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SETTEMBRE 2020 FIELDBUS & NETWORKS 34 Fieldbus & Networks ascolto aprendo due brevi finestre di ricezione di messaggi in downlink. La prima finestra è aperta solitamente sullo stesso canale della comunicazione in uplink, mentre la seconda è aperta a una sotto-banda, precedentemente concordata con il Network server, al fine di limitare problematiche di di- sturbo del canale. Dal momento che le finestre di ricezione vengono aperte esclusivamente dopo che è stato inviato un messaggio in uplink, ne consegue che se il Network server ha la necessità di inviare informazioni dovrà aspettare un messaggio in uplink affinché possa comunicare con il dispositivo. La Classe A è ottimizzata per dispositivi ali- mentati a batteria il cui consumo energetico deve essere il minore possibile, tenendo il ri- cevitore del dispositivo per quanto più tempo possibile spento. Pertanto, essa è indicata per dispositivi quanto più semplici possibili, come i sensori, i quali hanno tipicamente solo la ne- cessità di inviare informazioni di misurazione. Il protocollo LoRaWAN prevede un meccani- smo di regolazione automatica del data rate chiamato ADR-Adaptive Data Rate (si veda Figura 4). L’obiettivo è quello di offrire una ro- bustezza ai disturbi sufficiente a trasmettere con il data rate più alto possibile in modo da ri- durre i tempi di invio e ricezione dei messaggi. Il meccanismo è attivato dalla rete attraverso l’invio in downlink di un pacchetto che con- tiene il relativo bit ADR del Frame Control ‘alto’, così da informare il dispositivo che il Network server è in grado di inviare istruzioni riguardo i parametri relativi al data rate. Il dispositivo cerca e stima il data rate più alto utile, per esempio utilizzando lo Spreading factor più basso possibile, e inizia la trasmis- sione. Se non riceve risposte nel successivo messaggio in downlink, il dispositivo tenta di stabilire la connessione utilizzando un data rate progressivamente inferiore, utilizzando uno Spreading factor maggiore, fino a quando non viene stabilita la connessione. Questo meccanismo comporta un beneficio quantificabile in termini di durata della batte- ria dei dispositivi. Da un punto di vista ener- getico la maggior parte dei consumi avviene, come detto, durante le trasmissioni radio. Solo il 20% dell’energia è utilizzata durante le operazioni di ricezione e computazione dei pacchetti. Anche i Gateway, per i messaggi in downlink, utilizzano un meccanismo ADR ba- sandosi sulla qualità dell’ultimo messaggio in uplink ricevuto. Se il messaggio in uplink è ricevuto da più Ga- teway, il Network server utilizzerà, per effet- tuare le successive trasmissioni in downlink, quello che ha ricevuto il messaggio con la migliore qualità di segnale, in modo da poter utilizzare un data rate maggiore. - Classe B (dispositivi Beacon) - La Classe B è opzionale e non è necessario che un di- spositivo offra anche questa modalità di fun- zionamento. Essa è pensata per soddisfare le necessità operative dei dispositivi alimentati a batteria, fissi e mobili, che hanno bisogno di ricevere periodicamente comandi da remoto. I dispositivi che implementano la Classe B, in seguito alla creazione delle due finestre di ri- cezione già previste dalla Classe A, presentano anche l’apertura di un’ulteriore finestra detta ‘ping slot’ in un tempo prestabilito, così da per- mettere all’infrastruttura di rete di avviare una comunicazione downlink; è possibile dunque ricevere messaggi in downlink a intervalli rego- lari di tempo permettendo, se pur con un certo ritardo, una migliore comunicazione a discapito del consumo energetico. ClasseC (dispositivi Continuous listening) - La Classe C è pensata per soddisfare le neces- sità operative dei dispositivi che devono essere in ascolto per il maggiore tempo possibile, i quali tipicamente sono alimentati tramite la rete elettrica per soddisfare l’elevata richiesta energetica. Tale Classe prevede l’utilizzo di una finestra di ricezione RX1 in maniera del tutto simile a quanto avviene nella Classe base del protocollo e di una finestra RX2 che viene te- nuta attiva in tutti gli intervalli di tempo lasciati liberi. Il dispositivo di Classe C, dopo aver terminato una trasmissione in uplink, attiva la finestra RX2 e dopo un ritardo attiva RX1. Quindi, im- mediatamente dopo la fine di RX1, apre la fine- stra RX2 che manterrà attiva fino al verificarsi di una nuova trasmissione. Questa Classe di funzionalità offre la più bassa latenza di ri- cezione possibile grazie all’ascolto continuo tramite la finestra RX2 e per questo motivo è particolarmente indicata, oltre che per i sensori che non hanno limitazioni di consumo, anche e soprattutto per gli attuatori che necessitano di ricevere istruzioni in ogni momento e che sono alimentati dalla rete elettrica. La sicurezza con LoRaWAN LoRaWANsi basa su una combinazione di algo- ritmi di crittografia AES, in diverse modalità di funzionamento, approvati dal National Institute of Standards and Technology (Nist). Il protocollo LoRaWAN (nella versione 1.1) pre- vede l’utilizzo di due chiavi di crittografia per la generazione delle chiavi di sessione: quella NwkKey e quella AppKey. La prima serve per gestire la sicurezza lato rete (Network security), la seconda per gestire la si- curezza lato applicazione (Application security). La derivazione di tutte le chiavi di sessione è strettamente correlata alla procedura di attiva- zione tramite lo scambio di messaggi di Join request e Join accept. Il messaggio Join request, inviato dal dispo- sitivo e firmato con la chiave di rete NwkKey, viene inoltrato al Network server e gestito dal Join server. Il Network server risponde al di- spositivo inviando un messaggio Join accept appena la richiesta di join viene accettata dal Join server. Questo messaggio è crittografato dall’algoritmo di cifratura a blocchi AES in mo- dalità di funzionamento Electronic CodeBook (ECB), utilizzando la chiave di rete NwkKey. Figura 4 - Caratteristiche del meccanismo ADR-Adaptive Data Rate