本文主要結合LoRaNode SDK v4.4.2和LoRaWAN規範1.0.3來展開。
1、入網（激活）方式
可以看出，兩種入網（激活）方式：
OTAA（Over-The-Air Activation）：空中激活
ABP（Activation By Personalization）：手動激活
2、空中激活
空中激活的過程，其實就是和服務器數據交換的過程，且當上行或下行消息丟失時，需要重新交換一次數據。
入網的過程，設備需要以下3個參數：
DevEUI：設備ID；
AppEUI：應用ID；
AppKey：128位的跟密鑰，用於產生網絡會話密鑰NwkSKey 和應用會話密鑰AppSKey。
2.1、入網過程
從節點的角度看，入網過程是與服務器的兩次數據交換，分別是入網請求和入網回覆。
2.2、入網請求信息
入網信息包含AppEUI、DevEUI、DevNone，DevNone是一個隨機值 、入網請求是不加密的。
2.3、入網回覆信息
如果設備被允許入網，網絡服務器將會回覆一個“入網回覆”信息給到“入網請求”信息。
“入網回覆”信息包括AppNonce、NetID、DevAddr、DLSettings、RxDelay、CFList字段。
AppNonce是服務器產生的隨機值或者是以某種形式產生的唯一ID，用於終端設備計算NwkSKey和AppSKey。
3、手動激活
手動激活方式，沒有“入網請求”和“入網回覆”的過程。DevAddr、NwkSKey、AppSKey直接存儲在終端設備中。手動激活的時候
必須確保NwkSKey和AppSkey是唯一的。
4、代碼分析
我們很容易看出，SDK工程用狀態機在調度。
定義了6種狀態，如下：
static enum eDeviceState
{
DEVICE_STATE_RESTORE,
DEVICE_STATE_START,
DEVICE_STATE_JOIN,
DEVICE_STATE_SEND,
DEVICE_STATE_CYCLE,
DEVICE_STATE_SLEEP
}DeviceState;
由於代碼量很大，我們只截取main中while（1）中的代碼：
while( 1 )
{
// Process Radio IRQ
if( Radio.IrqProcess != NULL )
{
Radio.IrqProcess( );
}
// Processes the LoRaMac events
LoRaMacProcess( );
switch( DeviceState )
{
case DEVICE_STATE_RESTORE:
{
// Try to restore from NVM and query the mac if possible.
if( NvmCtxMgmtRestore( ) == NVMCTXMGMT_STATUS_SUCCESS ) //1.1.x以後才支持存儲管理
{
printf( "\r\n###### ===== CTXS RESTORED ==== ######\r\n\r\n" );
}
else
{
#if( OVER_THE_AIR_ACTIVATION == 0 ) //不使用otaa
// Tell the MAC layer which network server version are we connecting too.
mibReq.Type = MIB_ABP_LORAWAN_VERSION;
mibReq.Param.AbpLrWanVersion.Value = ABP_ACTIVATION_LRWAN_VERSION;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
#endif
#if( ABP_ACTIVATION_LRWAN_VERSION == ABP_ACTIVATION_LRWAN_VERSION_V10x )
mibReq.Type = MIB_GEN_APP_KEY;
mibReq.Param.GenAppKey = GenAppKey;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
#else
mibReq.Type = MIB_APP_KEY;
mibReq.Param.AppKey = AppKey;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
#endif
mibReq.Type = MIB_NWK_KEY;
mibReq.Param.NwkKey = NwkKey;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
// Initialize LoRaMac device unique ID if not already defined in Commissioning.h
if( ( devEui[0] == 0 ) && ( devEui[1] == 0 ) &&
( devEui[2] == 0 ) && ( devEui[3] == 0 ) &&
( devEui[4] == 0 ) && ( devEui[5] == 0 ) &&
( devEui[6] == 0 ) && ( devEui[7] == 0 ) )
{
BoardGetUniqueId( devEui );
}
mibReq.Type = MIB_DEV_EUI;
mibReq.Param.DevEui = devEui;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
mibReq.Type = MIB_JOIN_EUI;
mibReq.Param.JoinEui = joinEui;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
#if( OVER_THE_AIR_ACTIVATION == 0 ) //ABP方式，使用終端和服務器約定好的參數
// Choose a random device address if not already defined in Commissioning.h
if( DevAddr == 0 )
{
// Random seed initialization
srand1( BoardGetRandomSeed( ) );
// Choose a random device address
DevAddr = randr( 0, 0x01FFFFFF );
}
mibReq.Type = MIB_NET_ID;
mibReq.Param.NetID = LORAWAN_NETWORK_ID;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
mibReq.Type = MIB_DEV_ADDR;
mibReq.Param.DevAddr = DevAddr;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
mibReq.Type = MIB_F_NWK_S_INT_KEY;
mibReq.Param.FNwkSIntKey = FNwkSIntKey;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
mibReq.Type = MIB_S_NWK_S_INT_KEY;
mibReq.Param.SNwkSIntKey = SNwkSIntKey;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
mibReq.Type = MIB_NWK_S_ENC_KEY;
mibReq.Param.NwkSEncKey = NwkSEncKey;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
mibReq.Type = MIB_APP_S_KEY;
mibReq.Param.AppSKey = AppSKey;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
#endif
}
DeviceState = DEVICE_STATE_START;
break;
}
case DEVICE_STATE_START:
{
TimerInit( &TxNextPacketTimer, OnTxNextPacketTimerEvent );
TimerInit( &Led1Timer, OnLed1TimerEvent );
TimerSetValue( &Led1Timer, 25 );
TimerInit( &Led2Timer, OnLed2TimerEvent );
TimerSetValue( &Led2Timer, 25 );
mibReq.Type = MIB_PUBLIC_NETWORK;
mibReq.Param.EnablePublicNetwork = LORAWAN_PUBLIC_NETWORK;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
mibReq.Type = MIB_ADR;
mibReq.Param.AdrEnable = LORAWAN_ADR_ON;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
#if defined( REGION_EU868 ) || defined( REGION_RU864 ) || defined( REGION_CN779 ) || defined( REGION_EU433 )
LoRaMacTestSetDutyCycleOn( LORAWAN_DUTYCYCLE_ON );
#endif
mibReq.Type = MIB_SYSTEM_MAX_RX_ERROR;
mibReq.Param.SystemMaxRxError = 20;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
LoRaMacStart( );
mibReq.Type = MIB_NETWORK_ACTIVATION;
status = LoRaMacMibGetRequestConfirm( &mibReq );
if( status == LORAMAC_STATUS_OK )
{
if( mibReq.Param.NetworkActivation == ACTIVATION_TYPE_NONE ) //沒有激活
{
DeviceState = DEVICE_STATE_JOIN;
}
else
{
DeviceState = DEVICE_STATE_SEND;
NextTx = true;
}
}
break;
}
case DEVICE_STATE_JOIN:
{
mibReq.Type = MIB_DEV_EUI;
LoRaMacMibGetRequestConfirm( &mibReq );
printf( "DevEui : %02X", mibReq.Param.DevEui[0] );
for( int i = 1; i < 8; i++ )
{
printf( "-%02X", mibReq.Param.DevEui[i] );
}
printf( "\r\n" );
mibReq.Type = MIB_JOIN_EUI; //其實就是appeui
LoRaMacMibGetRequestConfirm( &mibReq );
printf( "AppEui : %02X", mibReq.Param.JoinEui[0] );
for( int i = 1; i < 8; i++ )
{
printf( "-%02X", mibReq.Param.JoinEui[i] );
}
printf( "\r\n" );
printf( "AppKey : %02X", NwkKey[0] );
for( int i = 1; i < 16; i++ )
{
printf( " %02X", NwkKey[i] );
}
printf( "\n\r\n" );
#if( OVER_THE_AIR_ACTIVATION == 0 )
printf( "###### ===== JOINED ==== ######\r\n" );
printf( "\r\nABP\r\n\r\n" );
printf( "DevAddr : %08lX\r\n", DevAddr );
printf( "NwkSKey : %02X", FNwkSIntKey[0] );
for( int i = 1; i < 16; i++ )
{
printf( " %02X", FNwkSIntKey[i] );
}
printf( "\r\n" );
printf( "AppSKey : %02X", AppSKey[0] );
for( int i = 1; i < 16; i++ )
{
printf( " %02X", AppSKey[i] );
}
printf( "\n\r\n" );
mibReq.Type = MIB_NETWORK_ACTIVATION;
mibReq.Param.NetworkActivation = ACTIVATION_TYPE_ABP;
LoRaMacMibSetRequestConfirm( &mibReq );
DeviceState = DEVICE_STATE_SEND;
#else
JoinNetwork( ); //入網操作
#endif
break;
}
case DEVICE_STATE_SEND:
{
if( NextTx == true )
{
PrepareTxFrame( AppPort );
NextTx = SendFrame( );
}
DeviceState = DEVICE_STATE_CYCLE;
break;
}
case DEVICE_STATE_CYCLE:
{
DeviceState = DEVICE_STATE_SLEEP;
if( ComplianceTest.Running == true )
{
// Schedule next packet transmission
TxDutyCycleTime = 5000; // 5000 ms
}
else
{
// Schedule next packet transmission
TxDutyCycleTime = APP_TX_DUTYCYCLE + randr( -APP_TX_DUTYCYCLE_RND, APP_TX_DUTYCYCLE_RND );
}
// Schedule next packet transmission
TimerSetValue( &TxNextPacketTimer, TxDutyCycleTime );
TimerStart( &TxNextPacketTimer );
break;
}
case DEVICE_STATE_SLEEP:
{
if( NvmCtxMgmtStore( ) == NVMCTXMGMT_STATUS_SUCCESS )
{
printf( "\r\n###### ===== CTXS STORED ==== ######\r\n" );
}
CRITICAL_SECTION_BEGIN( );
if( IsMacProcessPending == 1 )
{
// Clear flag and prevent MCU to go into low power modes.
IsMacProcessPending = 0;
}
else
{
// The MCU wakes up through events
BoardLowPowerHandler( );
}
CRITICAL_SECTION_END( );
break;
}
default:
{
DeviceState = DEVICE_STATE_START;
break;
}
}
依照上面的主循環裏面的代碼，我們畫了一個流程圖，如下：
可以看出：OTAA入網需要執行DEVICE_STATE_JOIN這個過程，入網之後上報數據；ABP是沒有入網過程的，直接就上報數據了。最終在3個狀態之間切換：
我們跟蹤一下DEVICE_STATE_JOIN這個狀態，看一下這個入網的過程：
函數體太長，我們僅列出函數名：
JoinNetwork——>LoRaMacMlmeRequest——>SendReJoinReq——>ScheduleTx——>SecureFrame——>LoRaMacCryptoPrepareJoinRequest——>LoRaMacSerializerJoinRequest——>SendFrameOnChannel——>Radio.Send
至此，入網請求消息，就通過射頻發送出去了。
上述做了一系列的操作，其實就是封裝數據包、加密數據，由此也可以看出LoRaWAN就是純軟件層面的東西。
我們重點看一下，LoRaMacSerializerJoinRequest這個函數：我們列出函數的原型如下：
LoRaMacSerializerStatus_t LoRaMacSerializerJoinRequest( LoRaMacMessageJoinRequest_t* macMsg )
{
if( ( macMsg == 0 ) || ( macMsg->Buffer == 0 ) )
{
return LORAMAC_SERIALIZER_ERROR_NPE;
}
uint16_t bufItr = 0;
// Check macMsg->BufSize
if( macMsg->BufSize < LORAMAC_JOIN_REQ_MSG_SIZE )
{
return LORAMAC_SERIALIZER_ERROR_BUF_SIZE;
}
macMsg->Buffer[bufItr++] = macMsg->MHDR.Value;
memcpyr( &macMsg->Buffer[bufItr], macMsg->JoinEUI, LORAMAC_JOIN_EUI_FIELD_SIZE );
bufItr += LORAMAC_JOIN_EUI_FIELD_SIZE;
memcpyr( &macMsg->Buffer[bufItr], macMsg->DevEUI, LORAMAC_DEV_EUI_FIELD_SIZE );
bufItr += LORAMAC_DEV_EUI_FIELD_SIZE;
macMsg->Buffer[bufItr++] = macMsg->DevNonce & 0xFF;
macMsg->Buffer[bufItr++] = ( macMsg->DevNonce >> 8 ) & 0xFF;
macMsg->Buffer[bufItr++] = macMsg->MIC & 0xFF;
macMsg->Buffer[bufItr++] = ( macMsg->MIC >> 8 ) & 0xFF;
macMsg->Buffer[bufItr++] = ( macMsg->MIC >> 16 ) & 0xFF;
macMsg->Buffer[bufItr++] = ( macMsg->MIC >> 24 ) & 0xFF;
macMsg->BufSize = bufItr;
return LORAMAC_SERIALIZER_SUCCESS;
}
在這個函數裏面實現了數據的封裝，我們看到了MHDR、JoinEUI（特別說明一下JoinEUI和APPEUI是同一個東西）、DevEUI、
DevNonce、MIC字段，MHDR是Mac數據頭、MIC是數據一致性校驗，剩下的3個字段，與我們上面從LoRaWAN規範join
request一節中看到的一樣。
我們再來看看，LoRaWAN規範裏面講的MAC消息格式：
這個圖中小藍框框起來的地方，正是我們這函數中數據封裝的各個字段。
至此我們可以總結一下，入網請求數據包的格式：
|
MHDR |
JoinEUI |
DevEUI |
DevNone |
MIC |
|
1byte |
8byte |
8byte |
2byte |
4byte |
可以看出，入網請求包長度是1+8+8+2+4=23byte。
關於“入網回覆”，我們先不管機制是怎麼樣的，我們暫時只查看相應的數據解包過程，我們類比發包的過程：先封包再發送，收
包剛好和這個相反，收到數據包，再解包，查看每個字段。
static void ProcessRadioRxDone( void )這個函數就是對射頻接收到的數據的處理了，可以看到使用switch case語句，通過
macHdr.Bits.MType字段對接收到的數據包進行了區分，FRAME_TYPE_JOIN_ACCEPT這個類型的包，正是我們的“入網回覆”
數據，順着往下跟蹤LoRaMacCryptoHandleJoinAccept——>LoRaMacParserJoinAccept,正是在LoRaMacParserJoinAccept這個
函數裏面解析“入網回覆”數據的，我們列出這個函數的原型如下：
LoRaMacParserStatus_t LoRaMacParserJoinAccept( LoRaMacMessageJoinAccept_t* macMsg )
{
if( ( macMsg == 0 ) || ( macMsg->Buffer == 0 ) )
{
return LORAMAC_PARSER_ERROR_NPE;
}
uint16_t bufItr = 0;
macMsg->MHDR.Value = macMsg->Buffer[bufItr++];
memcpy1( macMsg->JoinNonce, &macMsg->Buffer[bufItr], 3 );
bufItr = bufItr + 3;
memcpy1( macMsg->NetID, &macMsg->Buffer[bufItr], 3 );
bufItr = bufItr + 3;
macMsg->DevAddr = ( uint32_t ) macMsg->Buffer[bufItr++];
macMsg->DevAddr |= ( ( uint32_t ) macMsg->Buffer[bufItr++] << 8 );
macMsg->DevAddr |= ( ( uint32_t ) macMsg->Buffer[bufItr++] << 16 );
macMsg->DevAddr |= ( ( uint32_t ) macMsg->Buffer[bufItr++] << 24 );
macMsg->DLSettings.Value = macMsg->Buffer[bufItr++];
macMsg->RxDelay = macMsg->Buffer[bufItr++];
if( ( macMsg->BufSize - LORAMAC_MIC_FIELD_SIZE - bufItr ) == LORAMAC_C_FLIST_FIELD_SIZE )
{
memcpy1( macMsg->CFList, &macMsg->Buffer[bufItr], LORAMAC_C_FLIST_FIELD_SIZE );
bufItr = bufItr + LORAMAC_C_FLIST_FIELD_SIZE;
}
else if( ( macMsg->BufSize - LORAMAC_MIC_FIELD_SIZE - bufItr ) > 0 )
{
return LORAMAC_PARSER_FAIL;
}
macMsg->MIC = ( uint32_t ) macMsg->Buffer[bufItr++];
macMsg->MIC |= ( ( uint32_t ) macMsg->Buffer[bufItr++] << 8 );
macMsg->MIC |= ( ( uint32_t ) macMsg->Buffer[bufItr++] << 16 );
macMsg->MIC |= ( ( uint32_t ) macMsg->Buffer[bufItr++] << 24 );
return LORAMAC_PARSER_SUCCESS;
}
我們依次可以看到MHDR、JoinNonce（和規範中的AppNonce是同一個東西）、NetID、DevAddr、DLSettings、RxDelay、
CFList、MIC字段，這也與我們上面在LoRaWAN規範裏面看到的數據包吻合。
我們現在來總結一下數據入網回覆數據包的格式：
|
MHDR |
JoinNonce |
NetID |
DevAddr |
DLSettings |
RxDelay |
CFList |
MIC |
|
1byte |
3byte |
3byte |
4byte |
1byte |
1byte |
nbyte |
4byte |
其中CFList這個字段是可選的，如果沒有的話，就是0。
我們測試一下，看看“入網請求”和“入網回覆”,如下：
入網請求的數據幀爲：00 01 00 00 00 00 00 00 00 DF 46 00 00 10 FF FF FF 0F A6 C4 38 42 A7
剛好是23個字節，可以看出，入網請求是沒有加密的，每個代表字段含義如下：
00：MHDR
01 00 00 00 00 00 00 00：JoinEUI
DE 46 00 00 10 FF FF FF：DevEUI
0F A6：DevNone
C4 38 42 A7：MIC
入網回覆的數據幀爲：20 69 e1 e7 2b 3e 0b 52 c9 c5 de 36 4f e2 69 41 25
是17+(0或16)個字節，20是MHDR，之後的數據是經過加密的，
經過解密之後的數據如下：7d c4 83 03 02 01 92 c5 f1 07 00 00 e4 5b 50 1b
7d c4 83 ：JoinNonce
03 02 01 ：NetID
92 c5 f1 07：DevAddr
00 ：DLSettings
00 ：RxDelay
e4 5b 50 1b：MIC
5、總結
OTAA入網：有入網過程，入網之後服務器分配DevAddr，節點計算出NwkSKey、AppSKey兩個加密密鑰。
ABP入網：無入網過程，DevAddr、NwkSKey、AppSKey直接存儲在終端設備中（說直白一點就是，節點和服務器提前約定好了參數）。
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