mac 配置 mysql mac 配置网关

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智慧编织者 2023-12-26 14:55:01

文章标签 mac 配置 mysql lora Mac Data 数据帧 文章分类 MySQL 数据库

《关于》

《假设你已经读过了 LoRaWAN 1.0.3 规范》
《假设你已经深入学习并理解了官方 LoRaWAN 节点协议栈》
《本文章提及的 LoRaWAN 规范特指 1.0.3 版本》

Mac 网关的需要解决的难点

按我的上一篇文章所述，由于 LoRaWAN 规范定义，节点侧和 Mac 网关侧的 LoRaWAN 协议处理是不对称的，我们必须参考 LoRaWAN 规范和官方 LoRaWAN 节点协议栈，然后手动实现 Mac 网关侧的 Mac 层协议栈。

那么必须解决：

节点入网；
数据帧的加/解密；
Mac 网关的协议级处理。

解决节点入网（Join-Req 帧和 Join-Accept 帧）

处理接收的 Join-Req 帧

LoRaWAN 节点处理 Join-Req 帧

根据 LoRaWAN 规范的 6.2 节，LoRaWAN 节点会发送 Join-Request 帧来启动 OTAA 入网。
且 Join-Request 帧不加密，只计算 MIC。

那么，很好，Mac 网关对 Join-Request 帧的处理只需要验证 MIC 即可。

参考 LoRaWAN 规范的 6.2.4 节，Join-Req 帧的 MIC 计算方法如下：

mac 配置 mysql mac 配置网关_Data

计算 Join-Req 帧的 MIC 需要： AppKey 密钥与帧负载进行 AES 加密运算。

这一步在官方 LoRaWAN 节点协议栈的如下函数中进行处理:

/*!
 * Prepares the join-request message.
 * It computes the mic and add it to the message.
 *
 * \param[IN/OUT] macMsg         - Join-request message object
 * \retval                       - Status of the operation
 */
LoRaMacCryptoStatus_t LoRaMacCryptoPrepareJoinRequest( LoRaMacMessageJoinRequest_t* macMsg );

Mac 网关处理 Join-Req 帧

有了上面的知识积累，那么我们可以进行 Mac 网关侧的 Join-Req 处理。
在 Mac 网关侧我们只需要验证 MIC 即可。

那么 Mac 网关处理 Join-Req 帧的逻辑如下：
根据接收到的 Join-Req 帧，重新计算该帧的 MIC ，然后与接收到的 Join-Req 帧的 MIC 进行比较，如果 MIC 相等，则认为接收的 Join-Req 帧没问题可以进行后续的协议级处理（节点入网注册）。

Mac 网关侧的处理实现如下：

/*********************************************************************************************************
** 函数名称: LoRaMacCryptoVerifyJoinRequest
** 功能描述: 处理 JoinRequest 帧，验证 MIC
** 输　入  : obj                   加密对象
**           macMsg                JoinRequest 帧存储地址
** 输  出  : 加密 API 操作状态
** 全局变量:
** 调用模块:
*********************************************************************************************************/
LoRaMacCryptoStatus_t LoRaMacCryptoVerifyJoinRequest(LoRaMacCryptoCtx_t *obj,
                                                    LoRaMacMessageJoinRequest_t* macMsg);

处理成功之后，Mac 网关可以进行后续的派生密钥、节点注册等 Mac 层操作。

处理 Join-Accept 帧

在 Join-Req 帧处理完毕之后 Mac 网关需要对节点进行注册，并按照规范(CN470)，在 5 s 后下发 Join-Accept 帧。

LoRaWAN 节点处理 Join-Accept 帧流程

参考 LoRaWAN 规范 6.2.5 节，规范对LoRaWAN 节点处理 Join-Accept 帧的描述如下：

mac 配置 mysql mac 配置网关_lora_02

LoRaWAN 节点处理 Join-Accept 帧的顺序是：

先计算 Join-Accept 帧的 MIC；
再使用加密的方式进行解密。（根据规范，LoRaWAN 节点只存在加密操作，所以是不对称的）

LoRaWAN 节点处理 Join-Accept 帧的实现如下：

/*!
 * Handles the join-accept message.
 * It decrypts the message, verifies the MIC and if successful derives the session keys.
 *
 * \param[IN]     joinReqType    - Type of last join-request or rejoin which triggered the join-accept response
 * \param[IN]     joinEUI        - Join server EUI (8 byte)
 * \param[IN/OUT] macMsg         - Join-accept message object
 * \retval                       - Status of the operation
 */
LoRaMacCryptoStatus_t LoRaMacCryptoHandleJoinAccept( JoinReqIdentifier_t joinReqType, 
                                                        uint8_t* joinEUI,   
                                                        LoRaMacMessageJoinAccept_t* macMsg );

Mac 网关侧处理 Join-Accept 帧

为了后续协议帧的处理，我们必须手动实现网关侧的解密操作。

通过阅读 LoRaWAN 规范，并参考官方 LoRaWAN 节点协议栈，节点侧的加密操作是通过 AES 函数库的加密函数实现的，如下：

/*  Encrypt a single block of 16 bytes */

return_type aes_encrypt( const uint8_t in[N_BLOCK], uint8_t  out[N_BLOCK], const aes_context ctx[1] );

那么，相对应的网关侧的解密操作通过 AES 函数库的解密函数实现，如下：

/*  Decrypt a single block of 16 bytes */

return_type aes_decrypt( const uint8_t in[N_BLOCK], uint8_t out[N_BLOCK], const aes_context ctx[1] )

经过软件验证，方案可行。

则可以用上述的 AES 解密函数编写出 Mac 网关对 Join-Accept 帧的处理。

/*********************************************************************************************************
** 函数名称: LoRaMacCryptoPrepareJoinAccept
** 功能描述: JoinAccept 加密并组帧，先计算 MIC 再加密 数据
** 输　入  : obj                   加密对象
**           macMsg                JoinReq 帧存储地址
** 输  出  : 加密 API 操作状态
** 全局变量:
** 调用模块:
*********************************************************************************************************/
LoRaMacCryptoStatus_t LoRaMacCryptoPrepareJoinAccept(LoRaMacCryptoCtx_t *obj,
                                                    LoRaMacMessageJoinAccept_t* macMsg);

解决数据帧

Mac 网关对 Data Up 帧需要处理的问题有 3：

如果收到 Confirmed Data Up 帧, 则触发应答，Mac 网关需要在 1 s (CN470 地区规范)后下行发送应答帧。(目前暂不考虑在节点的 Rx2 窗口下发数据，不过要在 Rx2 下发的话，参考 Rx1 的下发代码重新实现即可)
对 Data Up 帧进行 MIC验证与数据解密。
对下行的 Unconfirmed Data Down 帧进行数据加密与 MIC 计算。(Mac 网关发送的下行帧固定使用 Unconfirmed Data Down)

Mac 网关解决问题1：应答

这个问题的解决在Mac 网关的接收协议级处理函数中(如果你不想自己写这个函数，那你可以参考我的代码实现)：

/*********************************************************************************************************
** 函数名称: LoragwMacRxDoneprocess
** 功能描述: Mac 网关接收完成协议级处理，需要处理接收到的不同设备的数据
** 输  入  : NONE
** 输  出  : 成功返回LGW_MAC_SUCCESS，失败返回LGW_MAC_ERROR
** 全局变量:
** 调用模块:
*********************************************************************************************************/
static int LoragwMacRxDoneprocess(void)；

如果你不想自己写这个函数，你可以参考我的代码实现(下面的是片段，最好查看全部的代码)：

case FRAME_TYPE_DATA_CONFIRMED_UP:	/* 接收到的是 confirmed 上行    */
        /*
         * TODO confirmed 触发下行发送事件且要求应答, 遍历, 不要加break
         */
        isdownlink = true;
        downlinkType = LORAMAC_MSG_TYPE_DATA;	/* 下行帧用来发送数据 unconfirmed*/
        ackrequest = true;

    case FRAME_TYPE_DATA_UNCONFIRMED_UP:

        macMsgData.Buffer = payload;	/* 填充解析结构串行化缓冲区     */
        macMsgData.BufSize = size;
        macMsgData.FRMPayload = datapayload;

综上，Mac 网关对应答的处理(基于我的代码)，是查询 MHDR 位域，然后设置标志位，通过标志位来触发下行应答事件。

Mac 网关解决问题2：处理 Data Up 帧(验证 MIC 并解密负载)

参考规范与官方 LoRaWAN 节点协议栈，节点对 Data Up 帧的处理顺序是：

数据加密；
计算 MIIC。

那么，Mac 网关对 Data Up 帧的处理顺序是：

验证 MIC；
数据解密。

Mac 网关对 Data Up 帧的处理的代码实现在：

/*********************************************************************************************************
** 函数名称: LoRaMacCryptoUnsecureMessage
** 功能描述: 网关对上行数据帧的解密和 MIC 校验，先验证MIC，再解密数据
** 输　入  : obj                   加密对象
**           addrID                地址标识符，标识使用那种解密方式，多播解密或者单播解密
**           address               终端地址
**           fCntID                数据帧计数器标识符(未使用)
**           fCntUp                上行帧计数器
**           macMsg                上行帧存储地址
** 输  出  : 加密 API 操作状态
** 全局变量:
** 调用模块:
*********************************************************************************************************/
LoRaMacCryptoStatus_t LoRaMacCryptoUnsecureMessage(LoRaMacCryptoCtx_t *obj, AddressIdentifier_t addrID,
                                                    uint32_t address, FCntIdentifier_t fCntID,
                                                    uint32_t fCntUp, LoRaMacMessageData_t* macMsg)

Data Up 帧验证 MIC

参考规范 4.4 节，MIC 的计算如下图：

mac 配置 mysql mac 配置网关_Mac_03

MIC 的计算需要使用 NwkSKey 密钥与Data Up 帧(不包括 MIC 的其他位域)，进行 AES128 的 CMAC 计算，并取 CMAC 的前四个字节做为 MIC。

综上，Mac 网关的验证需要使用接收到的 Data Up 帧(不包括 MIC)重新计算 MIC，并将计算出来的 MIC 位域与 Data Up 帧的 MIC 位域进行比较，如果相等，则验证通过。

这个函数可以直接使用 LoRaWAN 节点协议栈接口，因为都只是计算 CMAC，并没有什么实质上的不同。代码实现如下：

/*********************************************************************************************************
** 函数名称: VerifyCmacB0
** 功能描述: 在前面添加 B0 块来验证 CMAC。即验证MIC
** 输　入  : obj                   加密对象
**           msg                   需要计算完整性代码的数据存储地址
**           len                   数据长度
**           keyID                 密钥标识符
**           isAck                 是否为应答数据帧
**           dir                   数据帧方向( Uplink:0, Downlink:1 )
**           devAddr               当前终端地址
**           fCnt                  帧计数器
**           expectedCmac          期望的 MIC
** 输  出  : 加密 API 操作状态
** 全局变量:
** 调用模块:
*********************************************************************************************************/
static LoRaMacCryptoStatus_t VerifyCmacB0(LoRaMacCryptoCtx_t *obj, uint8_t* msg, uint16_t len,
                                            KeyIdentifier_t keyID, bool isAck, uint8_t dir,
                                            uint32_t devAddr, uint32_t fCnt, uint32_t expectedCmac);

Data Up 帧应用负载解密

参考规范 4.3.3 节，节点侧数据加密如下：

mac 配置 mysql mac 配置网关_Data_04

分析加密流程可知，应用负载不直接参与 AES 运算，我们通过 NwkSKey / AppSKey (通过 FPort 位域选择)与 Ai 块来进行 AES 的加密运算，获得 Si 块，然后通过 Si 块与应用负载异或得到加密后的应用负载。

综上，Mac 网关侧的数据解密只需计算出相同的 Si 块，然后与加密后的应用负载再次异或，即可解密出原始的应用负载。

直接使用 LoRaWAN 节点协议栈的加密 API：

/*********************************************************************************************************
** 函数名称: PayloadEncrypt
** 功能描述: 加密数据帧
** 输　入  : obj                   加密对象
**           buffer                数据帧存储地址
**           size                  数据帧长度
**           keyID                 用于加密的密钥
**           address               终端地址
**           dir                   数据帧方向
**           frameCounter          帧计数器
** 输  出  : 加密 API 操作状态
** 全局变量:
** 调用模块:
*********************************************************************************************************/
static LoRaMacCryptoStatus_t PayloadEncrypt(LoRaMacCryptoCtx_t *obj, uint8_t* buffer, int16_t size,
                                            KeyIdentifier_t keyID, uint32_t address, uint8_t dir,
                                            uint32_t frameCounter);

Mac 网关解决问题3：对下行的 Unconfirmed Data Down 帧进行数据加密与 MIC 计算

在规范 6.2.5 节中，我们可以看到如下说明：

mac 配置 mysql mac 配置网关_Data_05

LoRaWan 终端以负载加密的方式实现负载解密，这样终端只需要实现负载加密操作，而不需要实现负载解密操作。

那么，Mac 网关以负载解密的方式来对下行帧的应用负载 (如果存在的话) 进行加密。

阅读 LoRaWAN 官方节点协议栈对下行帧的处理函数 LoRaMacCryptoUnsecureMessage()，可以推断出 Mac 网关处理 Data Down 帧的流程，即：

进行应用负载加密；
计算 MIC。

代码实现如下：

/*********************************************************************************************************
** 函数名称: LoRaMacCryptoSecureMessage
** 功能描述: 网关对下行数据帧加密和MIC计算，先加密数据再计算MIC
** 输　入  : obj                   加密对象
**           fCntDown              下行帧计数器
**           txDr                  传输数据速率(未使用)
**           txCh                  上行信道索引(未使用)
**           macMsg                数据帧存储地址
** 输  出  : 加密 API 操作状态
** 全局变量:
** 调用模块:
*********************************************************************************************************/
LoRaMacCryptoStatus_t LoRaMacCryptoSecureMessage(LoRaMacCryptoCtx_t *obj, uint32_t fCntDown, uint8_t txDr,
                                                uint8_t txCh, LoRaMacMessageData_t* macMsg);

Data Down 帧应用负载加密

有了前文的知识积累，Mac 网关对 Data Down 帧应用负载加密与对 Data 帧的解密其实是一样的，可以直接使用 LoRaWAN 节点协议栈的加密 API：

/*********************************************************************************************************
** 函数名称: PayloadEncrypt
** 功能描述: 加密数据帧
** 输　入  : obj                   加密对象
**           buffer                数据帧存储地址
**           size                  数据帧长度
**           keyID                 用于加密的密钥
**           address               终端地址
**           dir                   数据帧方向
**           frameCounter          帧计数器
** 输  出  : 加密 API 操作状态
** 全局变量:
** 调用模块:
*********************************************************************************************************/
static LoRaMacCryptoStatus_t PayloadEncrypt(LoRaMacCryptoCtx_t *obj, uint8_t* buffer, int16_t size,
                                            KeyIdentifier_t keyID, uint32_t address, uint8_t dir,
                                            uint32_t frameCounter);

Data Down 帧计算 MIC

参考规范 4.4 节与前文，Mac 网关计算 Data Down 帧的 MIC其实与终端计算 Data Up 帧的 MIC 是一样的。

阅读 LoRaWAN 官方节点协议栈，我们可以使用下面的函数来计算 MIC：

/*********************************************************************************************************
** 函数名称: ComputeCmacB0
** 功能描述: 在前面添加 B0 块来计算 CMAC，即MIC
** 输　入  : obj                   加密对象
**           msg                   需要计算完整性代码的数据存储地址
**           len                   数据长度
**           keyID                 密钥标识符
**           isAck                 是否为应答数据帧
**           dir                   数据帧方向( Uplink:0, Downlink:1 )
**           devAddr               当前终端地址
**           fCnt                  帧计数器
**           cmac                  计算出来的 CMAC 存储地址
** 输  出  : 加密 API 操作状态
** 全局变量:
** 调用模块:
*********************************************************************************************************/
static LoRaMacCryptoStatus_t ComputeCmacB0(LoRaMacCryptoCtx_t *obj, uint8_t* msg, uint16_t len,
                                            KeyIdentifier_t keyID, bool isAck, uint8_t dir,
                                            uint32_t devAddr, uint32_t fCnt, uint32_t* cmac);