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1 前言
LoRaWAN协议做为MAC层，分析其帧格式能更好的理解其功能是怎么通过命令实现的。本文梳理了MAC帧格式相关信息，为进一步了解LoRaWAN协议打下基础。
2 帧格式整体框图
- LoRaWAN的PHY层已在
《LoRaWAN协议-物理层（PHY）详解》
一文中分析了，这里的框图以LoRa调制做为PHY层来刨析MAC帧格式的组成- MAC数据帧封装在PHY层的PHY Payload字段中
3 MAC帧格式组成
3.1 分类
- 总共分为3类，其中Join-Request和Join-Accept比较特殊，仅用于空中入网过程
3.2 组成
- MAC帧格式由帧头MHDR，帧载荷MACPayload，消息校验码MIC组成
4 MHDR（MAC Header）
- 作为MAC头，共占1个字节
- 由帧类型FType和协议号Major组成，RFU是保留字段
4.1 帧类型FType
- 按该字段，MAC帧共分为6种类型：入网请求帧，入网确认帧，未确认上行数据帧，未确认下行数据帧，确认上行数据帧，确认下行数据帧
- 入网请求帧和入网确认帧用于空中入网流程
- 确认数据帧需要接收方回复应答，未确认帧无需回复应答
4.2 协议号Major
- 协议版本号，现阶段固定为0x00
5 MIC消息校验码
共计4字节，用于MAC帧数据校验，不包括MIC自己。
5.1 校验算法
msg = MHDR | FHDR | FPort | FRMPayload CMAC = aes128_cmac(NwkSKey, B0 | msg) MIC = CMAC[0..3]
- msg：整个MAC字段除了MIC自身
- 额外加入数据B0[16]，其中有DevAddr，Dir（0-Up；1-Down），Fcnt，len（msg）
- 使用AES128加密算法，秘钥为NwkSKey，生成密文
- MIC取密文的前4字节作为验证码
PS：这里补充一点，入网后才会有NwkSKey密钥，Join-Request和Join-Accept的MIC计算是通过APPKey（节点端和服务器端提前写好）加密的，后面单独说明
6 MACPayload
- MAC数据段由帧头FHDR，帧端口FPort，帧载荷FRMPayload3个子段组成
- 其中只有FRMPayload字段是加密的
- 其长度是可变的，其FRMPayload最大长度N，后续单独一篇文章分析
6.1 FHDR（Frame Header）
- FHDR是由4字节终端地址(DevAddr)、1字节帧控制字节(FCtrl)、2字节帧计数器(FCnt)和用来传输MAC命令的帧选项(FOpts，最多15个字节)组成。
1）DevAddr
- 占用4字节，用于标识当前网络的终端设备
- 该地址由网络服务器分配
2）FCtrl
占用1字节，依据上行帧和下行帧其组成字段不一样
- 下行消息
- 上行消息
- ADR – 当自身支持ADR时，该位会被置1。
- ACK – 当收到确认消息时，按协议需回复应答给对方。此时该位会被置1
- FPending – 仅用于下行链路帧中，当该位被置1时，表示服务端还有很多数据等着要发，告知Class A设备尽快发起新的一轮通信窗口
- FOptsLen – 表示FOpts字段的长度，0~15字节
- ADRACKReq – 用于节点测主动进行ADR降速，具体见
《LoRaWAN协议-自适应速率(ADR)技术》
- ClassB – 仅用于上行链路帧，该位置1表示节点通知服务端，自己已经使能Class B设备了，可以开始接收下行ping，具体见后续Class B设备分析
3）FCnt
协议背景：
- 每个节点设备，程序内部会维持两个计数器FCntUp和FCntDown
- FCntUp计数器在每次节点上行数据给网络服务器时，递增+1
- FCntDown计数器在每次节点接收到网络服务器下行数据时，递增+1
- OTAA入网成功后，即节点收到Join-Accept命令，此时程序会复位FCntUp和FCntDown
字段作用：
- 接收方可通过该字段，和内部的计数器进行比较同步
- MIC（消息验证码）需要使用到该字段的值进行运算校验
4）FOpts
- 属于可选项，当FOptsLen非零时，使用该字段
- 其长度由FCtrl中的FOptsLen决定，最大15字节
- 可用于存放MAC命令，MAC命令还可以放到FRMPayload字段，但两者不能同时存放MAC命令。
- 存放MAC命令的区别是：FOpts字段是不加密的，而FRMPayload字段是加密的
6.2 FPort（Frame Port）
- 当FRMPayload字段不为空时，该字段必须存在
- 和网络协议的端口号类似，其值范围为0~255
- FPort = 0时，表示FRMPayload字段只存放MAC命令
- 1~223，用于应用层特殊使用
- 224 用于LoRaWAN测试协议
6.3 FRMPayload
该字段作为MAC帧的有效载荷，可以存放MAC命令，也可以存放用户数据。
1）加密
- 如果该字段不为空，需要在MIC生成之前完成加密
- 加密密钥依据FPort的值而定，NwkSKey和AppSKey会在入网过程中生成
- 使用AES128进行加密
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