LoRaWAN 协议研读 06

咱们接着上一篇文章的话题，继续来聊 LoRaWAN 协议，今天的主题是 LoRaWAN Server，它既是重点，也是难点。

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1 LoRaWAN 服务器

在前面的文章中，我们提到过，LoRaWAN 的重点和难点其实是 LoRaWAN Server！

“分而治之”是人们降低复杂度的有效方法，LoRaWAN Server 很娴熟地运用了该技巧，它将 Server 分成 4 种角色。接下来，我们就来详细聊聊这部分

1.1 服务器框架

虽然很多人都推荐使用 IPv6 将智能设备互联，构建一个物联网。

但是目前，更可行的物联网方案是：将智能设备连接到 Internet。这样，基于已有的互联网，无论是经济上，还是技术上，都性价比更高。更何况，大部分智能设备的计算能力和电能都不适合 IPv6 的协议栈运行。

我们来看一下 LoRaWAN 的架构，它是基于 Internet 建设物联网，Gateway 是 IP 设备（运行 IP 协议栈），而 End Node 运行的是 LoRaMac-node（没有运行IP协议栈）。

1.2 不同服务器角色及其功能

LoRaWAN Server 共有 4 种角色，包括：NS（NetworkServer，网络服务器）、AS（ApplicationServer，应用服务器）、NC（NetworkController，网络控制服务器）和CS（Customer Server，客户服务器）。

不同服务器及其功能简述如下：

（1）NS（Network Server，网络服务器）

1 个 NS 可以连接 1 个或多个 Gateway，它们之间的接口协议为 JSON / GWMP / UDP / IP。同样，NS 可以连接 1 个或多个 AS 和 NC，它们之间的接口协议为 JSON / TCP / IP。

NS负责 RF 数据包的完整性校验：

上行：End Node >>>> Gateway >>>> NS，它将检验 RF 数据包的 MIC 是否正确；

下行：NS >>>> Gateway >>>> End Node，它将给 RF 数据包计算并封装 MIC。

为此，NS 需要记录每一个 End Node 的如下信息：

（2）AS（Application Server，应用服务器）

1 个 AS 可以连接 1 个或多个 NS 和 CS，它们之间的协议为 JSON / TCP / IP。

AS 负责 RF 数据包的应用数据加密和解密：

上行：End Node >>>> Gateway >>>> NS >>>> AS，它将解密应用数据并提交给 CS；

下行：AS >>>> NS >>>> Gateway >>>> End Node，它将 CS 转交的应用数据加密。

为此，AS 需要记录每一个 End Node 的如下信息：

（3）NC（Network Controller，网络控制服务器）

1 个 NC 可以连接 1 个或多个 NS，它们之间的协议为 JSON/ TCP / IP。

NC 负责控制 RF 参数，目前，End Node 的通信速率（ADR）由它控制。（后续扩展可能包括：End Node 的发射功率、移动 Node 的漫游和选择最佳 Gateway 通信等）。

（4）CS（Customer Server，客户服务器）

1 个 CS 可以连接 1 个或多个 AS，它们之间的协议为 JSON / TCP / IP。

CS 是用户自定义的服务器，除了接口协议外，它具备高度的灵活性：灵活的数据存储（如：使用关系性数据库或简单文件），灵活的数据加工（如：基于数据挖掘或简单显示）。

1.3 通信接口

4 种服务器角色和 Gateway，以及 Command console 的层次关系如下图所示。

如下图所示，它们之间的通信协议规律如下：

NS 和 Gateways 通过 JSON / GWMP / UDP / IP；

Command console 和 4 种服务器通过 JSON / UDP / IP；

4 种服务器之间通过 JSON / TCP / IP。

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2 LoRaWAN 服务器接口

如下图所示，LoRaWAN 规定 Server 和 Gateway 的协议为 JSON / GWMP / UDP / IP，底下的 2 层协议属于 IP 协议栈，而 GWMP 和 JSON 融入 LoRaWAN 的特点。

2.1 NS 和 GW 协议栈

GWMP（LoRa GatewayMessage Protocol）如下表所示，

其中包括 3 个交互协议：

PUSH_DATA PUSH_ACK：GW 向 NS 提交上行 RF 数据包；

PULL_RESP TX_ACK：NS 向 GW 提交下行 RF 数据包；

PULL_DATA PULL_ACK：GW 向 NS 发送“心跳”以打开防火墙；

2.3 JSON协议

LoRaWAN 使用 JSON 作为通用数据交换格式，并且 JSON 仅包含 ASCII字符。目前，JSON 协议包括 3 部分定义：GW 状态，上行数据，下行数据。

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3 LoRaWAN 服务器架构

由于LoRaWAN 本身没有公开其服务器源码，这里介绍的 LoRa Server 是一个开源的 LoRaWAN Server，我们就拿这个架构来加深一下理解。它能完成 Server 最主要的任务：处理来自 1 个或多个 GW 的上行 RF 数据包，调度最优的 GW 回复下行 RF 数据包。

3.1 整体架构

很明显，LoRa Server 基本遵循 LoRaWAN 对 Server 的 4 层架构，它们的对应关系如下。

loraserver NS (Network Server)

lora-app-server AS (ApplicationServer)

lora-controller NC (NetworkController)

application CS (Customer Server)

LoRaWAN 规定 GW 和 NS 的接口协议是 JSON，而本项目使用的是 MQTT 格式，因此它设计了一个 lora-gateway-bridge 层，它负责 JSON 和 MQTT 的转换。如下图所示：

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4 关于 LoRaWAN 服务器和网关的一些问题

在 LoRaWAN 主流体系之外，有一些应用的经验和技巧，它包括 Server 和 Gateway 的设计和实现。接下来我们就以问答的方式大概来聊一下。

4.1 Server 和 GW可以集成吗？

目前，至少有 2 种产品是 LoRa GW 和 Server 集成在一个设备上：Semtech Starter Kit 和MultiTech Conduit，它们都是基于 Linux 平台，综合 AS、NS 和 GW 以及 DataBase（数据库）。

如果只使用一个 GW（满足演示或实验的需要），上述方法是可行的。

如果是部署一个 LoRaWAN 物联网，是需要将 Server 和 GW 分离，更常见的是，一个 Server 连接多个 GW，组建一个较大区域的无线网络。

4.2 NS 和 AS 可以分离吗？

LoRAWAN Server 主要包括：NS 和 AS，NS 负责收发 RF 数据包，AS 负责数据加密和解密，那么这 2 者可以分离吗，比如，使用 A 公司的 NS，结合 B 公司 AS？

站在技术角度，这是完全可行的。只要 NS 和 AS 对同一 End Node 保持一致的 Key 和 ID。像 Loriot 公司的 NS，预留了 API 接口，可以连接第三方的 AS，用于：同步 Key 和 ID、NS AS 数据流等。

4.3 NS 和 GW 断连该怎么办？

使用 3G/GPRS 链路的 GW 和 NS，如果 3G 通信失败（没有信号等），那么 GW 如何缓存 End Nodes 上报的 RF 数据包呢？

LoRaWAN 没有指出如何处理该异常，这需要 GW 执行一些策略：缓存没有应答的报文，持续重连 NS，一旦连接 NS，马上提交所有缓存报文。

如果 3G/GPRS 链路长时间不可使用，GW 不可能，也没有必要，缓存所有 RF 数据包；可见，处理该异常，需要一个满足客户需要的动态策略。

4.4 GW 接收“不需要”的报文吗？

设想，2 家不同公司的 End Nodes 都在一家 GW 的有效通信范围内，那么 GW 能否“拒绝”不属于本公司的 End Nodes 的报文吗？

答案是该 GW 会接收，只是当它提交给 NS 时，会发现该报文的 DevAddr 和 MIC 错误，因为别的公司的 End Nodes 没有在 NS 中注册。

由此可见，GW 只是一个“桥接器”，它不对报文做加工处理。

4.5 使用 3G/GPRS 有延迟吗？

有用户使用 3G/GPRS 连接 GW 和 Server，发现 End Node 在上报后的 1 秒内（即 RX1 窗口）接收 ACK 失败。深入实验发现，原因在于 Server 通过 3G/GPRS 发送“下行 RF 数据包”超时（大于1秒）。

测试经验表明，当 3G/GPRS 链路处于空闲时，第一个数据包的发送时间会达到300~900ms，因为 3G/GPRS 调制解调器与距离最近的蜂窝基站重建连接，这需要一些时间。后续的数据包发送时间小于 100ms。

为此，使用 3G/GPRS 的 GW，Server 和 End Node 需要约定 RX2 窗口接收下行 RF 数据包，该窗口有 2 秒的周期，可以有效应对蜂窝链路重建的延迟。

4.6 Server 如何实现 ADR？

ADR（Adaptive DataRate，速率自适应）是 LoRaWAN 的核心技术之一，End Nodes 的空中速率都是由 Server 自动控制的。那么，Server 如何计算 ADR 呢？

LoRaWAN Server 一般将 ADR 算法设计成一个模块，通过提供目标需求（如：吞吐率、稳定性或二者折中…），该算法模块结合 End Node 的历史经验数据（RSSI / SNR / demodulation margin/…）计算最佳空中速率。

4.7 8 个 SX127x 能否代替 SX1301？

能否使用 8 个 SX127x（如：使用 DVB-T 设备连接）来取代SX1301，实现一个便宜的 LoRaWAN Gateway 呢？

遗憾的是，这看上去很美好，实际上会深陷泥淖。

因为多个 LoRa 收发器 ≠ LoRaWAN 多通道网关

LoRaWAN 的无线电通信依赖 SX1301 基带芯片，它可以看作是：DSP + 2x MCU 的 ASIC。正因为它强大的调制和解调能力，才能实现多通道，多速率，同时解析；还能实现天线分集。

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今天就聊到这里，这仅仅是关于 LoRaWAN 服务器的一些简单介绍，这一个话题值得深入研究，各位小伙伴可以根据自身情况进行深入学习！下一篇将是 LoRaWAN 系列的最后一篇文章，请大家继续关注！

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