加密，並且攜帶一個幀計數器(為了避免數據包回放)，一個消息完整性代碼(MIC)和AES-CMAC(為了避免數據包被篡改)。下圖是LoRaWAN包結構示意圖。
安全性事實與謬論
LoRaWAN設備的實體安全：
AppKey和衍生而來的會話秘鑰，會持續的保存在LoRaWAN設備中，它們的安全性依賴於設備的實體安全。一旦設備受到實體損害，這些秘鑰存在防篡改儲存器中，從而受到保護，並且很難提取。
密碼學：
一些資料指出LoRaWAN密碼只使用了XOR而並非AES。事實上，如之前所提到的，AES用在了標準化CTR模式，這利用了XOR加密操作(還有CBC等許多其他模式)。這通過給每個分組密碼，分配一個唯一的AES碼，強化了AES算法。
會話秘鑰分布：
由於AppSKey 和NwkSKey從同一個AppKey生成，可以說如果LoRaWAN電信服務商獲得了AppKey，它能夠推導出AppSKey從而解碼網路。所以為了避免這種情況的發生，伺服器要對AppKey的儲存進行管理，雙向認證和密鑰推導的過程，可以由運營商以外的實體進行操作。
為了給電信服務商額外的靈活性，LoRaWAN接下來的新版本協議(1.1)會定義兩個主秘鑰，一個用於網路(NwkKey)，一個用於應用(AppKey)。
後端接口安全：
後端接口包括網路和應用程序伺服器之間，控制和數據信號。
HTTPS和VPN技術用於，保護這些關鍵的基礎設施元素之間，溝通的安全性。
實現和佈署安全：
LoRa聯盟一直在確保，其協議和架構規範的安全性，但是解決方案的總體安全性，還要依賴於具體的實現和佈署方式。所以安全問題需要各個環節的配合，製造商、供應商、電信服務商都需要參與當中。
註解
1 AES – 一種高級加密標準。這是一個基於對稱密鑰的加密算法，允許消息加密和身份認證。
2 CMAC - 基於暗碼的消息認證碼。
3 CTR - 計數器模式加密標準。一種依賴於計數器的數據流加密AES算法的操作模式。
4 AES-CMAC - 基於暗碼的消息認證碼，使用AES加密算法提供消息的完整性和真實性。
5 CBC是AES算法的一種操作模式，依靠一個初始化向量和前序的數據塊進行數據流的加密。
最後這個圖是LoRa聯盟，給出的全球佈署情況圖，LoRa聯盟現階段有超過400個會員，全球有超過150個正在進行的佈署計劃，並且有34個電信服務商的加入。
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