基于LoRaWAN協(xié)議的雙向認(rèn)證接入機(jī)制的研究

馬早霞，李 磊，劉 心

(河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對通信技術(shù)提出了更高的要求[1-3]。在此背景下，低功耗廣域網(wǎng)LPWAN (low power wide area network) 因其能耗小、通信范圍廣等特點得以廣泛應(yīng)用。LoRa技術(shù)作為LPWAN中應(yīng)用最為廣泛的通信技術(shù)之一具有低功耗、遠(yuǎn)距離、廣范圍的特點，發(fā)展相對較快、較為成熟。智慧物聯(lián)網(wǎng)依托LPWAN，容易陷入隱私泄漏和其他安全危機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸過程是整個物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸最薄弱的環(huán)節(jié)，特別是在LoRa無線網(wǎng)絡(luò)中，由于帶寬、數(shù)據(jù)速率和包大小等受限，數(shù)據(jù)鏈路特別容易受到攻擊[4]。LoRaWAN是基于LoRa的上層協(xié)議，定義了整個系統(tǒng)的架構(gòu)和運(yùn)行過程。LoRaWAN使用對稱密鑰加密(AES-128bits)進(jìn)行加密/解密和MAC操作，雖在一定程度上保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有效負(fù)載，但仍面臨數(shù)據(jù)加密安全度不高，傳輸鏈路易被監(jiān)聽等問題[4-5]。

LoRa廣域網(wǎng)的安全性受到廣泛關(guān)注，文獻(xiàn)[6]指出了通信各方由于同步問題易受攻擊的漏洞。文獻(xiàn)[7]首次對LoRaWAN協(xié)議的安全性進(jìn)行研究，主要分析了LoRaWAN v1.0和LoRaWAN v1.1的密鑰交換部分，利用工具Scyther提出了一種針對v1.1的安全協(xié)議模型，定義了基于物理層的LPWAN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行。但是該文獻(xiàn)提出的模型只是對協(xié)議進(jìn)行安全性檢查，并不能解決LoRaWAN協(xié)議易受攻擊和重放的問題。文獻(xiàn)[8]針對MAC層安全機(jī)制提出了一種密鑰自動生成機(jī)制。文獻(xiàn)[9]在此基礎(chǔ)上提出一種密鑰衍生機(jī)制，該機(jī)制無差別地對連接請求過程進(jìn)行加密，并沒有考慮對功耗的增加。文獻(xiàn)[10]提出一種低功耗的端對端的密鑰生成機(jī)制。文獻(xiàn)[11]展示了密鑰管理、通信和網(wǎng)絡(luò)連接階段的幾個漏洞，討論了LoRaWAN v1.0的一些漏洞。文獻(xiàn)[12]指出，在空中激活過程中，終端向服務(wù)器發(fā)送的連接請求加密等級不高。但是這個問題已經(jīng)在LoRaWAN新版本協(xié)議中做出了改進(jìn)。

本文旨在分析LoRaWAN協(xié)議傳輸鏈路的安全性，在有針對性地解決了重放攻擊問題的基礎(chǔ)之上，提出了一種基于LoRaWAN協(xié)議的安全入網(wǎng)機(jī)制，保證傳輸安全性的同時盡可能地降低功耗。

1 LoRaWAN幀重構(gòu)機(jī)制

1.1 LoRa網(wǎng)絡(luò)與LoRaWAN協(xié)議基本原理

圖1為LoRa傳感網(wǎng)絡(luò)概念架構(gòu)圖。LoRa網(wǎng)絡(luò)是一種星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，終端采集數(shù)據(jù)后上傳至服務(wù)器，且終端與服務(wù)器之間均可以進(jìn)行雙向通信。一個LoRa終端可與一個或多個網(wǎng)關(guān)相連，網(wǎng)關(guān)只對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理[13]。

圖1 LoRa智慧網(wǎng)絡(luò)概念圖Fig.1 LoRa Intelligent Network Concept

LoRaWAN作為LoRa網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議，定義了6種消息類型，如表1所示。

服務(wù)器根據(jù)收到的消息類型判斷是否需要進(jìn)行應(yīng)答。當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀為confirmed類型的消息時，服務(wù)器要進(jìn)行答復(fù)(即ACK要進(jìn)行重置)。其他消息類型根據(jù)需求可不進(jìn)行答復(fù)。本文所做研究針對LoRaWAN數(shù)據(jù)幀join request類型進(jìn)行重構(gòu)，即對入網(wǎng)請求幀進(jìn)行重構(gòu)。

表1 LoRaWAN消息類型

1.2 雙向認(rèn)證機(jī)制

雙向認(rèn)證機(jī)制是基于終端與網(wǎng)關(guān)之間的交互，建立安全的數(shù)據(jù)鏈路，防止重放攻擊的有效方法。服務(wù)器對終端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中MAC地址和IP地址等進(jìn)行函數(shù)提取以及合法性檢測，然后被請求方根據(jù)請求方身份信息生成編碼重構(gòu)序列，請求方根據(jù)編碼重構(gòu)序列進(jìn)行幀重構(gòu)，然后隨機(jī)生成反向編碼重構(gòu)序列一同發(fā)送給被請求方，由被請求方再次驗證身份。

圖2 雙向認(rèn)證過程Fig.2 Two-way authentication process

圖2所示為LoRa終端與服務(wù)器之間雙向認(rèn)證的過程。終端要按照服務(wù)器定義的規(guī)則對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行重構(gòu)，并實現(xiàn)重構(gòu)后數(shù)據(jù)幀的網(wǎng)絡(luò)通信傳輸。在數(shù)據(jù)鏈路建立時，首先由終端發(fā)起連接請求，服務(wù)器接收到連接請求后獲取數(shù)據(jù)幀的頭部信息，判斷是否需要進(jìn)行重構(gòu)，若需要重構(gòu)則由服務(wù)器向終端發(fā)送反向連接請求。終端收到服務(wù)器的反向連接請求后根據(jù)編碼重構(gòu)序列進(jìn)行重構(gòu)，然后第二次向服務(wù)器發(fā)送符合重構(gòu)規(guī)則的連接請求。服務(wù)器接收重構(gòu)后的連接請求判斷是否符合規(guī)則，若符合規(guī)則，則同意連接，至此通信鏈路建立成功。

該機(jī)制只有在數(shù)據(jù)鏈路建立的時候才啟動五次握手認(rèn)證。就單次傳輸來說數(shù)據(jù)鏈路的建立和釋放的能耗是不可避免的。安全機(jī)制的消耗增加主要體現(xiàn)在以下幾個方面增加：(1)每次隨機(jī)生成重構(gòu)因子的消耗；(2)五次握手機(jī)制的消耗；(3)數(shù)據(jù)鏈路釋放之后，再次建立時的消耗。該機(jī)制根據(jù)終端發(fā)送的請求數(shù)據(jù)幀的頭部信息生成的編碼重構(gòu)序列，再利用編碼重構(gòu)序列完成后續(xù)重構(gòu)規(guī)則的通知，在重構(gòu)規(guī)則協(xié)商過程中對請求方的設(shè)備合法性進(jìn)行檢測，通過雙方設(shè)備合法性檢測的流程實現(xiàn)防止第三方竊聽的效果。

圖3是進(jìn)行幀重構(gòu)規(guī)則通知的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，Preamble是幀的頭部，其中編碼了同步字來實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)兩方的同步。PHDR為物理頭，PHDE_CRC為頭校驗。 MHDR是MAC 層幀頭，其中MType 是消息類型，MIC是4字節(jié)校驗[14]。MACPayload 部分為數(shù)據(jù)幀的重構(gòu)部分，其中密鑰指示位代表密鑰指針指向的位置，通過此指針可以確定相同的密鑰。16 字節(jié)數(shù)據(jù)用于存放驗證信息。編碼重構(gòu)序列由其余三個參數(shù)共同確定。

1.3 認(rèn)證規(guī)則的周期性更新

考慮到LoRaWAN通信過程的系統(tǒng)開銷，若每次終端節(jié)點接入都需要進(jìn)行雙向認(rèn)證，則會大大增加能耗，所以在這里利用節(jié)點的安全性等級來確定認(rèn)證規(guī)則的更新周期。即規(guī)定，在一個周期內(nèi)，終端節(jié)點只需在首次連接時進(jìn)行雙向認(rèn)證，其余連接只需進(jìn)行網(wǎng)關(guān)與終端的單向認(rèn)證即可。所以節(jié)點的安全等級與重構(gòu)因子的更新周期息息相關(guān)，隨著信息安全性等級越高，重構(gòu)因子的更新周期應(yīng)該更短，才能保證數(shù)據(jù)的安全性。在本文中，我們按照終端節(jié)點所采集信息的隱私程度，將終端節(jié)點分為五個安全等級，對應(yīng)認(rèn)證規(guī)則的5個更新周期。T=1時，只需進(jìn)行一次安全數(shù)據(jù)鏈路的建立，一旦數(shù)據(jù)鏈路建立，在之后的數(shù)據(jù)傳輸中將不再進(jìn)行終端身份的認(rèn)證，直到終端身份失效。

在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端進(jìn)行重構(gòu)規(guī)則的周期性更新，給定重構(gòu)因子一個更新周期，在周期內(nèi)的重構(gòu)因子不進(jìn)行變化，而是在達(dá)到更新周期后對重構(gòu)規(guī)則進(jìn)行函數(shù)性變化。即不用每次建立數(shù)據(jù)鏈路都要生成隨機(jī)的重構(gòu)因子，而是在一定時間內(nèi)使用同一個重構(gòu)因子，以此來減少系統(tǒng)開銷。

為解決重構(gòu)規(guī)則更新時網(wǎng)關(guān)和終端雙方使用規(guī)則的不同步問題，設(shè)置一個緩沖區(qū)來保存原來的重構(gòu)規(guī)則和已經(jīng)發(fā)送過申請的終端地址合法性。若收到的攜帶重構(gòu)因子的申請不符合重構(gòu)規(guī)則但其設(shè)備身份是合法的，則該終端可能是按照上一個周期的重構(gòu)規(guī)則進(jìn)行幀重構(gòu)的。

該機(jī)制的周期性處理流程見圖4。

2 仿真及結(jié)果對比

2.1 設(shè)備合法性檢測

為進(jìn)一步提供通信鏈路安全性，該機(jī)制對雙向認(rèn)證接入方法的重構(gòu)規(guī)則進(jìn)行周期性更新。為解決重構(gòu)規(guī)則更新時服務(wù)器和終端雙方使用規(guī)則的不同步問題，在網(wǎng)關(guān)中設(shè)置一個白名單來保存已經(jīng)發(fā)送過申請的終端的地址，白名單隨著重構(gòu)規(guī)則進(jìn)行周期性更新，若發(fā)送請求的終端數(shù)據(jù)幀地址已在白名單中保存，則可以判斷該終端在本周期內(nèi)已經(jīng)成功建立過連接，則可進(jìn)一步判斷其請求幀是否符合重構(gòu)規(guī)則。若請求幀符合重構(gòu)規(guī)則，則服務(wù)器同意其連接請求；若不符合重構(gòu)規(guī)則，則拒絕該終端本次連接請求。上述流程可見圖5。圖6所示為終端側(cè)設(shè)備合法性檢測流程圖，是終端發(fā)送連接請求后等待接收服務(wù)器的響應(yīng)，并根據(jù)服務(wù)器響應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀重構(gòu)或數(shù)據(jù)傳輸，若收到服務(wù)器發(fā)送的攜帶編碼重構(gòu)序列的反向連接請求，則對自身請求幀進(jìn)行響應(yīng)重構(gòu)，若接收到服務(wù)器的同意連接通知，則可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 幀重構(gòu)規(guī)則通知報文Fig.3 The frame reconstruction rules inform the message

圖4 雙向認(rèn)證機(jī)制路程圖Fig.4 Two-way authentication mechanism road map

圖5 服務(wù)器端設(shè)備合法性檢測流程圖Fig.5 Flow chart of server side device legality detection

圖6 終端側(cè)設(shè)備合法性檢測流程圖Fig.6 Flow chart of legality testing of terminal side equipment

2.2 安全性能驗證

所有終端的連接請求，經(jīng)NS(Network Servers)轉(zhuǎn)發(fā)給JS(Join Servers)處理。DevNonce是一個由終端設(shè)備在請求連接時產(chǎn)生，在一定范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)[16]。已產(chǎn)生的DevNonce由JS設(shè)立的固定大小的數(shù)據(jù)池保存。在JS處理連接請求過程中，JS若判斷DevNonce是個不在數(shù)據(jù)池內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，則同意連接請求，若與數(shù)據(jù)池內(nèi)的數(shù)據(jù)匹配成功，則對連接請求予以丟棄。因為服務(wù)器可連接的終端設(shè)備是有限的，且一旦雙方建立連接，一般情況下，之后的連接將不再進(jìn)行身份認(rèn)證。所以服務(wù)器不會刪除數(shù)據(jù)池中保存的DevNonce。若終端需要重新連接網(wǎng)絡(luò)，則生成新的DevNonce。惡意攻擊節(jié)點抓出這一特點，通過占用大量DevNonce使終端設(shè)備不能產(chǎn)生規(guī)定范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，而無法與服務(wù)器建立連接。

(1)

式中，Tr(以天為單位)代表攻擊節(jié)點重放需等待的時間，是表示數(shù)據(jù)鏈路安全性的重要系數(shù)；ND代表最終數(shù)據(jù)池中的序列；fJ(固定值)代表每天每個終端設(shè)備的有效連接過程的數(shù)量。

從式(1)可以看出，只要ND越大，即數(shù)據(jù)池容量夠充足，則連接請求就夠安全。

而幀重構(gòu)機(jī)制可以在每次身份認(rèn)證結(jié)束后便丟棄已產(chǎn)生DevNonce，從而有效地防止了重放攻擊。

判斷算法優(yōu)越性的指標(biāo)，除了防止重放的時間之外，還有終端連接的成功率。

假設(shè)DevNonce在數(shù)據(jù)集[1,…,N=216]內(nèi)，S是存儲DevNonce的集合，|S|=ND，那么在LoRaWAN v1.1定義下，終端產(chǎn)生一個已被ND存儲的DevNonce的概率是：

(2)

可以看出ND越大，則連接成功率就越低。

而在通過業(yè)務(wù)區(qū)分機(jī)制中，引入了周期性幀重構(gòu)的概念。將一天的時間分為n個周期T，在一個周期結(jié)束后，服務(wù)器存儲的已被終端使用過的DevNonce數(shù)據(jù)池將清空。那么終端產(chǎn)生一個已被ND存儲的DevNonce的概率就是：

P[dK∈S]=P[dK∈S|Ti]

(3)

式中，Ti表示當(dāng)前所處周期，dk是第k次連接過程中產(chǎn)生的DevNonce。系數(shù)P代表信息的安全性，P系數(shù)越高，代表連接成功率越低，即信息傳輸風(fēng)險越高。反之，則信息傳輸風(fēng)險越低。

為了驗證系統(tǒng)性能，在opnet中搭建了LoRa傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，模擬信息發(fā)送與接收。根據(jù)信息的安全等級不同，將采集到的醫(yī)療信息分為五個等級，每個等級有其相應(yīng)的重構(gòu)周期。采集到的數(shù)據(jù)會根據(jù)它對應(yīng)的等級選擇相應(yīng)的重構(gòu)周期進(jìn)行發(fā)送。所以在實際情況中，周期是可變的。在可變周期下的安全系數(shù)的對比見圖7。

圖7 安全系數(shù)對比圖Fig.7 Comparison diagram of safety factor

n代表著不同程度安全等級，對比其對應(yīng)著的不同的概率。生成的ND增大，生成無效DevNonce的概率越高，即數(shù)據(jù)連接建立的成功率越低。但因為周期性進(jìn)行幀重構(gòu)的原因，NS端存儲的DevNonce不斷刷新，終端生成的無效DevNonce值的概率一直小于標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN v1.1，且n越大，即周期時間越短，生成無效的DevNonce的概率越小，即安全數(shù)據(jù)鏈路連接成功率越高。

為了對比可變周期下的幀重構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN v1.1的能量消耗，本文模擬了一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)的發(fā)送，并對其進(jìn)行業(yè)務(wù)區(qū)分，按照數(shù)據(jù)的重要程度對其進(jìn)行安全度的區(qū)分，得到其安全等級變化,見圖8。

圖8 安全等級設(shè)置Fig.8 Safety level setting

其中P(n=1)=0.25，P(n=2)=0.272 5，P(n=3)=0.198 8，P(n=4)=0.127 1，P(n=5)=0.151 6。依照這部分的不同安全等級的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)開銷的計算。

2.3 系統(tǒng)開銷

先設(shè)定能量消耗系數(shù)，假定發(fā)送一比特數(shù)據(jù)消耗的能量為0.000 5。接收一比特數(shù)據(jù)消耗的能量為0.001。終端每間隔20 s向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。在五個安全等級下(第一等級即按照標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù))對能耗進(jìn)行比較，周期性進(jìn)行重構(gòu)的能量消耗顯然比標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN v1.1的能量消耗要大，且隨著安全性等級越高，其能耗就越高。而各部分?jǐn)?shù)據(jù)對安全性的要求也不同，若一味地追求高安全等級，會大大加速終端的能耗。而采用可變周期的方式，將隱私程度較高的數(shù)據(jù)設(shè)置為高安全等級，隱私度較低的數(shù)據(jù)設(shè)置為低安全等級。

圖9 數(shù)據(jù)認(rèn)證過程能耗圖Fig.9 Energy consumption chart of data authentication process

圖10 數(shù)據(jù)傳輸過程能耗圖(包括認(rèn)證過程)Fig.10 Data transmission process energy consumption diagram

圖9為1 000 s內(nèi)終端周期性身份認(rèn)證過程的能耗對比圖，在可變周期下產(chǎn)生的總能耗雖高于傳統(tǒng)LoRaWAN v1.1(即n1(base)_Energy曲線)，但它在考慮安全性的基礎(chǔ)上，與單純追求高安全等級的傳輸相比，能耗大大降低。

圖10為1 000 s內(nèi)終端周期性身份認(rèn)證并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸所產(chǎn)生的能耗對比圖，在可變周期下產(chǎn)生的總能耗雖高于傳統(tǒng)LoRaWAN v1.1，但它在考慮安全性的基礎(chǔ)上，與單純追求高安全等級的傳輸相比，能耗大大降低。

圖11 數(shù)據(jù)接受延遲分析圖Fig.11 Data reception delay analysis graph

從短期觀察信號延遲問題，通過圖11所示，由于在幀重構(gòu)機(jī)制服務(wù)器需要對終端進(jìn)行身份認(rèn)證，且終端需要根據(jù)服務(wù)器要求進(jìn)行幀重構(gòu)，所以在最初進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，本系統(tǒng)的延遲時間略高于標(biāo)準(zhǔn)LoRaWAN v1.1協(xié)議的延遲時間。當(dāng)完成身份認(rèn)證之后，受阻的數(shù)據(jù)會先后到達(dá)服務(wù)器，這部分?jǐn)?shù)據(jù)在身份驗證過程中已經(jīng)進(jìn)行重構(gòu)，所以圖中兩種模式會有短暫重疊，隨后兩條線漸漸趨于平緩。一個周期結(jié)束后，幀重構(gòu)機(jī)制中終端需要再一次進(jìn)行身份認(rèn)證，身份認(rèn)證結(jié)束后，延遲時間又恢復(fù)穩(wěn)定。通過對實驗結(jié)果分析，在數(shù)據(jù)傳輸階段造成的實驗增加不足7%。

3 結(jié)論

本文針對性的LoRa無線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議安全性問題，提出一種基于LoRaWAN協(xié)議的雙向認(rèn)證機(jī)制，該機(jī)制利用數(shù)據(jù)幀的編碼重構(gòu)，實現(xiàn)終端與服務(wù)器之間雙向的身份認(rèn)證，并在此基礎(chǔ)上對重構(gòu)規(guī)則進(jìn)行周期性更新，對不同安全等級的節(jié)點進(jìn)行不同周期的重構(gòu)規(guī)則更新，避免多次重構(gòu)規(guī)則更新造成的系統(tǒng)開銷。通過對協(xié)議安全性的算法分析，結(jié)果表明該機(jī)制能夠有效提高終端與服務(wù)器建立連接過程的安全性，且協(xié)議安全性隨著重構(gòu)規(guī)則更新周期的縮短而增大。對該機(jī)制進(jìn)行能耗分析，結(jié)果顯示在雙方身份認(rèn)證過程中造成的能耗會隨著周期的縮短而增大，在整體數(shù)據(jù)傳輸過程中，能耗增加并不明顯，數(shù)據(jù)時延僅在認(rèn)證階段具有顯著增加，而在整體數(shù)據(jù)傳輸階段時延增加不過7%。該協(xié)議的安全性、能耗和時延均隨重構(gòu)規(guī)則更新周期的變化而變化，故該協(xié)議下一步將對更新周期的設(shè)置進(jìn)行進(jìn)一步研究，以求達(dá)到安全性和系統(tǒng)開銷的平衡。