Экспериментальные результаты использования AES-128 в LoRaWAN

Технология Low Power Wide Area Networks (LPWAN) привлекает значительное внимание в Интернете вещей (IoT). Long-Range Wide-Area Networks (LoRaWAN) создан компанией Long Range (LoRa) как открытый нелицензионный стандарт. Его преимущества включают большую зону покрытия, низкое энергопотребление и недорогие чипы приемопередатчиков. Стандарт шифрования LoRaWAN использует 128-битный симметричный алгоритм Advanced Encryption Standard (AES). Этот стандарт защищает связь и объекты, что выгодно для устройств с ограниченными ресурсами в IoT для эффективной связи и безопасности. Проблемы безопасности сетей и устройств LoRa остаются важной задачей, учитывая широкое распространение этой технологии в многочисленных приложениях. Несмотря на то, что создатели LoRa улучшили архитектуру и безопасность сети LoRaWAN, последняя версия все еще имеет некоторые недостатки, такие как уязвимость к атакам. Многочисленные исследования показали, что версии LoRaWAN 1.0 и 1.1 содержат угрозы безопасности и уязвимости. В работе предлагается метод построения и интеграции криптографических алгоритмов (AES128) в широко используемых симуляторах беспроводных сетей NS-3. Целью данного средства является повышение безопасности данных в сетях LoRaWAN путем защиты критически важной информации от несанкционированного доступа. Внедрение алгоритма шифрования AES-128 в симулятор NS-3 позволит изучить влияние различных мер безопасности на показатели производительности сети, включая задержку, накладные расходы, энергопотребление, пропускную способность и размер пакета.

1. Mostefa C., Mounir T.A., Abdelmadjid A.M., Nouar A. Ft-CSMA: A fine-tuned CSMA protocol for LoRa-based networks. Journal of Communications, 2024, vol. 19, no. 2, pp. 65–77. https://doi.org/10.12720/jcm.19.2.65-77

2. Umbreen S., Shehzad D., Shafi N., Khan B., Habib U. An energyefficient mobility-based cluster head selection for lifetime enhancement of wireless sensor networks. IEEE Access, 2020, vol. 8, pp. 207779–207793. https://doi.org/10.1109/access.2020.3038031

3. Mostefa C., Abdelouahab N., Mounir T.A., Boumerdassi S., Femmam S., Amel Z.A. Formal validation of ADR protocol in LoRaWAN network using Event-b. Proc. of the 7th International Conference on Computer, Software and Modeling (ICCSM), 2023, pp. 11–15. https://doi.org/10.1109/ICCSM60247.2023.00011

4. Sornin N., Luis M., Eirich T., Kramp T., Hersent O. LoRaWAN Specification. V. 1. LoRa Alliance Inc., 2015, 82 p.

5. LoRaWAN® L2 1.0.4 Specification (TS001-1.0.4). Lora Alliance Technical Committee, 2020, 90 p.

6. Butun I., Pereira N., Gidlund M. Analysis of LoRaWAN v1.1 security: research paper. Proc. of the 4th ACM MobiHoc Workshop on Experiences with the Design and Implementation of Smart Objects, 2018, pp. 1–6. https://doi.org/10.1145/3213299.3213304

7. Andreas W., de la Fuente A.G., Christoph L., Michael K. Physical layer security based key management for LoRaWAN. arXiv, 2021, arXiv:2101.02975. https://doi.org/10.48550/arXiv.2101.02975

8. El Fehri C., Baccour N., Berthou P., Kammoun I. Experimental analysis of the over-the-air activation procedure in LoRaWAN. Proc. of the 17th International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications (WiMob), 2021, pp. 30–35. https://doi.org/10.1109/wimob52687.2021.9606301

9. Tsai K.-L., Leu F.-Y., Hung L.-L., Ko C.-Y. Secure session key generation method for LoRaWAN servers. IEEE Access, 2020, vol. 8, pp. 54631–54640. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2978100

10. Hessel F., Almon L., Alvarez F. ChirpOTLE: a framework for practical LoRaWAN security evaluation. Proc. of the 13th ACM Conference on Security and Privacy in Wireless and Mobile Networks, 2020, pp. 306–316. https://doi.org/10.1145/3395351.3399423

11. Pospisil O., Fujdiak R., Mikhaylov K., Ruotsalainen H., Misurec J. Testbed for LoRaWAN security: design and validation through manin-the-middle attacks study. Applied Sciences, 2021, vol. 11, no. 16, pp. 7642. https://doi.org/10.3390/app11167642

12. Tsai K.-L., Leu F.-Y., You I., Chang S.-W., Hu S.-J., Park H. Lowpower AES data encryption architecture for a LoRaWAN. IEEE Access, 2019, vol. 7, pp. 146348–146357. https://doi.org/10.1109/access.2019.2941972

13. Thaenkaew P., Quoitin B., Meddahi A. Evaluating the cost of beyond AES-128 LoRaWAN security. Proc. of the International Symposium on Networks, Computers and Communications (ISNCC), 2022, pp. 1–6. https://doi.org/10.1109/isncc55209.2022.9851811

14. Naoui S., Elhdhili M.E., Saidane L.A. Trusted third party based key management for enhancing LoRaWAN security. Proc. of the IEEE/ ACS 14th International Conference on Computer Systems and Applications (AICCSA), 2017, pp. 1306–1313. https://doi.org/10.1109/AICCSA.2017.73

15. Jalowiczor J., Rozhon J., Voznak M. Study of the efficiency of fog computing in an optimized LoRaWAN cloud architecture. Sensors, 2021, vol. 21, no. 9, pp. 3159. https://doi.org/10.3390/s21093159

16. Qadir J., Butun I., Gastaldo P., Aiello O., Caviglia D.D. Mitigating cyber attacks in LoRaWAN via lightweight secure key management scheme. IEEE Access, 2023, vol. 11, pp. 68301–68315. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3291420

17. Hanna Y., Cebe M., Leon J., Akkaya K. Efficient group key management for resilient operation of LoRaWAN-based smart grid applications. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2024, vol. 32, no. 5, pp. 1706–1717. https://doi.org/10.1109/tcst.2024.3378988

18. Han B., Li Y., Wang X., Li H., Huang J. FLoRa: Sequential fuzzy extractor based physical layer key generation for LPWAN. Future Generation Computer Systems, 2023, vol. 140, pp. 253–265. https://doi.org/10.1016/j.future.2022.10.018

19. Islam M., Jamil H.M.M., Pranto S.A., Das R.K., Amin A., Khan A. Future industrial applications: exploring LPWAN-driven IoT protocols. Sensors, 2024, vol. 24, no. 8, pp. 2509. https://doi.org/10.3390/s24082509

20. Na S., Hwang D., Shin W., Kim K.-H. Scenario and countermeasure for replay attack using join request messages in LoRaWAN. Proc. of the International Conference on Information Networking (ICOIN), 2017, pp. 718–720. https://doi.org/10.1109/ICOIN.2017.7899580

21. Kang J.-M., Lim D.-W. On the quasi-orthogonality of LoRa modulation. IEEE Internet of Things Journal, 2023, vol. 10, no. 14, pp. 12366–12378. https://doi.org/10.1109/jiot.2023.3245885

22. Tsai K.-L., Huang Y.-L., Leu F.-Y., You I., Huang Y.-L., Tsai C.-H. AES-128 based secure low power communication for LoRaWAN IoT environment. IEEE Access, 2018, vol. 6, pp. 45325–45334. https://doi.org/10.1109/access.2018.2852563

23. Abboud S., Abdoun N. Enhancing LoRaWAN security: an advanced AES-based cryptographic approach. IEEE Access, 2024, vol. 12, P. 2589–2606. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3348416

24. Nouar A., Abbes M.T., Boumerdassi S., Chaib M. Impact of mobility model on LoRaWAN performance. Journal of Communications, 2024, vol. 19, no. 1. pp. 7–18. https://doi.org/10.12720/jcm.19.1.7-18