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1 前言
帧结构是通信协议的核心设计内容。设计MAC层的主要工作之一就是帧（数据）结构的设计。
LoRaWAN规范（LoRaWAN Speicification）虽然只定义到了数据链路层（无上层LLC层，只有下层MAC层），但是LoRaWAN空口帧结构作为LoRaWAN规范的核心知识要点，设计精简，是学习无线通信协议的很好参考。
2 LoRaWAN空口帧结构
LoRaWAN规范自下而上设计，充分发挥了LoRa的硬件优势，LoRaWAN空口帧结构非常精简，如图2.1所示。这样最大化优化了物联网终端的功耗，降低整体系统的复杂度、系统成本等。
下图2.1基本涵盖了LoRaWAN1.0.x空口传输的所有信息。
图2.1 LoRaWAN 空口帧结构
LoRaWAN物理层主要是LoRa物理层（部分Region有采用FSK，作为高速应用的补充），LoRa物理层采用LoRa有头模式（Explicit Header Mode）（PS：除了Class B Beacon，其采用了Implicit Header），上行带硬件CRC，下行不带硬件CRC。同时采用的同步字是0x34（有别于现有市场的私有LoRa应用的同步字0x12）。
LoRaWAN空口帧的MAC层按照消息类型（MTypes）来看，有6个消息类型：
2.1 入网（JOIN）
入网是LoRaWAN通信的开始，只有正确加入LoRaWAN网络的设备，才能进行数据通信。入网包含了两个消息：
2.1.1 入网请求（Join Request）
设备通过发送加入请求（Join Request）来申请加入目标LoRaWAN网络。
入网请求（Join Request）包含了两个EUI号,数据长度都是8 Byte，分别是DevEUI与AppEUI。DevEUI遵循EUI-64命名规范，是设备的全球唯一标识。AppEUI命名规则根据实际运营网络而定。
DevNonce为2 Byte的随机数，用来防止JOIN的重播攻击，NS服务器会跟踪记录每次JOIN Request中的DevNonce，只有在接收到第一条上行后，在删除该DevNonce，因此NS服务器能够通过DevNonce值来识别出重播攻击，拒绝响应Join Accept。
MIC（4 Byte）是对Join Request的完整性检查，只有拥有根秘钥AppKey，才能计算得到有效mic值，否则将被NS服务器拒绝，因此可以防止伪造节点。
图2.2 Join Request的MIC生成方法
2.1.2 入网接受（Join Accept）
入网接受包（Join Accept）是NS服务器对设备的入网许可回复。
入网接受包通过Appkey来加密。
图2.3 Join Accept解密方式
AppNonce若为3 Byte的随机数，可（与DevNonce）每次派生出不同两个会话秘钥AppSKey、NwkSKey
图2.4 会话秘钥AppSKey、NwkSKey派生方式
NetID（3 Btye）标识网络ID，用于区别同一地理区域内可能存在的多个不同运营商的LoRaWAN网络，全球性的NetID，LoRa Alliance已执行了新的管理办法。
DevAddr（4 Byte）标识设备在网络内的短地址。
DLSettings（1 Byte）用于NS服务器侧调整RX1,RX2的速率。可以根据不同地区，网关可支持的最大功率来调整，以实现上行与下行无线链路预算的平衡。
RxDelay（1 Byte）用于NS服务器侧调整RX1窗口开启延时
CFList(16 Byte)是可选的频率表字段，NS服务器可根据Reginal Parameters与实际部署需要，决定是否携带频率表信息。
MIC是对Join Accept的完整性检查。
图2.5 Join Accept的MIC生成方式
2.1.3 Join小结
- 入网请求包（Join Request）是明文发送，但是受MIC（消息完整性检查）保护。（LoRaWAN的所有消息类型都受MIC保护）。
- 入网接受包（Join Accept）是密文发送。需要通过根秘钥AppKey解密得到。
- 入网可以实现会话秘钥（AppSKey、NwkSKey）的动态更新。
- 具备一定的防重播攻击、防伪节点的能力。
2.2 数据通信（Data Message）
数据通信用来传输MAC命令与应用数据。
MAC层网络开销是13字节，如图2.1蓝色区块（在没有FRMPayload的情况下，实际网络开销是12字节，缺省情况下，未发送Fport.）
DevAddr是入网后，获取的网内短地址标识。
Fctl（1 Byte）是网络控制字节，按位来标识ADR、ACK、Fpending、Class B、Foptslen等网络控制信息
Fcnt（2 Byte）是帧计数器，由发送端维护，即终端侧FCntUp与服务器侧FCntDown，LoRaWAN支持2 Byte与4 Byte的Fcnt。4 Byte的Fcnt具有更大线性计数空间，相应的也具备更好安全性，但是需要发送端进行相应的计数器向上溢出、掉电\上电保护等。2 Byte的Fcnt则可以直接拿来就用，无需特殊保护。
Fport（1 Byte）是应用端口号，用于指示FRMPayload的数据属性。Fport=0,FRMPayload用于传输MAC命令。Fport=224,FRMPayload用于传输LoRaWAN联盟定义认证测试应用。1~233 可根据实际情况，自定义使用。
FRMPayload为应用数据。最大数据包长度受限于通信速率。
2.2.1 数据消息类型
根据数据消息是否有显性应答，分为确认帧（Confirmed-data message）与非确认帧（Unconfirmed-data message）
2.2.2 MAC命令
MAC命令属于LoRaWAN协议层数据，主要用于实现网络的运维与管理、网络动态优化等。
橙色由设备端发起，蓝色由NS服务器发起。
| CID | MAC命令 | 描述 |
|---|---|---|
| 0x02 | LinkCheck | 可用于设备端进行LoRaWAN链路的可达性测试 |
| 0x03 | LinkADR | 用于NS服务器进行ADR提速与调整功率 |
| 0x04 | DutyCycle | 用于NS服务器进行占空比配置 |
| 0x05 | RxParamSetup | 用于NS服务器进行Rx速率参数（RX1\RX2）调整 |
| 0x06 | DevStatus | 用于NS服务器获取设备电池信息与无线链路余量Margin |
| 0x07 | NewChannel | 用于NS服务器新增\删除\修改信道 |
| 0x08 | RxTimingSetup | 用于NS服务器进行RX1窗口时间（RX1Delay）的调整 |
| 0x09 | TxParamSetup | 用于NS服务器进行TX功率、驻留时间的调整 |
| 0x0A | DIChannel | 用于NS服务器对RX1窗口频率的特殊设定 |
| 0x0D | DeviceTime | 可用于设备端获取全网时间，辅助Class B Beacon 同步等 |
3 Wireshark分析LoRaWAN空口包
接下来透过最流行的开源协议分析工具Wireshark（PS：Wireshark2.6.0版本开始增加了LoRaWAN协议的解析器），来实际看看LoRaWAN空口数据包。
3.1 Join Request
图3.1 Join Request
3.2 Join Accept
图3.2 Join Accept
3.3 Confirmed Data Up
图3.3 确认帧上行
3.4 Unconfirmed Data Down(ACK)
图3.4 上行确认帧的回复（下行非确认帧）
3.5 Unconfirmed Data Down(Application Data)
图3.5 上行确认帧的回复（下行非确认帧，并携带用户数据）
- 下行用户数据“Frame Payload”采用AES128加密，没有会话秘钥AppSkey，则无法获取原始信息内容
