mbedtls与LoRaWAN集成：低功耗广域网的安全通信方案

mbedtls与LoRaWAN集成：低功耗广域网的安全通信方案

【免费下载链接】mbedtls An open source, portable, easy to use, readable and flexible TLS library, and reference implementation of the PSA Cryptography API. Releases are on a varying cadence, typically around 3 - 6 months between releases. 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/mb/mbedtls

方案背景与挑战

LoRaWAN（Long Range Wide Area Network，远距离广域网）作为低功耗广域网技术的典型代表，广泛应用于物联网场景。其采用星型拓扑结构，通过LoRa网关连接大量终端设备。然而，LoRaWAN原生安全机制存在加密强度不足、密钥管理复杂等问题。mbedtls（嵌入式TLS库）作为轻量级加密工具，可通过DTLS（Datagram Transport Layer Security，数据报传输层安全）协议为LoRaWAN提供端到端加密、身份认证和数据完整性保护。

技术架构设计

协议栈适配

LoRaWAN基于UDP传输，需使用DTLS协议保障安全。mbedtls提供DTLS 1.2/1.3支持，通过以下模块实现：

• 核心协议：library/ssl_tls12_client.c、library/ssl_tls13_client.c
• 数据报处理：programs/ssl/dtls_client.c、programs/ssl/dtls_server.c

配置文件优化

参考Thread协议（物联网低功耗协议）的安全配置，通过以下文件精简加密算法，降低资源占用：

• 主配置：configs/config-thread.h（启用ECJPAKE密钥交换、AES-128-CCM加密）
• 加密配置：configs/crypto-config-thread.h（配套加密算法开关）

实现步骤

1. 环境准备

# 克隆仓库
git clone https://gitcode.com/GitHub_Trending/mb/mbedtls
cd mbedtls

# 编译DTLS示例
make -C programs/ssl dtls_client dtls_server

2. 核心代码实现

设备端DTLS握手（简化版）

#include "mbedtls/ssl.h"
#include "mbedtls/net_sockets.h"

int main() {
    mbedtls_net_context server_fd;
    mbedtls_ssl_context ssl;
    mbedtls_ssl_config conf;
    
    // 初始化网络连接（LoRaWAN网关IP:PORT）
    mbedtls_net_connect(&server_fd, "192.168.1.100", "5684", MBEDTLS_NET_PROTO_UDP);
    
    // 配置DTLS
    mbedtls_ssl_config_init(&conf);
    mbedtls_ssl_config_defaults(&conf, MBEDTLS_SSL_IS_CLIENT, 
                              MBEDTLS_SSL_TRANSPORT_DATAGRAM, 
                              MBEDTLS_SSL_PRESET_DEFAULT);
    
    // 加载Thread协议兼容的加密套件
    mbedtls_ssl_conf_ciphersuites(&conf, mbedtls_ssl_ciphersuite_from_string(
        "TLS-ECJPAKE-WITH-AES-128-CCM-8"));
    
    // 建立DTLS连接
    mbedtls_ssl_init(&ssl);
    mbedtls_ssl_setup(&ssl, &conf);
    mbedtls_ssl_set_bio(&ssl, &server_fd, mbedtls_net_send, mbedtls_net_recv, NULL);
    mbedtls_ssl_handshake(&ssl);
    
    // 发送加密数据（LoRaWAN应用负载）
    unsigned char data[] = "temperature:23.5";
    mbedtls_ssl_write(&ssl, data, sizeof(data));
    
    // 清理资源
    mbedtls_ssl_close_notify(&ssl);
    mbedtls_net_free(&server_fd);
    mbedtls_ssl_free(&ssl);
    mbedtls_ssl_config_free(&conf);
    return 0;
}

网关端配置

修改configs/config-thread.h，启用低功耗优化：

#define MBEDTLS_SSL_MAX_FRAGMENT_LENGTH 512  // 适配LoRaWAN MTU
#define MBEDTLS_SSL_DTLS_ANTI_REPLAY      // 防重放攻击
#define MBEDTLS_SSL_DTLS_HELLO_VERIFY     // 减少握手开销

3. 资源占用优化

• ROM：约80KB（启用Thread配置后）
• RAM：约15KB（含会话缓存）
• 功耗：通过library/timing.c实现定时器休眠，降低空闲功耗

测试验证

功能测试

# 启动DTLS服务器（网关）
./programs/ssl/dtls_server server.pem server.key 5684

# 设备端连接测试
./programs/ssl/dtls_client 192.168.1.100 5684

安全审计

使用mbedtls测试套件验证加密强度：

• 密钥交换：ECJPAKE（椭圆曲线密码）
• 对称加密：AES-128-CCM（含8字节MAC）
• 抗攻击性：通过tests/ssl-opt.sh的重放、截断攻击测试

应用场景与扩展

典型应用

• 智能表计（水表/电表）：通过DTLS保护计量数据上传
• 工业传感器：防止伪造设备接入LoRaWAN网络

高级特性

• 证书管理：集成library/x509_crt.c实现设备证书轮换
• PSK模式：通过include/mbedtls/ssl.h的mbedtls_ssl_conf_psk()接口启用预共享密钥

总结与展望

mbedtls与LoRaWAN的集成方案通过轻量化配置和DTLS协议，在资源受限的嵌入式设备上实现了安全通信。未来可结合PSA加密API（include/mbedtls/mbedtls_config.h）进一步提升硬件级安全防护。

参考资料

• 官方文档：docs/index.rst
• DTLS示例：programs/ssl/
• 配置指南：README.md

【免费下载链接】mbedtls An open source, portable, easy to use, readable and flexible TLS library, and reference implementation of the PSA Cryptography API. Releases are on a varying cadence, typically around 3 - 6 months between releases. 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/mb/mbedtls