فناوری LoRaWAN یک پروتکل شبکه گسترده و دوربرد است که شرکت LoRa Alliance اون رو توسعه داده. این پروتکل «اشیایی» رو که در شبکه‌های محلی، ملی و جهانی قرار دارن به اینترنت متصل می‌کنه.
LoRaWAN قابلیت‌های ارتباط دوسویه، امنیت end-to-end، انتقال‌پذیری (mobility)، سروریس‌های محلی‌سازی رو برای فناوری برای اینترنت اشیاء به ارمغان میاره. LoRaWAN با استفاده از طیف های آزاد فرکانسی، پروتکل ارتباطی و معماری سیستم شبکه رو مشخص می‌کنه، لایه فیزیکی LoRa هم پیوندهای ارتباطی دوربرد بین حسگرها، سویچ ها و درگاه های ارتباطی رو ایجاد می‌کنه که به شبکه وصل هستن و از هم فاصله زیادی دارن.
این پروتکل با استفاده از سخت‌افزارها و نرم‌افزارها، فارغ از اینکه کجا قرار دارن، کمک می‌کنه تا در مدت زمان کمی شبکه‌های خصوصی و عمومی اینترنت اشیاء رو مستقر کرد. دستگاه‌های که به LoRaWAN مجهزه به دو روش می‌تونه به شبکه وصل بشه:
- Over-the-Air Activation (OTAA): دستگاه برای اتصال به شبکه قبل از هر چیز باید یک کلید شبکه و یک کلید نشست برنامه کاربردی ایجاد کنه.
- Activation by Personalization (ABP): کلیدهای دستگاه برای ارتباط با شبکه در برنامه گنجانده می شود که این کار در عین حال که امنیت رو کاهش میده باعث می‌شه برقراری ارتباط آسون‌تر بشه.
همراه من باشید تا این فناوری رو بصورت دقیق‌تر بررسی کنیم.
بررسی سطح امنیت فناوری LoRaWAN
LoRaWAN یک لایه امنیتی در سطح شبکه و یک لایه امنیتی در سطح برنامه کاربردی داره. لایه امنیتی سطح برنامه کاربردی این اطمینان رو به ما میده که کاربر شبکه به داده‌های برنامه کاربر نهایی دسترسی نداره، لایه امنیت شبکه هم این اطمینان رو به ما میده که تک تک گره های شبکه منطقی و قابل قبول هستن. در نتیجه، استاندارد LoRaWAN دو تا لایه رمزنگاری داره:
-
در انتها دستگاه و سرور، شبکه یک (Network Session Key (128-bit رو با هم رد و بدل می‌کنن.
-
در برنامه کاربردی یک Application Session Key (AppSKey) 128-bit منحصر بفرد به صورت end-to-end گذاشته می‌شه.
گره (Node) داده رو رمزگذاری می‌کنه و بعد پروتکل LoRaWAN هم قبل از اینکه داده به دروازه LoRa منتقل بشه، اون رو مجدداً رمزگذاری می‌کنه. دروازه LoRa داده‌ها رو از طریق یک شبکه IP استاندارد به سرور شبکه ارسال می‌کنه. سرور شبکه داده‌های LoRaWAN رو با استفاده از کلید نشست شبکه (Network Session Keys) رمزگشایی می‌کنه و بعد هم داده‌ها رو به سرور کاربرد ارسال می‌کنه؛ سرور کاربرد هم با استفاده از Application Session Key داده‌ها رو رمزگشایی می‌کنه (AppSKey).
در مرحله بعد، رمزگذاری به پروتکل ارتباطی LoRaWAN اضافه می‌شه. داده‌هایی که LoRa انتقال میده ارتباطات ساده امواج رادیویی هستن که خودشون نمی‌تونن رمزگذاری بشن. اگر دستگاهی که مجهز به LoRaWAN هست بخواد از طریق OTAA به شبکه وصل بشه، یک Appkey 128-bit بین دستگاه و شبکه رد و بدل می‌شه. وقتی دستگاه درخواست اتصال رو ارسال کنه، با استفاده از این AppKey یک Message Integrity Code (MIC) ساخته می‌شه و سرور این MIC رو با AppKey مقایسه می‌کنه.
اگر این MIC با AppKey مطابقت داشته باشه، سرور دو تا کلید 128 بیتی ایجاد می‌کنه: (AppSKey)App Session Key و (NetSKey)Network Session Key یا همون (NwkSkey). از AppKey به عنوان یک کلید رمزگذاری استفاده می‌شه تا این کلیدها رو به دستگاه ارسال کنه. دستگاه پس از دریافت این کلیدها، این دو تا کلید نشست (session ) رو رمزگذاری و نصب می‌کنه.
مزایای فناوری LoRaWAN
فناوری LoRaWAN مزایای زیادی داره. برخی از مزایای این فناوری عبارتند از:
-
این فناوری ناحیه وسیعی رو (برحسب کیلومتر) پوشش میده.
-
با فرکانس‌های رایگان کار می‌کنه و نیازی به پرداخت هزینه‌های مجوز نیست.
-
عمر باتری گجت‌ها خیلی زیاده و باتری دستگاه‌ها 2 تا 5 سال کار می‌کنه.
-
مشارکت غیراختصاصی با رویکرد باز
-
بُرد وسیع باعث می‌شه این فناوری در شهرهای هوشمند کاربرد داشته باشه. اما پهنای باند کم باعث می‌شه برای تجهیزات اینترنت اشیاء مناسب باشه که دیتاشون محدوده یا نرخ انتقال دیتاشون متغیره.
-
هزینه‌های اتصال کمتره، اتصال به صورت بی‌سیم انجام می‌شه و راه‌اندازی و استقرارش آسونه.
این فناوری با تکیه به رمزگذاری AES، ارتباط دو سویه و حمایت CISCO، IBM و 500 شرکت دیگر که عضو LoRa Alliance هستن، یک لایه امنیتی برای شبکه و یک لایه امنیتی دیگه برای اپلیکیشن داره.
به غیر از اینکه LoRaWAN در حوزه صنعتی کاربرد داره، در کشورهای در حال توسعه که هزینه جایگزین کردن اینترنت 5G گرونه، امکان راه‌اندازی و استقرار اینترنت اشیاء رو میسر می‌کنه. این فناوری به خاطر انعطاف‌پذیری، طراحی ساده و اینکه سخت‌افزارهای شبکه به تعمیر و نگهداری کمتری نیاز دارن تا حد زیادی هزینه استقرار رو کاهش میده. علاوه بر این، انرژی کمتری مصرف می‌کنه و بدین ترتیب، هزینه‌های اجرا رو کاهش میده. LoRaWAN که به گونه‌ای طراحی شده بود که دستگاه‌ها رو به صورت بی‌سیم به اینترنت وصل کنه، برای حسگرها، ردیاب‌ها و گره های شبکه با ترافیک پایین داده و عمر باتری محدود مناسبه. ویژگی‌های ذاتی این پروتکل باعث می‌شه که در حوزه‌های زیادی کاربرد داشته باشه.
محدودیت‌های فناوری LoRaWAN
همان‌طور که در بخش قبل گفتیم، این فناوری مزایای فوق‌العاده زیادی داره، اما یک سری محدودیت‌ها هم داره که برخی از اونا عبارتند از:
-
بسته های بزرگ داده، نیاز به پایش مداوم و برنامه های لحظه‌ای که باید تآخیر کمی داشته باشن (معمولاً در حد میلی‌ثانیه).
-
همزمان با اینکه استقرار دروازه های شبکه در مناطق شهری بزرگ افزایش پیدا می‌کنه، فناوری‌های LPWAN، به ویژه LoRaWAN افزایش پیدا می‌کنه.
LPWAN چیست و چطور کار می‌کند؟
دستگاه‌های دوربرد اینترنت اشیاء، از هم فاصله دارن و مجبورن مدت زیادی با یک باتری کار کنن. ولی یک مشکل دارن، اگه شما بخواین اطلاعات رو به صورت بی‌سیم به مناطق دوردست ارسال کنین، یا باید قدرت سیگنال رو افزایش بدین یا پهنای باند سیگنال رو کاهش بدین. به این مثال توجه کنین: اگر آب داره از خط لوله عبور می‌کنه و شما می‌خواین آب رو به منطقه‌ای بفرستین که از خط لوله فاصله داره، یا باید فشار آب رو زیاد کنین یا از لوله‌های باریک‌تر استفاده کنین یا این دو تا کار رو با هم انجام بدین.
کارکرد اینترنت اشیاء به این شکله که داده‌ها جمع‌آوری می‌شن و به مناطق دوردست ارسال می‌شن، در حالی‌که حسگرها کیلومترها از هم فاصله دارن. برای استقرار دستگاه‌های اینترنت اشیاء که در حوزه کشاورزی یا انبارها کاربرد دارن، ممکنه لازم باشه دستگاه‌ها چندین سال یا حتی برای یک دهه بسته های کوچک اطلاعات رو در فوصل معین فقط با استفاده از یک باتری ارسال کنن.
شبکه‌های دوربرد با توان مصرفی پایین یا همون LPWANها در بخش صنعتی خیلی کارایی دارن. دستگاه‌ها با اتصال به این شبکه‌ها می‌تونن مقدار کمی اطلاعات رو به مناطق دوردست ارسال کنن و چندین سال فقط با یک باتری کار کنن. استاندارد باز LoRaWAN یکی از پروتکل‌های مشهور و کارآمد LPWAN هست که بصورت کامل با آن آشنا شدیم.
برتری های فناوری LPWAN
با توجه به گستره بسته های داده LPWAN، حسگرها حتی می تونن در آب‌وهوای سخت و از زیرزمین به تبادل اطلاعات بپردازند. اما بیاید با مهمترین مزیت های LPWAN آشنا بشیم:
1. تعداد دروازه (Gateway) های کمتر
ارتباط در فواصل طولانی نسبتاً به تعداد کمتری از دروازه ها نیاز داره. این به نوبه خود هزینه های زیرساختی رو کاهش میده. LPWAN می تواند در محدوده های طولانی بسیار راحت عمل کند.
2. طیف رادیویی رایگان
LPWAN به هر کسی اجازه میده تا اطلاعات رو در طیف رادیویی رایگان ارسال/دریافت کنه – بدون هیچ مجوز یا پرداخت. این بدان معناست که هر کسی می‌تونه با هزینه داده صفر یک ارائه دهنده دروازه باشه.
3. مصرف برق کم
توان مصرفی دستگاه اینترنت اشیا به تعداد دفعات و نحوه انتقال داده در یک دوره زمانی بستگی داره. این دستگاه اطلاعات رو بیش از حد انتقال نمی‌ده و عمر باتری 5-10 سال رو امکان پذیر می‌کنه. هنگامی که دستگاه ها کار نمی کنند، ریزپردازنده به حالت خواب می رود.
محدودیت های فناوری LPWAN
هیچ فناوری کامل و بی عیب نیست، و حتی اگر LPWAN رو در مدیریت دستگاه‌ها و حسگرهای اینترنت اشیا در مکان‌های دوردست مورد استفاده قرار دهیم که یک یک مزیت هست، اما بازهم یکسری محدودیت‌ها وجود خواهد داشت. در اینجا مهمترین محدودیت های LPWAN رو که باید در مورد آنها بدانید باهم بررسی می‌کنیم:
- LPWANها برای برنامه‌هایی که نیاز به انتقال مکرر و یا انتقال حجم زیاد اطلاعات دارند، مناسب نیستند. آنها با بسته های داده ای کمتر از 50 کیلوبیت بر ثانیه سروکار ندارند.
- LPWAN فقط از نرخ داده پایین پشتیبانی می‌کنه، بنابراین نمی‌تونیم از LPWAN برای برنامه های کاربردی با سرعت داده بالا استفاده کنیم. همچنین تاخیر بالایی بین گره های انتهایی داره که این خصوصیت، LPWAN رو برای کاربردهای با تأخیر کم نامناسب می‌کنه.
- از اونجایی که می‌تونه از طریق یک طیف رادیویی آزاد ارتباط برقرار کنه، احتمال اینکه که دستگاه های دیگه‌ای در همان فرکانس کار کنند بالاست. این می‌تونه شبکه رو مسدود کنه و انتقال داده‌ها رو مختل کنه.
جمع‌بندی
فناوری LoRaWAN توسط بیش از 70 اپراتور شبکه در سراسر جهان با استقرار اینترنت اشیا در بیش از 100 کشور ارائه شده. این فناوری دارای مجموعه ای قوی از توسعه‌دهندگان، فروشندگان سخت‌افزار، زیرساخت های اینترنت اشیا، شرکا، فروشندگان فناوری اینترنت اشیا، یکپارچه‌کننده‌های سیستم و ارائه‌دهندگان مخابراتی هست.
از طرف دیگه فناوری LPWAN در حوزه اینترنت اشیا به دلیل مقرون به صرفه بودن و ارائه ویژگی‌های متعددی مانند امنیت،طول عمر و شبکه‌های ارتباطی بالغ و گسترده، اهمیت پیدا کرده.
هر دو فناوری که راجع بهشون صحبت کردیم مزایا و محدودیت‌های خاص خودشون رو دارند و دائماً در حال تکامل هستند تا با چشم‌انداز اینترنت اشیا مطابقت داشته باشن.
