網(wǎng)關(guān)中LoRa Basics Station的應(yīng)用

LoRa Basics Station 是 LoRa? 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器的實現(xiàn)。LoRa 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)器是在基于 LoRa 的網(wǎng)關(guān)（帶或不帶 GPS）主機上運行的程序。

它可以通過安全的 IP 鏈路將集中器（上行鏈路）接收的射頻數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到 LoRaWAN? 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 (LNS)，也可以通過相同的安全 IP 將 LNS（下行鏈路）發(fā)送的射頻數(shù)據(jù)包傳輸?shù)揭粋€或多個設(shè)備。另外，它可以發(fā)送用于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)時間協(xié)調(diào)器件的信標信號。這些信標可以在整個網(wǎng)絡(luò)上與 GPS 同步傳輸。

#為什么選擇 LoRa Basics Station？

在 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)是 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 (LNS) 的物理層 (PHY) 接口。它偵聽無線電頻譜的某些部分，使用 LoRa 調(diào)制從傳感器發(fā)出的信號中解碼出有效的 LoRaWAN 數(shù)據(jù)包，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給 LNS。同時也將 LoRaWAN 數(shù)據(jù)包從 LNS 向下傳輸?shù)絺鞲衅?，作?LoRa 調(diào)制信號。

LoRa Basics Station 是 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)軟件的實現(xiàn)，在處理數(shù)據(jù)包流、管理頻譜接入和 LNS 回程連接等方面提供了核心功能。為了在大量網(wǎng)關(guān)上安全、可靠和高效地完成這些任務(wù)，Station 定義了兩個后端協(xié)議：

• LNS 協(xié)議是主要數(shù)據(jù)層，通過安全的 WebSocket 提供低延遲的雙向通信通道。此協(xié)議涵蓋了負載平衡和集中式配置管理的各個方面。
• Station 通過配置和更新服務(wù) (CUPS) 協(xié)議提供憑據(jù)管理和固件更新接口，該協(xié)議是經(jīng)身份驗證的簡單 HTTPS 事務(wù)，用于傳遞 LNS 接口憑據(jù)和已簽署的固件二進制文件。

說明：

• 文檔和協(xié)議定義可參見鏈接。
• 網(wǎng)關(guān)軟件實現(xiàn)可參見鏈接。

#LoRa Basics Station 可以做什么？

LoRa Basics Station 可完成與 LoRaWAN A、B 和 C 級的基本數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能有關(guān)的所有任務(wù)。此外，Station 還具有多種功能，使其特別適用于重視集中配置管理和遠程檢查功能的大規(guī)模網(wǎng)關(guān)部署。Station 的架構(gòu)使得它可以輕松接入不同平臺，甚至嵌入式系統(tǒng)。CUPS 和 LNS 協(xié)議的基本功能是可擴展的，并助力編排更復(fù)雜的使用場景，包括配置管理、時間保持、遠程檢查和干預(yù)等。

• 支持常見的無線電硬件參考設(shè)計
  • v1.5（單個 sx1301，通過 SPI + FPGA，用于 LBT）
  • v2（多個 sx1301s，通過 SPI + DSP，用于精細的時間戳）
  • Picocell（與 v1.5 類似，但通過 USB 并降低了功耗 – USB 加密狗）
  • Corecell（單個 sx1302，通過 SPI）

• 精益架構(gòu)
  • 資源節(jié)約型設(shè)計 - 適用于嵌入式應(yīng)用
  • 最小的第三方依賴性，以實現(xiàn)最佳的可移植性
  • 通過豐富的運行時參數(shù)集，可實現(xiàn)低等級的微調(diào)

• 全面支持 Linux 主機
  • 守護進程模式
  • 靈活記錄、日志文件輪替和裁切
  • 主機/從機設(shè)置，用于多無線電操作

• 安全的防火墻友好型 TCP/IP 通信
  • 無需 ingress 連接
  • 通過 TLS 證書或 HTTP 令牌標頭進行身份驗證

• LNS 協(xié)議
  • 集中式無線電參數(shù)管理
  • 遠程系統(tǒng)命令和可選的交互式 shell
  • 靈活的健康和狀態(tài)報告機制
  • GPS 時間推斷
  • 時間傳遞（方便室內(nèi) B 級用例）

• CUPS 協(xié)議
  • 具有回滾功能的連接憑據(jù)事務(wù)性更新
  • 具有 ECDSA 簽名的安全固件更新交付

#LoRa Basics Station 是如何構(gòu)建的？

Figure 1: LoRa Basics Station 系統(tǒng)概述

編譯的 Station 二進制文件是在網(wǎng)關(guān)主機平臺操作系統(tǒng)的用戶空間中執(zhí)行的應(yīng)用。上圖說明了 Station 如何與其他系統(tǒng)組件進行交互。

在左側(cè)，是網(wǎng)關(guān)無線電硬件及其與網(wǎng)關(guān)主機平臺的接口，平臺通常通過諸如 SPI 之類的串行接口進行連接。Station 建立在硬件抽象層 (HAL) 庫的基礎(chǔ)上，該庫由 Semtech 提供，適用于不同網(wǎng)關(guān)無線電硬件參考設(shè)計，以與無線電硬件進行交互。

在右側(cè)，是 Station 期望的后端服務(wù)及其相應(yīng)的協(xié)議 LNS 和 CUPS。與這些服務(wù)的連接通常是通過基于 IP 的網(wǎng)絡(luò)建立的。這使得可以在廣泛用于萬維網(wǎng)且已經(jīng)驗證的協(xié)議棧上構(gòu)建 CUPS 和 LNS 協(xié)議，即用于傳輸?shù)?HTTP 和 WebSockets 以及用于安全的 TLS。

中心框是在操作系統(tǒng) (OS) 內(nèi)運行 Station 進程的網(wǎng)關(guān)主機平臺。該框分為 Station 的高級模塊化組件，為不同系統(tǒng)組件提供不同接口：

• RAL：適用于不同 HAL 的無線電抽象層
• SYS：適用于不同操作系統(tǒng)（Linux、FreeRTOS 等）的系統(tǒng)抽象層
• NET：建立在 mbedTLS 之上的網(wǎng)絡(luò)抽象層

以下是LoRa Basics Station 軟件架構(gòu)更詳細的視圖。

Figure 2: LoRa Basics Station 軟件架構(gòu)

在上圖中：RAL、SYS 和 mbedTLS 模塊組成硬件指定適配層，為系統(tǒng)組件提供適用于可移植核心實現(xiàn)的統(tǒng)一接口。在編譯時，可以選擇 RAL 和 SYS 層，并將結(jié)果對象與 mbedTLS 庫靜態(tài)鏈接。

可移植核心是圍繞異步協(xié)作多任務(wù)運行時 (AIO) 構(gòu)建的無依賴 C 模塊，包含 Station 的所有核心功能：LoRa 數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)包緩沖、下行鏈路隊列管理、頻譜接入管理、協(xié)議解析 (JSON)、協(xié)議狀態(tài)邏輯 (CUPS/LNS)、時間同步等。

此架構(gòu)可實現(xiàn)：

易于移植：將 Station 移植到新的 HAL 的工作僅限于對 RAL 模塊的更改。將 Station 移植到新的主機平臺上的工作僅限于對 SYS 模塊的更改。

易于測試：可以通過使用組件替換 HAL 塊來完成與硬件無關(guān)的測試，該組件可通過遠程過程調(diào)用 (RPC) 將對 RAL 的 HAL API 調(diào)用轉(zhuǎn)換為測試工具。LoRa Basics Station 回歸測試使用了這種方法。

Station 構(gòu)建環(huán)境使我們能夠設(shè)置編譯時選項，從而生成適用于目標環(huán)境的理想 Station 可執(zhí)行文件。這些選項在 setup.gmk 中被歸為高級標識符平臺和變體。在構(gòu)建過程中，會自動提取、編譯和鏈接依賴項。

#LoRa Basics Station 如何工作？

#LNS 協(xié)議

假設(shè)通過 tc.uri 對 LNS 連接進行了正確的配置，Station 將與其連接，并在一開始便將自己通告給服務(wù)端點。服務(wù)端點以最終的 WebSocket 連接端點響應(yīng)，且 Station 使用相同的憑據(jù)立即進行連接。在向最終連接端點通告自己之后，Station 會收到一個來自 LNS 的配置對象，至少包含頻率計劃和有網(wǎng)關(guān)在其中運行的區(qū)域環(huán)境。

在應(yīng)用了頻率計劃并啟動了無線電之后，網(wǎng)關(guān)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間它可以交換許多消息。每當無線電對有效的 LoRaWAN 幀進行解調(diào)時，該幀將直接轉(zhuǎn)發(fā)到 LNS。另外，LNS 可以通過網(wǎng)關(guān)將下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端設(shè)備。如果成功發(fā)送了下行鏈路數(shù)據(jù)，LNS 將收到確認。如果 LNS 連接意外終止，則所有接收到的上行鏈路數(shù)據(jù)將緩沖，直到重新建立連接。

#CUPS 協(xié)議

CUPS 協(xié)議是 Station 內(nèi)的一個獨立引擎。它使用帶有 JSON 編碼主體的 HTTP POST 向 CUPS 端點聲明其當前的配置狀態(tài)。CUPS 服務(wù)器使用此信息來決定是否需要更新，并通過包含新憑據(jù)集的八位字節(jié)流做出響應(yīng)（適用于 CUPS 端點或 LNS 端點，或者二者皆適用）?？枕憫?yīng)表示無需更新。

在該響應(yīng)中，CUPS 可以選擇附加已簽署的可執(zhí)行文件 blob。該可執(zhí)行文件的格式與協(xié)議本身無關(guān)，但應(yīng)與網(wǎng)關(guān)主機平臺能夠應(yīng)用的格式匹配。對于嵌入式主機平臺或可執(zhí)行文件腳本，它可以是完整的固件映像；對于基于 Linux 的主機系統(tǒng)，它可以是自動提取的存檔文件。為了檢查可執(zhí)行文件的簽名，可以通過將多個公共 ECDSA 簽名密鑰放入 sig-{0,1,2,…}.key 文件中進行配置。

CUPS 并非專為全面的網(wǎng)關(guān)管理器設(shè)計打造。相反，其底層基元為最基本的管理任務(wù)提供了一種簡單統(tǒng)一的方法：憑據(jù)管理和安全的遠程固件更新。

#LoRa Basics Station 的安全性如何？

為了確?；?IP 的后端連接的安全性，LoRa Basics Station 依賴于萬維網(wǎng)中日常使用的知名概念。針對給定連接的身份驗證模式取決于是否存在連接定義文件 {tc,cups}.{uri,trust,key,crt} 及其內(nèi)容。

#無身份驗證

當服務(wù)端點 URL 專門聲明純文本連接時，不使用身份驗證：

*.uri：ws://...（適用于 tc.uri）或 http://...（適用于 cups.uri）

如果安全性已經(jīng)由操作系統(tǒng)通過 IPsec 在網(wǎng)絡(luò)層上實現(xiàn)，或者如果安全性通過防火墻和網(wǎng)絡(luò)隔離建立（所有主機都可信），則這很有用。如果通過因特網(wǎng)建立的網(wǎng)關(guān)連接沒有 IPsec，應(yīng)始終使用以下身份驗證方法之一。

#服務(wù)器和客戶端身份驗證

如果服務(wù)端點 URL 被聲明為安全連接，則啟用雙向認證：

*.uri：wss://...（適用于 tc.uri）或 https://...（適用于 cups.uri）

通過證書頒發(fā)機構(gòu) (CA) 檢查服務(wù)器的真實性。CA 證書必須在 *.trust 文件中提供。

*.trust：服務(wù)器 CA 的可信證書（PEM 或 DER 編碼的 X509 證書）

Stations 根據(jù)是否存在 *.key 和 *.crt 文件提供兩種用于建立客戶端身份驗證的選項：

客戶端令牌身份認證 [*.key]

*.key：包含服務(wù)器客戶端身份驗證信息的有效 HTTP 標頭（例如，身份驗證：...\r\n）

客戶端證書身份驗證 [*.crt, *.key]

*.crt：客戶端證書（PEM 或 DER 編碼的 X509 證書）

*.key：私鑰（PEM 或 DER 編碼的 x509 密鑰）

提示：調(diào)試網(wǎng)關(guān) TLS 設(shè)置的一個好方法是通過將環(huán)境變量 STATION_TLSDBG 設(shè)置在詳細級別 1（最低）和 4（最高）之間執(zhí)行 Station。

#如何以Basics Station模式將網(wǎng)關(guān)連接至TTNv3？

#登錄TTN v3

1、登錄TTN網(wǎng)站。

Figure 4: 登錄TTN網(wǎng)站

2、輸入用戶名以及登錄密碼，單擊“Submit”。若未注冊賬號，單擊“Register”，根據(jù)提示注冊TTN賬號。

#注冊網(wǎng)關(guān)

1、單擊“Register a gateway”。

Figure 5: 注冊新網(wǎng)關(guān)

2、填寫參數(shù)，單擊“Create gateway”。

Figure 6: 配置參數(shù)

#生成Token

TTNv3支持TLS服務(wù)器身份驗證和客戶端令牌，這需要信任文件和密鑰文件來配置網(wǎng)關(guān)以將其成功連接到網(wǎng)絡(luò)。

1、在“Gateways”頁簽中，單擊已注冊的網(wǎng)關(guān)，進入網(wǎng)關(guān)頁面。

Figure 7: 進入已注冊網(wǎng)關(guān)

2、在左側(cè)導(dǎo)航樹中，單擊“API keys”。

Figure 8: 進入API keys

3、單擊“Add API key”。

• Name：輸入密鑰名稱
• Rights：選擇“Grant individual rights”。在多選選項中，選中“ Link as Gateway to a Gateway Server for traffic exchange, i.e. write uplink and read downlink”。

Figure 9: 配置API keys參數(shù)

4、單擊“Create API key”。將會彈出以下對話框。

Figure 10: 保存API keys

注意：切記將密鑰復(fù)制保存至.txt文件中，對話框關(guān)閉后將無法查看或復(fù)制密鑰信息。

5、密鑰復(fù)制保存后，單擊“I have copied the key”。

#配置網(wǎng)關(guān)

1、登錄網(wǎng)關(guān)Web管理平臺。具體操作可參考對應(yīng)網(wǎng)關(guān)的《快速入門指南》手冊。

2、在“LoRa Network > Network Settings ”的“LoRa Network Settings ”頁面中，配置“Mode”選項為“Basics Station”。

Figure 11: 切換模式

3、單擊“Switch mode”，模式切換成功后，“Basics Station Configuration”參數(shù)配置頁面將會顯示。連接網(wǎng)關(guān)至TTNv3，必須配置以下參數(shù)：

• Server：選擇LNS Server。
• URI：The Things Stack服務(wù)器地址。該示例中，將網(wǎng)關(guān)連接至“European”集群，所以鏈接為wss://eu1.cloud.thethings.network。
• Port：LNS Server使用端口為8887，填入8887。
• Authentication Mode：選擇“TLS Server Authentication And Client Token”。
• trust：使用“Let's Encrypt ISRG ROOT X1”信任證書。查看和下載證書。
• token：此處為生成的Token。輸入時，以“Authorization: ”開始。如：Authorization: YOUR_API_KEY

注意：請注意”Authorization:“ 與“YOUR_API_KEY”之間存在一個空格。

Figure 12: 配置網(wǎng)關(guān)參數(shù)

4、單擊“Save & Apply”，保存設(shè)置。在TTN界面可以看到網(wǎng)關(guān)以“Basics Station”模式連接至TTNv3。

Figure 13: 在TTNv3中網(wǎng)關(guān)已在線