LoRaWAN 帧计数机制及典型问题分析

这篇笔记对 LoRaWAN 常见的 ABP 设备帧计数问题进行了追踪分析，介绍了帧计数禁用的调试办法，以及一个不大常见却又隐蔽的细节问题。希望帮助 LoRaWAN 初学者系统性地了解 LoRaWAN 的帧计数机制。

背景

最近一周接连遇到了两个朋友关于 LoRaWAN 帧计数的问题咨询，特别是一个问题隐藏地比较深，好不容易排查了出来，因此做了笔记记录下。

一个是朋友A发来的，他的问题很典型，很多初学者都会遇到，就是 LoRaWAN 设备莫名其妙就不上报数据了，提示帧计数异常。

我们先从这个问题来说起。

协议介绍

这段协议英文还是比较拗口，中间有一句太长都不好断句，翻出了之前啃过的这段翻译(https://github.com/twowinter/LoRaWAN-Specification_ZH_CN)，这段中的 provided 是假如的意思，以前没翻译出来，于是重新整理了下翻译。

终端入网成功后，终端和服务端的上下行帧计数同时置0。 每次发送消息后，发送端与之对应的 FCntUp 或 FCntDown 就会加1。
如果收到的帧计数相比当前计数有增长，同时两者相差小于 MAX_FCNT_GAP(考虑了计数翻转)，接收方就按接收的帧计数更新对应值。
如果两者相差大于 MAX_FCNY_GAP 就说明中间丢失了很多数据，这条数据包就被丢掉。

所以我们可以小结下，一个合理的FCnt必须满足两个点： 1.FCnt 必须是增长的； 2.FCnt 的变化值必须小于 MAX_FCNT_GAP；

MAX_FCNT_GAP 是多少呢？在 LoRaWAN 区域参数规范里有介绍，咱们CN470中这个数值是 16384。

ABP设备帧计数问题分析

回到开头的问题上。

OTAA设备一般很少遇到FCnt的问题，因为每次设备重启可能都会进行Join，这样FCnt直接都置为0了。 而ABP设备没有Join操作，很多设备没做FCnt的保存，一旦重启，设备FCnt归0，而NS还是之前的旧值，那接下来的数据都会被丢弃，一直得等 FCnt 递增超过之前的大小。

同学可能会问，为什么一定要等 FCnt 超过缓存值才能正常通信呢？

因为设备上报的FCnt如果是一个旧的历史值，那说明这是一个收到过的数据，旧的数据就没必要处理了。如果不这样设计的话，那极端情况下，可能会被重放攻击。比如一个水表场景，我可以录下水表过去的一包数据，表明水表的度数，等要交水费重放这一个数据包，这样就不用交水费了。

禁用帧计数校验

那一些朋友可能手头就只有一个不完善的ABP设备，一旦重启设备FCnt重置就无法通信了，那该怎么办？

简单的办法是这样，每次重启了就手动在 NS 后台重置下这个 FCnt，让NS的缓存计数也清零。

这样每次重启都要操作NS，还有更简单的办法吗？

开源协议栈 chirpStack 为了方便开发者调试，提供了一个选项 Disable frame-counter validation，可以禁用掉对帧计数的校验。

正常情况下，FCnt 正常，那数据传输也正常，比如下面这两种情况，只要FCnt是增加的，且GAP不超过限值，那都OK

 DeviceFCntUp 80 SessionFCntUp 0
 DeviceFCntUp 10080 SessionFCntUp 0

禁用了帧计数校验后，就很潇洒了，即使FCnt乱来也都能正常进行数据传输。比如下面的两种情况，一个是设备FCnt重置了，一个是设备FCnt与平台的FCnt差值超过了限值，即使是这样的情况，NS也能正常传输这些设备数据。

 DeviceFCntUp 0 SessionFCntUp 249 // FCnt 回滚
 DeviceFCntUp 30080 SessionFCntUp 249 // FCnt 超过 MAX_FCNT_GAP

典型问题：禁用帧计数校验也不灵

问题描述

照理来说这个帧计数校验挺好用的，至少小能手使用起来还挺方便。

但最近一个伙伴在进行NS迁移(将一些设备从旧的NS迁到新的NS)时就遇到了一个问题， 明明在新的NS上禁用掉了帧计数校验，设备数据也从网关上报到了NS，但NS却拦截了这个设备的数据，迟迟无法正常传输。

开源 NS 处理逻辑

于是找到了 NS 的代码研究起来，伪代码如下，/internal/storage/device_session.go。

func GetDeviceSessionForPHYPayload() {
    ...
    fullFCnt, ok := ValidateAndGetFullFCntUp(s, macPL.FHDR.FCnt)
    if !ok {
        // If RelaxFCnt is turned on, just trust the uplink FCnt
        // this is insecure, but has been requested by many people for
        // debugging purposes.
        // Note that we do not reset the FCntDown as this would reset the
        // downlink frame-counter on a re-transmit, which is not what we
        // want.
        if s.SkipFCntValidation {
            fullFCnt = macPL.FHDR.FCnt
            s.FCntUp = macPL.FHDR.FCnt
            s.UplinkHistory = []UplinkHistory{}

            // validate if the mic is valid given the FCnt reset
            // note that we can always set the ConfFCnt as the validation
            // function will only use it when the ACK bit is set
            micOK, err := phy.ValidateUplinkDataMIC(s.GetMACVersion(), s.ConfFCnt, uint8(txDR), uint8(txCh), s.FNwkSIntKey, s.SNwkSIntKey)
            if err != nil {
                return DeviceSession{}, errors.Wrap(err, "validate mic error")
            }
        }
    }
    ...
}

func ValidateAndGetFullFCntUp(s DeviceSession, fCntUp uint32) (uint32, bool) {
	// we need to compare the difference of the 16 LSB
	gap := uint32(uint16(fCntUp) - uint16(s.FCntUp%65536))
	if gap < band.Band().GetDefaults().MaxFCntGap {
		return s.FCntUp + gap, true
	}
	return 0, false
}

原因分析

从日志来看，DeviceFCntUp 已经达到了 105007，因此超过了 MAX_FCNT_GAP，代码逻辑进入到了 SkipFCntValidation 的条件处理中，在这里返回了 MIC 校验出错的结果。

小能手于是用模拟器做了一些测试，最终定位到 FCnt 上，在 SessionFCntUp 为 0 的情况下，DeviceFCntUp 如果小于 65535 则没问题，超过 65535 则会 MIC 报错。

DeviceFCntUp 57921 SessionFCntUp 0 // mic OK
 DeviceFCntUp 123456 SessionFCntUp 0 // mic err

于是推断出来原因应该是这样，FCnt 在空中(LoRaMAC)只能传输16bit，因此 NS 无法知道设备 FCnt 是否大于65535，只能按照低16bit来处理。

解决办法

所以在这种情况下，FCnt 的同步就成问题了，只能手动告诉 NS 当前 FCnt，这时候 NS 上的 SessionFCntUp 只要低于 DeviceFCntUp，且差值不超 MAX_FCNT_GAP 就可以了。

DeviceFCntUp 是 105007，我在 NS 后台配了个 100007，过一会儿设备便正常上报了。问题解决。