Foire aux questions LoRaWAN

LoRa et LoRaWAN, c'est pas la même chose?

LoRa pour Long Range, est une modulation radio (comme FM par exemple) permettant à des équipements de transmettre des informations sans fil. C’est un réseau étendu à faible consommation (Low Power Wide-Area Network (LPWAN)). Elle utilise la bande ISM (868 Mhz en Europe, d'utilisation libre dans certaines mesures). Cette modulation radio correspond à la couche liaison.

LoRaWAN est un protocole Low Power Wide Area Network (LPWAN) basé sur la modulation radio LoRa pour les objets connectés sans fils sur batterie dans un réseau régional, national ou mondial. LoRaWAN permet de la communication bi-directionnelle sécurisée (chiffrement basé sur AES128) ainsi que de la localisation. Le protocole correspond à la couche réseau.

Quel est le débit ?

Selon la norme LoRaWAN, le débit est compris entre 0,3 et 50 kbps. Soit entre 40 octets et 6Ko par seconde.

Quelle est la portée ?

Le dernier record a été établi le 16 avril 2020 avec un ballon à haute altitude rempli d’hélium auquel a été émetteur LoRaWAN. La portée atteinte à été de plus de 800km et le ballon était à 38km d'altitude.

En conditions normales - et en respectant les limitations légales d'utilisation de la bande de fréquence 868Mhz - on peut compter sur quelques dizaines de kilomètres en zone dégagée. En ville, on peut compter sur quelques kilomètres parfois beaucoup moins suivant la position de l'objet par rapport à l'antenne la mieux placée.

Qu’est ce que MQTT ?

MQTT, pour Message Query Telemetry Transport est un protocole de communication. Les passerelles, le serveur de réseau et le serveur application de LoRa utilisent le protocole MQTT.

Contrairement au principe du client/serveur utilisé dans le domaine du Web, MQTT utilise celui de la publication/souscription : plusieurs clients se connectent à un serveur unique, un broker, où ils publient ou reçoivent des informations. On peut comparer le fonctionnement du protocole au fonctionnement de X, ou bien Instagram.

MQTT est conçu pour utiliser le moins de ressources possibles. C'est un protocole ouvert (standard OASIS). À l'origine, il a été conçu par IBM pour faire de la télémesure par satellitte.

Il fonctionne sur TCP/IP mais aussi sur tout protocole réseau permettant des connections bidirectionnelles, sans perte et ordonnées. Il est particulièrement adapté aux communications "machine to machine" (M2M).

Comment fonctionne le protocole MQTT ?

L’ensemble des clients communique via un broker.

Les clients s'abonnent auprès du broker à des topics. On peut les voir comme des chemins pour accéder à une ressource. Cela leur permet d’être notifiés lorsque quelqu'un publie sur ces topics.

Cela peut être un topic de température par exemple : /sensor/1/temperature.

On peut souscrire à un ensemble de topics en utilisant des wildcards # ou +. Par exemple :

• si un client publie sur les topics /sensor/1/temperature et /sensor/1/humidity, un autre client peut écouter ces deux topics à la fois en s'abonnant à /sensor/1/#.
• si plusieurs clients publient leurs températures et humidités en intercalant leur numéro de client sur leur topic, un autre client peut écouter toutes les températures ainsi : /sensor/+/temperature. Il recevra alors les températures du client 1 (/sensor/1/temperature), du client 2 (/sensor/2/temperature), etc.

Qu’est ce que Node-RED?

Node-RED est un logiciel libre de programmation graphique par blocs (un peu comme Scratch !). Il permet de traiter des flux de données en les faisant passer par différentes boites qui appliquent divers traitements.

Plus précisemment, il fournit une interface web graphique permettant de représenter les flux de données par des noeuds et des liens. L’outil est un projet de la JS Foundation. L’application repose sur Node.js et les flux créés avec l’application sont stockés en utilisant des fichiers JSON. Vous pouvez trouver plus d'informations sur le site officiel.

À quoi sert LoRaWAN ?

Le cas d'usage typique est lorsque vous êtes dans un environement contraint : pas d'accès simple à de l'electricité, pas d'accès Internet immédiat à proximité.

LoRaWAN va nous permettre de connaître, par exemple :

• en agriculture : mesure d'humdité des sols, mise en réseau d'un ensemble de capteurs pour automatiser l’arrosage de ses champs.
• niveau d'un barrage en montagne
• l’état de fermeture des portes des baraques de chantier (pour prévenir d’un éventuel cambriolage)
• la géolocalisation des engins de chantiers
• les places libres dans les parkings
• faire des relevés à distance de compteurs d'électricité, d'eau, de gaz.
• une collectivité pourra faire de la télémesure, vérifier si les éclairages d'équipements publics sont bien éteints, optimiser les éclairages de sa ville en fonction du trafic et ainsi réduire les coûts.

Certaines entreprises peuvent déployer un réseau LoRaWAN privé pour localiser des objets ou des machines à l'intérieur de leurs locaux (là où le GPS ne fonctione pas).

Dans les zones de montagne à risque qui sont en plus en zone blanche, une passerelle LoRaWAN peut couvrir un large domaine : localisation de randonneurs, mesures de température, de présence dans un refuge éloigné...

Certains opérateurs de grandes courses (trail, ultra...) déploient aussi un réseau privé pour géolocaliser les participantes et participants en temps réel. Surtout sur les portions du parcours non couvertes par le réseau GSM.

Quels sont les opérateurs de réseaux LoRaWAN ?

Nous ! Mais citons aussi Bouygues avec Objenious, Orange et d'autres.

À noter, la société fleetspace qui est en train de déployer un ensemble de satellittes pour assurer une couverture mondiale LoRaWAN : https://twitter.com/buildrootorg/status/1118066443759890432 et https://www.fleet.space/

Est-ce que c’est sécurisé ?

Toutes les communications en LoRaWAN sont chiffrées selon une méthode basée sur de l'AES-128. Il est faux de dire que les données applicatives sont chiffrées en AES 128.

Le protocole implémente plusieurs clefs, propres à chaque équipement terminal, afin d'assurer la sécurité des échanges au niveau réseau et applicatif.

Une clef AES d'une longueur de 128 bits appelée Appkey est utilisée pour générer les clefs NetworkSessionKey (NwkSkey) et Application Session key (AppSKey).

• La NwkSkey assure l’identification, ce qui empêche des attaques du type "homme du milieu" ou une modification des messages à la volée. Elle utilise un clé AES 128 pour générer un code MIC (Message Integrity Code) pour chaque message.

• La AppSKey est utilisée par le serveur et l'équipement d'extrémité pour générer le champ d'intégrité MIC présent dans les paquets. Ce champ permet d'assurer que le paquet n'a pas été modifié en cours de transfert par un équipement malveillant. Cette clef est également utilisée pour chiffrer le contenu des messages contenant uniquement des commandes MAC3. Elle utilise aussi une clé AES 128.

La clef AppSKey est utilisée pour chiffrer les données applicatives présentes dans le paquet. Cette clef assure seulement la confidentialité du contenu du message mais pas son intégrité, ce qui signifie que si les serveurs réseau et applicatifs sont distincts, le serveur réseau est capable de modifier le contenu du message. De ce fait, la spécification LoRaWAN recommande d'utiliser des méthodes de protections de bout en bout supplémentaires pour les applications qui nécessiteraient un degré de sécurité supérieur.

Deux procédures d'activation sont possibles :

• Activation By Personalization (ABP), Les clefs de chiffrement sont stockées "en dur" dans les équipements.
• Over The Air (OTAA) : Les clefs de chiffrement sont obtenues par un échange avec le réseau (un peu comme en HTTPS ou ssh).

Voir la page "cryptographie" pour plus d'informations.

À quoi sert une passerelle ?

De manière générale, une passerelle (ou gateway) est le nom générique d'un dispositif permettant de relier deux réseaux informatiques de types différents.

Dans notre cas, il s'agit de relier les antennes des objets au reste du réseau (Internet) en relayant les informations.

• Objet -> Passerelle : une communication avec la technologie LoRa permet de connecter les objets aux passerelles. Avec LoRa, cette communication s’effectue en un seul saut capteur-passerelle.
• Passerelle -> Réseau : différents types de communications peuvent connecter la passerelle LoRa au serveur-IoT/Cloud. On retrouve généralement une connexion filaire Ethernet, ou sans fil avec WiFi ou 3G/4G; ces liens hétérogènes représentent la connexion Internet.

Ainsi, la passerelle LoRa doit disposer d’au moins 2 interfaces de communication; une radio LoRa et une interface Ethernet, WiFi ou 3G/4G.

Comment faire son propre réseau LoRa ?

Il faut, pour cela, se munir d’une antenne reliée à internet (par Wi-Fi, câble Ethernet, connexion 3G…) avec une station de base émettant en France sur la bande 868 MHz. Le réseau peut-être privé ou public suivant le domaine d’application. Une entreprise préférera protéger les données transmises. A noter que la bande de fréquence disponible change par pays. Aux Etats-Unis, par exemple, la bande de fréquence utilisée pour le réseau LoRa est 915 MHz.

Les objets connectés doivent, quant à eux, être équipés d’une puce LoRa qui leur permet de recevoir le signal de l’antenne. Un émetteur récepteur de ce type coûte environ 7 euros à l’unité, beaucoup moins si la commande est importante. Mais sans passerelle et sans antenne compatible, le fonctionnement du réseau est impossible. Les opérateurs agissent principalement à ce niveau.

Qu'en est-il de consommation énergétique ?

LoRaWAN est un protocole spécialement développé pour limiter au maximum la consommation d'énergie. Un objet LoRaWAN devrait être capable de fonctionner sur pile plus d'un an en fonction de son programme. On distingue trois modes de fonctionnements :

• Le premier permet à un objet d’envoyer des informations vers une antenne puis d’en recevoir immédiatement après l’envoi. Si le serveur veut envoyer des informations à l’objet, il devra attendre le prochain cycle d’envoi. On pense par exemple aux compteurs d’eau qui envoient les données de manière régulière et espacée dans le temps. C’est le mode le moins gourmand en énergie.

• Le second permet à l’objet connecté de recevoir des données à des intervalles réguliers et paramétrés à l’avance.

• Enfin le dernier permet au récepteur de recevoir des données en continu. Ce dernier s’avère le plus énergivore.

Cependant, les possibilités de combinaisons sont nombreuses et une technologie de réseau n’en efface pas une autre. La plupart des solutions combinent réseau LoRa, fonctionnalités Bluetooth et Wifi avec transmission de données par le biais de réseau cellulaire. Ainsi la consommation énergétique peut varier en fonction des solutions choisies.

Est-ce écologique ?

C'est tout simplement catastrophique. Comme tous composants informatiques, cela nécessite des terres rares, des métaux lourds le plus souvent extraits dans des conditions environnementales et sociales affreuses.

Le tout n'est pas recyclable et risque fort de finir dans des décharges à ciel ouvert en Afrique de l'Ouest ou en Asie. Les matériels sont souvent brûlés pour récupérer un peu de métal afin de le revendre sur des marchés. C'est le cas déjà pour vos smartphones, portables et équipements informatiques. Voir le travail du photographe Kai Loeffelbein : http://kailoeffelbein.com/ctrl-x-a-topography-of-e-waste/ctrl_x_china_011-jpg