1. Introdução Aprofundada ao Protocolo de Rede LoRaWAN™
O LoRaWAN™ (Long Range Wide Area Network) é um protocolo de rede crucial para o ecossistema de Internet das Coisas (IoT), especificamente desenvolvido e otimizado para dispositivos finais alimentados por bateria (battery-powered end-devices). Estes dispositivos podem ser tanto móveis quanto montados em locais fixos. A arquitetura da rede é tipicamente implementada em uma topologia estrela-de-estrelas (star-of-stars).
Nessa configuração, os gateways atuam como retransmissores, estabelecendo a comunicação entre os dispositivos finais e um Network Server (Servidor de Rede) central.
Para garantir a confidencialidade e integridade das transmissões via rádio, o protocolo LoRaWAN incorpora criptografia simétrica. As chaves de sessão utilizadas para este fim são derivadas das chaves raiz do dispositivo (NwkKey e AppKey). O gerenciamento e o armazenamento dessas chaves raiz, bem como as operações de derivação de chaves associadas, são realizados por um componente de backend denominado Join Server (Servidor de Adesão). É importante notar que, embora a comunicação seja geralmente bidirecional, o tráfego predominante esperado é o uplink, ou seja, a comunicação do dispositivo final para o Network Server.
1.1 O que é LoRaWAN?
É fundamental distinguir entre a tecnologia de modulação de rádio subjacente e o protocolo de rede que a utiliza:
- LoRa™ (Long Range): Esta é a modulação sem fio desenvolvida pela Semtech, projetada especificamente para aplicações que demandam longo alcance, baixa potência e baixa taxa de dados. As taxas de dados do LoRa variam amplamente, tipicamente entre 0,3 kbps e 50 kbps.
- LoRaWAN™: Este é o protocolo de rede que define a arquitetura de comunicação e a camada MAC (Medium Access Control). O protocolo estabelece o fluxo de dados, a segurança e a comunicação entre os vários componentes da rede.
Classes de Dispositivos:
O protocolo LoRaWAN é estruturado em classes que definem a disponibilidade e o consumo de energia dos dispositivos finais:
- Classe A: A classe base, de menor consumo. Cada transmissão uplink é seguida por duas curtas janelas de recepção (downlink).
- Classe B: Abre janelas de recepção extras em horários programados, sincronizados por um Beacon.
- Classe C: Mantém a janela de recepção quase sempre aberta, oferecendo a menor latência ao custo de maior consumo de energia.
1.2 O Desafio da Conectividade IoT
O desenvolvimento de redes LPWAN foi motivado pela necessidade de conectar vastas quantidades de dispositivos de IoT que exigiam conectividade de longo alcance e longos anos de vida útil da bateria. O protocolo LoRaWAN é otimizado para maximizar tanto a vida útil da bateria quanto a capacidade da rede através de mecanismos como a Taxa de Dados Adaptativa (ADR).
1.3 Arquitetura da Rede
A arquitetura LoRaWAN utiliza a topologia estrela-de-estrelas. Os principais componentes são:
- End-Devices (Dispositivos Finais): Sensores e atuadores na borda da rede.
- Gateways: Retransmissores transparentes de mensagens.
- Network Server (NS): O "cérebro" da rede.
- Application Server (AS): Destino final dos dados de aplicação.
- Join Server (JS): Armazena as chaves de segurança.
