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LoRaWANOTAA入网方式详述

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发布日期：2022-09-18

OTAA(Over-The-Air Activation)，是LoRaWAN的一种空中入网方式。当node在上电的时候处于非入网状态时，需要先入网才能和服务器进行通信。其操作就是node发送join_request message，请求入网，然后服务器同意入网，并且返回Join-accept message，node再对信息进行解析，获取通信参数，之后就可以和服务器通信了。

准备工作

node端在做OTAA入网之前，需要先具备三个参数：

  • APPEUI node自定义的8字节长地址
  • APPKEY 服务器和node端都事先存好，用于对Join_acept message 做加解密处理
  • DevNonce 2字节的随机数，用于生成随机的AppSKey和NwkSKey

这些参数可以通过程序固话在里面，或者通过串口或其他方式在入网操作前告诉node。

当这些准备工作都做好了之后，node设备就能够入网了。

第一步

1.node发起入网请求，也就是发送join_request message，

根据LoRaWAN specification 可知，join_request message的格式如下:

MHDR APPEUI DevEUI DevNonce MIC
1字节 8字节 8字节 2字节 4字节

其中

字段 描述
MHDR 数据包头，其中包含了数据包的类型，也就是说从这个包头可以知道，这是一个join_request message
APPEUI 应用EUI
DevEUI node的长地址，由node自己定义
DevNonce 一个随机数，用来生成密码
MIC 4字节的校验

需要注意的是Join_request message是未加密的

第二步

2.GW将此数据上传至NS

GW对MAC层的数据不进行解析，而是直接将其进行base64编码之后，封装成JSON包上传至NS,MAC层的数据位于rxpk.data

样例数据：

{
    "rxpk": [
        {
            "tmst": 532505620,
            "chan": 6,
            "rfch": 0,
            "freq": 471.9,
            "stat": 1,
            "modu": "LORA",
            "datr": "SF12BW125",
            "codr": "4/5",
            "lsnr": -17,
            "rssi": -81,
            "size": 23,
            "data": "AAEAACAAxSYsFhAWIAB3SgBUe0At4Zo="
        }
    ]
}

此处，将data进行base64解码，我们就可以看到MAC层数据了，因为join_request message数据是未加密的

data部分的内容如下：

/x00 /x01 /x00 /x00 /x20 /x00 /xc5 /x26 
/x2c /x16 /x10 /x16 /x20 /x00 /x77 /x4a 
/x00 /x54 /x7b /x40 /x2d /xe1 /x9a

各部分的内容分别为：

字段 内容
MHDR /x00
AppEUI /x01 /x00 /x00 /x20 /x00 /xc5 /x26 /x2c
DevEUI /x16 /x10 /x16 /x20 /x00 /x77 /x4a /x00
DevNonce /x54 /x7b
MIC /x40 /x2d /xe1 /x9a

第三步

3.NS向AS发送设备入网包

样例数据:

{
    "join": {
        "request": {
            "frame": "AAEAACAAxSYsFhAWIAB3SgBUe0At4Zo"
        }
    }
}

将join.frame进行base64 解码，得到的内容为：

/x00 /x01 /x00 /x00 /x20 /x00 /xc5 /x26 
/x2c /x16 /x10 /x16 /x20 /x00 /x77 /x4a 
/x00 /x54 /x7b /x40 /x2d /xe1 /x9a

可以看到，原先的MAC 层的data数据没有变化

第四步

4.AS同意入网并且向NS回复同意入网

样例数据:

{
    "join": {
        "moteeui": "4a770020161016",
        "accept": true
    }
}

第五步

5.NS生成MoteAddr,并将node端的信息发送给AS

样例数据:

{
    "join": {
        "appeui": "2c26c50020000001",
        "moteeui": "4a770020161016",
        "details": {
            "moteaddr": "48000002",
            "devicenonce": 31572
        }
    }
}

第六步

6.AS生成密钥，并将相关信息告诉NS

样例数据:

{
    "join": {
        "moteeui": "4a770020161016",
        "complete": {
            "frame": "IPqAKXQ7LS/CmYVCDy8K3k4",
            "networkkey": "de03331aeb4254e9727b6fafbf13db3d"
        }
    }
}

可以看到，networkkey直接发送给NS了，这也就是NwkSKey，之所以明文告诉NS，是因为:
1.NS不做解密的工作,所以不能通过APPKEY解密负载得到
2.networkkey在NS对上下行数据进行校验的时候会使用到

第七步

7.NS将数据告诉GW,GW再转换成MAC包，发送给node

样例数据：

{
    "txpk": {
        "tmst": 537505620,
        "freq": 471.9,
        "rfch": 0,
        "powe": 14,
        "modu": "LORA",
        "datr": "SF12BW125",
        "codr": "4/5",
        "ipol": true,
        "size": 17,
        "data": "IPqAKXQ7LS/CmYVCDy8K3k4"
    }
}

需要注意的是,此时的data部分是经过base64编码以及AES加密的，直接解码，看到的数据是无效的，需要再进行解密，解密需要使用APPKEY，也就是之前介绍的APPKEY.

txpk.data部分就是LoRaWAN MAC的join_accept message.

第八步

8.node解析join_accept message 部分

根据LoRaWAN specification 可知，join_accept message的格式如下:

MHDR AppNonce NetID DevAddr DLSettings RxDelay CFList(pad16) MIC
1字节 3字节 3字节 4字节 4字节 1字节 0/16字节 4字节

其中

字段 描述
MHDR 数据包头，其中包含了数据包的类型，也就是说从这个包头可以知道，这是一个join_accept message
AppNonce 3字节的unique ID,服务器生成的，产生AppSKey/NwkSKey 会用到
NetID 网络ID，产生AppSKey/NwkSKey 会用到
DevAddr 设备的短地址
DLSettings 设置RX1和RX2的下行接受串口的速率
RxDelay 从发送完成到打开RX1接受串口的事件
CFList(pad16) 我也不知道是什么，目前看到的都是0个字节
MIC 4字节的校验

需要注意的是Join_accept message是加密的，需要使用APPKEY解密

txpk.data:
"data": "IPqAKXQ7LS/CmYVCDy8K3k4"

base64解码:
/x20 /xfa /x80 /x29 /x74 /x3b /x2d /x2f
/xc2 /x99 /x85 /x42 /x0f /x2f /x0a /xde
/x4e

这个数据是未解密的，我们还需要解密

解密后为
/x20 /x43 /x75 /xcb /x24 /x00 /x00 /x02
/x00 /x00 /x48 /x03 /x00 /x82 /xc9 /xd0
/xf9

具体的情况如下:

字段 解密前 解密后
MHDR /x20 /x20
AppNonce /xfa /x80 /x29 /x43 /x75 /xcb
NetID /x74 /x3b /x2d /x24 /x0 /x0
DevAddr /x2f /xc2 /x99 /x85 /x2 /x0 /x0 /x48
DLSettings /x42 /x3
RxDelay /x0f /x0
CFList    
MIC /x2f /x0a /xde /x4e /x82 /xc9 /xd0 /xf9

可以看到,DevAddr为0x48000002，而AppSKey和NwkSKey无法直接看出来，需要再计算

计算公式如下:

  • NwkSKey = aes128_encrypt(AppKey, 0x01 | AppNonce | NetID | DevNonce | pad16)
  • AppSKey = aes128_encrypt(AppKey, 0x02 | AppNonce | NetID | DevNonce | pad16)
no form by the id.

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