CN109195116B - 一种lpwan物联网的应用层组播方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LPWAN物联网的应用层组播方法，包括网络层广播群的建立、应用层组播群的建立以及组播消息的发送；通过以上三个部分使得本发明能够在不需要大幅增加系统开销的情况下能够实现组播控制，大大简化了多终端同步控制的实现。

Description

一种LPWAN物联网的应用层组播方法

技术领域

本发明属于物联网技术领域，尤其涉及一种LPWAN(Low Power Wide AreaNetwork，低功耗广域网)物联网的应用层组播方法。

背景技术

在低功耗物联网领域，存在部分应用要求一批终端同时控制的需求，例如一条路的路灯同时开或关，一栋楼的空调同时开和关等场景。对于这种应用场景，就需要多个终端同步控制。

目前主要有如下几种方法：

方法1：对需要同步控制的多个终端设置一个控制器；

这种方法优点是简单，能实现多终端的同步控制；但有如下缺点：

1，工程复杂，多个终端必须连接到一个控制器，相当于是一种级联，接线多；

2，无法进行单终端状态或信息上报，也无法进行单终端灵活控制；

3，可靠性差，一旦这个控制器故障，则影响一大批终端的控制。

方法2：利用网络层的组播方式来进行控制；

组播确实可以实现这种需求，LPWAN组播网络如图1所示，工作流程如下：

1，应用服务器需要向网络服务器申请建立一个组播群，得到组播群地址，安全上下文信息，组播信道信息；

2，应用服务器选择一组终端，加入到此组播群中；

3，对每个加入终端，要通过单播的方式将组播群信息发送给终端，使得终端能够识别组播群信息；

4，根据步骤3，网络服务器必须为组播群维护组播路由，组播路由就是该组播群对应的一组网关，保证下发消息能转发给组播群所有终端；

5，当应用服务器需要下发命令时，通过组播包转发给群中所有终端。

这种方法的缺点如下：

1，需要终端和网络设备具备网络层组播能力，要求较高。

2，网络服务器需要维护多个网络层组播上下文，包括组播地址分配，安全上下文建立，组播路由的建立和维护，组播群的释放等流程，协议流程复杂，系统开销很大。

3，当一个终端参与多个网络层组播群，则必须为每个组播群建立上下文，开销大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种LPWAN物联网的应用层组播方法，在不需要大幅增大系统开销的情况下实现组播控制。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种LPWAN物联网的应用层组播方法，包括：

建立网络层广播群、建立应用层组播群以及组播消息发送；

所述建立网络层广播群包括：对于每个组播应用，网络服务器配置网络层广播群相关参数；

对于需要接收广播消息的终端，在出厂时烧入通用广播密钥和广播地址；

终端开机后进行注册；

网络服务器接收终端注册请求后，先进行认证，如果认证通过，则将应用广播群信息编入注册应答消息中；

网络服务器将注册应答消息发送给终端；

终端接收到注册应答消息后，进行解析，保存广播群的相关信息；

所述建立应用层组播群包括：

应用服务器创建一个组播群，将一组终端加入包此组播群中，同时为此组播群分配一个组播群号，该号码在应用服务器内唯一；

对每个终端，通过单播方式发送组播群加入命令，携带组播群号；

终端收到该命令后，解析命令内容，将组播群号保存到归属组播群列表中；

所述组播消息发送包括：组播应用生成组播包；

组播应用向网络服务器发送组播包；

网络服务器根据组播应用ID找到该应用的广播群上下文；

利用广播群的密匙信息构件MAC包，对应用包进行加密，生成认证码；

网络服务器根据广播路由的LoRa网关列表，向每个LoRa网关发送MAC包；

LoRa网关收到MAC包后，根据广播信道和扩频码进行广播帧的发送；

通过终端守护广播信道。

进一步的，所述网络层广播群相关参数包括广播信道频点、扩频码以及加密密钥。

进一步的，所述保存广播群的相关信息包括保存：广播信道频点、扩频码、加密密钥以及通用广播密钥，并在保存过程中将加密密钥和通用广播密钥组合为一个广播群加密密钥。

进一步的，对于每个组播应用还需要对应的广播路由，广播路由由LoRa网关组成，决定物理上的广播区域大小，要保证能覆盖本应用的所有终端。

进一步的，所述组播应用生成的组播包内容包括：组播应用ID、组播群号以及组播命令负荷。

进一步的，所述通过终端守护广播信道具体为：当收到广播帧后，利用本地保存的广播上下文对包进行解码和校验，如果校验一致则接收；然后再解析组播群号，判断是否为自己归属的组播群，如果是则执行命令，否则丢弃。

本发明所达到的有益效果是：在不需要大幅增加系统开销的情况下能够实现组播控制，大大简化了多终端同步控制的实现。

附图说明

图1为LoRaWAN典型网络示意图；

图2为LoRaWAN广播网络示意图；

图3为LoRaWAN帧结构示意图；

图4为广播帧Payload结构示意图；

图5为网络层广播群建立流程图；

图6为应用层组播群建立流程图；

图7为应用层组播帧下发过程示意图；

图8为LoRa终端应用层组播实现示意图；

图9为组播应用实现示意图；

图10为网络服务器广播实现示意图。

具体实施方式

为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

参见图1-图10，一个典型的LoRaWAN网络如附图1所示：

1，101Mote(Mobile Teminal:移动终端)：实现各种物联网终端功能，内置LoRaWANModem实现和网络的通信。对于LoRaWAN来说，终端包括3种类型，ClassA/B/C，三者区别如下：

ClassA：省电类型，除收发包外，均处于休眠状态；

ClassB：间歇接受类型，休眠状态时，需要周期性打开接收窗口，侦听是否有下行数据；ClassC：持续接收类型，终端无休眠状态，非发包时一直处于接收状态。

2，102LoRaGW(LoRa Gateway:LoRa网关)：实现LoRa信号上行接收转发，下行接收发送功能；

3，103NS(Network Server：网络服务器)：实现LoRaWAN MAC层协议功能，NS为每个终端分配一个Net Address(网络地址)，保存一个转发上下文，保存有认证密钥，对于101Mote的下行消息，需要先保存到转发上下文中，等待上行消息到达后下发；

4，104AS(Application Server：应用服务器)：实现LoRaWAN物联网应用，为每个终端保存一个会话上下文，保存有加密密钥；

5，105JS(Join Server：注册服务器)：实现LoRaWAN终端的认证，会话密钥生成功能，保存有每个终端的签约信息和根密钥，根密钥会在认证过程中生成加密密钥和认证密钥，分别传送给104AS和103NS；

6，106NC(Network Controler：网络控制器)：实现对LoRaWAN网络的无线参数控制功能。

组播业务的实现包括如下几个部分：组播源，组播群的创建和维护，组播路由的创建与维护，组播包发送等过程。

基于网络层广播的应用层组播包括两个部分：

一部分是网络层广播的实现：网络层解决组播路由问题，采用广播后，组播包在网络层就是广播包发送，由于是广播包，因此组播路由的维护很简单，只需要配置，无需更新。

一部分是应用层组播的实现：应用层实现组播源，组播群的创建和维护，组播包发送等。分别介绍如下：

一个LoRaWAN广播群通常由如下几个角色组成，如图2所示：

1，LoRa终端201：接收广播信息，对于ClassC终端来说，可以一直处于接收状态；ClassB终端只能周期性接收；ClassA终端无法实现，只能切换到Class B/C状态才行；

2，LoRaGW网关202：负责将广播帧传送到本网关覆盖范围的所有LoRa终端；

3，网络服务器203：负责维护广播群无线信道信息和广播路由，一个应用对应一个广播群，采用配置的方式来维护，无线信道信息就是广播的信道，采用的扩频码，加密密钥等信息；广播路由实际就是一个LoRaGW列表，遇到下行广播包要发送给列表中所有LoRaGW发送；

4，广播应用204：广播源，由其发送广播包；

参考LoRaWAN规范(参见LoRa Alliance发布的LoRaWAN Specification V1.0)，LoRaWAN的MAC帧结构如图3所示：

301：MHDR：MAC头，标识MAC帧类型；

302：DevAddr：设备地址，标识该帧转发给哪个终端；

303：Header：其他帧头信息；

304：Payload：帧负荷信息；

305：MIC：帧校验码，接收方通过密钥计算MIC，同帧中MIC进行校验判断该帧是否是发给自己的帧。

对于LoRaWAN的终端，都分配一个DevAddr，通过该地址完成单播功能。同时网络层可以定义一个广播地址，例如0xFFFFFFFF，终端不仅解析单播地址帧，也同时解析广播地址帧。

基于应用层组播群的组播帧采用广播帧来发布，这样能够保证组播群的各终端能收到组播帧，但本应用的非组播群终端也能够收到，其区别就是根据自己是否为该组播群来决定是否执行该命令。

因此，对于组播帧的301Payload部分，定义如附图4所示：

401：Multicast Group Number：组播群号；

402：Multicast Payload：组播帧负荷；

终端收到组播包后，根据401组播群号判断自己是否为该组播群成员，如果是，则执行命令，否则丢弃。

本发明所述组播实现方法包括如下三部分：

1，网络层广播群的建立方法

网络层广播群建立方法如图5所示：

501：对于每个组播应用，网络服务器需要配置网络层广播群相关参数：广播信道频点，调制扩频码，加密密钥；对应的广播路由；

广播路由由LoRa网关组成，决定物理上的广播区域大小，要保证能覆盖本应用的所有终端。

由于LPWAN终端通常是静止终端，因此一个应用的广播区域基本上是确定的。

502：对于需要接收广播消息的终端，在出厂时需要烧入通用广播密钥和广播地址。

503：终端开机后进行注册；

504：网络服务器接收终端注册请求后，先进行认证，如果认证通过，则将应用广播群信息编入注册应答消息中；

505：网络服务器将注册应答消息发送给终端；

506：终端接收到注册应答消息后，进行解析，保存广播群的相关信息：广播信道频点，扩频码，并将加密密钥和通用广播密钥组合为一个广播群加密密钥。

这样设计目的是为了减少终端注册应答消息的开销，通常密钥都很长，16或32字节，而LoRaWAN的注册应答帧很短，因此将密钥分为两部分，网络只需要传递较少字段就可以实现密钥的分发了。

2，应用层组播群的建立方法

应用层组播群建立方法如图6所示：

601：应用服务器创建一个组播群，将一组终端加入包此组播群中，同时为此组播群分配一个MulticastGroup Number，该号码在应用服务器内唯一；

602：对每个终端，通过单播方式发送组播群加入命令，携带MulticastGroupNumber参数；

603：终端收到该命令后，解析命令内容，将MulticastGroup Number保存到归属组播群列表中。

一个终端可以加入到多个组播群中，这时终端需要解析并执行多个组播群的命令。

同样，如果应用要将一个终端剔除当前组播群，只需要通过单播方式发送组播群删除命令，携带MulticastGroup Number参数，终端收到后，从归属组播群列表中删除该组播群。

3，组播消息的发送

当组播群完成建立后，就可以发送组播信息了，发包步骤如图7所示：

701：组播应用(这里是应用层组播，再MAC层看每个组播帧就是一个广播帧，因此组播应用在MAC层看就是广播应用)生成组播包，包格式包括组播消息类型，组播应用ID(AppEui：应用全球唯一标识)，组播群号(MulticastGroup Number)，组播命令负荷Payload；

702：组播应用204向网络服务器203发送组播包；

703：网络服务器203根据组播应用ID找到该应用广播群上下文，得到该广播群的广播信道，扩频码，密钥，广播路由等信息；

704：利用广播群的密钥信息构建MAC包，对应用包进行加密，并生成认证码MIC(Message Integrity Code：消息完整性校验码)；

705：网络服务器203根据广播路由的LoRa网关列表，向每个LoRa网关202发送MAC包，携带广播信道，扩频码信息。

706：LoRa网关202收到MAC包后，根据广播信道和扩频码进行广播帧的发送；

707：广播帧在广播信道上发送；

708：终端201一直守护在广播信道上，当收到广播帧后，利用本地保存的广播上下文对包进行解码和MIC校验，如果MIC校验一致则接收；然后再解析MulticastGroupNumber，判断是自己归属的组播群，如果是，则执行Payload(有效载荷)命令，否则丢弃。

图8示意了终端内部应用层组播功能实现框图，说明如下：

1，对终端来说，要支持应用层组播，需要在开户时烧入广播缺省根密钥812，后续用于生成广播会话密钥；

2，终端单播业务流程同普通终端类似，也需要具有终端注册控制805模块，终端开机后，由终端注册控制805模块发起终端注册流程；网络完成终端认证后，同时将网络广播相关参数(部分根密钥，广播信道，广播DR)一并发送给终端；

3，完成注册后，终端注册控制805模块建立单播上下文803和广播上下文804，用于后续MAC处理802使用；

4，对于广播密钥的生成，采用广播缺省根密钥812和注册接受消息携带部分根密钥组合来生成，例如当部分根密钥为1个Byte，采用广播缺省根密钥812的前15Byte+部分根密钥(1Byte)作为广播密钥，这样实现解决了广播密钥安全传输并且降低字节数的问题；

5，完成注册后，终端在非发包期，一直驻留在广播信道上，采用广播DR接收广播包；

6，MAC处理802收到MAC帧后，如果是单播地址，利用单播上下文803信息解密后传送给单播应用处理806模块处理；如果是广播地址，则利用广播上下文804信息解密后传给广播应用处理807模块处理。

7，应用层组播通过单播方式建立，单播应用处理806模块解析应用层数据，发现是组播群加入/删除命令，于是转发给组播控制处理808模块处理；

8，组播控制处理808模块处理组播群加入/删除命令，如果是组播群加入命令，则将新加入的组播群号码添加到组播群列表中；如果是组播群删除命令，则从组播群列表中将命令携带的组播群号码删除掉；

9，当收到网络发送的广播消息时，MAC层处理802调用广播上下文804信息，对帧进行解密；完成解密后转发给广播应用处理807模块，807模块得到该命令的组播群，调用组播群列表809判断自己是否归属于此组播群，如果是，则处理组播命令，如果不是，则丢弃该命令；

通过这种方式，终端就能实现应用层组播处理功能。

图9示意了组播应用内部组播功能实现框图，说明如下：

1，组播应用的协议接口模块901负责和网络服务器进行接口协议转发，包括终端上报数据和应用下发命令；

2，所有终端的签约信息需要保存在终端数据库905中，通过应用配置模块908来导入；

3，对于每个终端，完成注册后，有一个终端应用上下文904，保存终端相关信息，终端的单播业务流程由单播应用模块902来负责；

4，组播应用模块903负责整个组播的业务流程，包括组播群的创建和维护，组播命令的下发等；

5，操作员通过应用组播配置模块909来创建组播群，组播群相关信息需要保存在组播群数据库907和组播群应用上下文906中，包括组播群的地址，密钥；

6，对于每个新建组播群，操作员可以对新建组播群增加组播终端，这些组播终端信息需要保存到组播群数据库907中，便于后期维护；

10，对组播群的每个终端，组播应用模块903需要通过单播应用模块902向其发送组播群加入命令，通知组播群的群号信息，终端收到后，本地保存群号，后续关注该组播群的命令。

11，操作员也可以将组播群的终端移出，这样组播应用需要向终端发送组播群删除命令，通知终端本地组播群群号，后续终端无需关注该组播群命令。

12，组播群建立完成后，操作员就可以通过组播应用903向整个组播群发送组播命令了。

13，当组播群需要释放时，操作员必须先删除该组播群的所有终端，完成删除后，本地即可删除。

组播应用服务器204与网络服务器203，组播终端201间接口定义如下：

1，组播群加入命令：组播应用服务器204-->网络服务器203-->组播终端201：

携带如下信息：组播应用标识，终端地址，组播群组号；

2，组播群删除命令：组播应用服务器204-->网络服务器203-->组播终端201：

携带如下信息：组播应用标识，终端地址，组播群组号；

3，组播群命令：组播应用服务器204-->网络服务器203-->组播终端201：

携带如下信息：组播应用标识，组播群组号，组播群命令内容；

图10示意了网络服务器组播功能实现框图，说明如下：

1，协议栈接口模块1007负责网络服务器和组播应用间通信，处理到组播应用间的收发包；

2，LoRa网关接口模块1001负责网络服务器和LoRa网关间接口；

3，对于一个组播应用来说，事先需要在网络服务器上配置MAC层组播相关信息，建立一个组播群上下文1004，保存包括组播群密钥，组播信道，组播DR，组播网关列表信息(保存在1006中)。

4，对于一个LoRa终端来说，开机后先发起终端注册流程，LoRa网关接口模块1001收到终端注册消息后，转发给终端注册模块1002处理，801完成终端认证后，会到地址管理模块807申请一个单播地址，然后建立终端上下文，保存终端MAC层相关信息：终端单播地址，传送网关，终端标识，注册应用标识，终端认证会话密钥等；

5，如果该终端关联应用是一个组播应用，则会同时将广播群信道和广播群DR在注册接受消息中一并传送给终端；

6，当组播应用需要发送组播包时，协议栈接口模块1007收到组播命令，转发给组播发送模块1005，组播发送模块根据组播命令的组播应用ID找到组播群上下文1004，根据该组播群上下文的组播群密钥对命令进行加密，构建MAC帧；

7，根据广播群关联广播网关列表，向每个网关发送广播包，该广播包基于广播群的广播信道，采用广播DR进行发送；

通过这种方式即可完成基于LoRaWAN的组播业务流程。

上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种LPWAN物联网的应用层组播方法，其特征在于，包括：

建立网络层广播群、建立应用层组播群以及组播消息发送；

所述建立网络层广播群包括：对于每个组播应用，网络服务器配置网络层广播群相关参数；

对于需要接收广播消息的终端，在出厂时烧入通用广播密钥和广播地址；

终端开机后进行注册；

网络服务器接收终端注册请求后，先进行认证，如果认证通过，则将应用广播群信息编入注册应答消息中；

网络服务器将注册应答消息发送给终端；

终端接收到注册应答消息后，进行解析，保存广播群的相关信息；

所述建立应用层组播群包括：

应用服务器创建一个组播群，将一组终端加入此组播群中，同时为此组播群分配一个组播群号，该号码在应用服务器内唯一；

对每个终端，通过单播方式发送组播群加入命令，携带组播群号；

终端收到该命令后，解析命令内容，将组播群号保存到归属组播群列表中；

所述组播消息发送包括：组播应用生成组播包；

组播应用向网络服务器发送组播包；

网络服务器根据组播应用ID找到该应用的广播群上下文；

利用广播群的广播群加密密 钥生成MAC包，对应用包进行加密，生成认证码；

网络服务器根据广播路由的LoRa网关列表，向每个LoRa网关发送MAC包；

LoRa网关收到MAC包后，根据广播信道和扩频码进行广播帧的发送；

终端守护在广播信道。

2.根据权利要求1所述的一种LPWAN物联网的应用层组播方法，其特征在于，所述网络层广播群相关参数包括广播信道频点、扩频码以及加密密钥。

3.根据权利要求1所述的一种LPWAN物联网的应用层组播方法，其特征在于：所述保存广播群的相关信息包括保存：广播信道频点、扩频码、加密密钥以及通用广播密钥，并在保存过程中将加密密钥和通用广播密钥组合为一个广播群加密密钥。

4.根据权利要求1所述的一种LPWAN物联网的应用层组播方法，其特征在于，对于每个组播应用还需要对应的广播路由，广播路由由LoRa网关组成，决定物理上的广播区域大小，要保证能覆盖本应用的所有终端。

5.根据权利要求1所述的一种LPWAN物联网的应用层组播方法，其特征在于：所述组播应用生成的组播包内容包括：组播应用ID、组播群号以及组播命令负荷。

6.根据权利要求1所述的一种LPWAN物联网的应用层组播方法，其特征在于：所述通过终端守护广播信道具体为：当收到广播帧后，利用本地保存的广播上下文对包进行解码和校验，如果校验一致则接收；然后再解析组播群号，判断是否为自己归属的组播群，如果是则执行命令，否则丢弃。

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