Obálka MAC protokolu FLAP

Obálka MAC (nastavení zařízení flap-hash) chrání paket FLAP 64bitovým autentizačním kódem zprávy (MAC) s klíčem claim token zařízení a identifikuje zařízení jeho sériovým číslem. Všechna vícebajtová pole jsou ve formátu big-endian.

+-------------+-----------------+-------------+----------------------+
| MAC tag     | Serial number   | Header      | Data                 |
| 8 bytes     | 4 bytes         | 2 bytes     | 0 to 494 bytes       |
+-------------+-----------------+-------------+----------------------+
 \___ MAC envelope ___________/ \___ FLAP packet _________________/

Pole	Velikost	Popis
Tag MAC	8 B	Autentizační kód zprávy přes zbytek datagramu, viz Autentizační kód zprávy
Sériové číslo	4 B	Sériové číslo zařízení HARDWARIO jako 32bitové celé číslo bez znaménka, například 2159017985 je 80 b0 00 01
Paket FLAP	2 až n B	Hlavička a data

Cloud odpovídá ve stejné obálce. Obsahuje sériové číslo zařízení a tag MAC spočítaný stejným klíčem, takže zařízení může ověřit, že odpověď pochází z Cloudu a patří jemu.

Formát	Port UDP	Používá
Raw	5002	Zařízení postavená na nRF9160 nebo nRF9151
Base64	5003	CHESTER (nRF9160)

Autentizační kód zprávy

Tag MAC chrání integritu a autenticitu sériového čísla a paketu FLAP. Jde o secret-prefix MAC nad SHA-256, jehož 256bitový výstup se zkrátí na 64 bitů pomocí XOR foldingu:

digest = SHA-256( key || serial_number || header || data )
tag[i] = digest[i] ^ digest[i + 8] ^ digest[i + 16] ^ digest[i + 24]      for i = 0..7

• key je šestnáctibajtový claim token zařízení. Zařízení ho zobrazí jako 32 hexadecimálních znaků příkazem shellu info claim-token a stejná hodnota se zadává při přidání zařízení do HARDWARIO Cloud.
• serial_number, header a data jsou bajty přesně tak, jak jsou v datagramu, tedy vše za tagem MAC.

Příjemce spočítá tag z přijatých bajtů a porovná ho s přijatým tagem. Zařízení musí navíc ověřit, že sériové číslo v odpovědi je jeho vlastní.

Příklad

S claim tokenem 98a8856ba6534bd5212176b22f3acbb3 a sériovým číslem 2159017985 (0x80b00001) se potvrzení se sekvenčním číslem 20 (hlavička 0x2014, bez dat) spočítá takto:

SHA-256 input  98a8856ba6534bd5212176b22f3acbb3 80b00001 2014
MAC tag        478acfb86b963d2b
Datagram       478acfb86b963d2b 80b00001 2014
Base64         R4rPuGuWPSuAsAABIBQ=

Raw a base64

Na portu 5002 se obálka MAC posílá surově (raw) jako binární data. Na portu 5003 se celá obálka MAC včetně tagu MAC zakóduje do base64 (RFC 4648, standardní abeceda s doplňováním =) a odešle jako text ASCII. Příjemce base64 nejprve dekóduje zpět na binární obálku a tu pak zpracuje stejně jako na portu 5002. Cloud odpovídá ve stejném formátu.

Formát base64 používá jen zařízení CHESTER, jehož modem nRF9160 se ovládá příkazy AT. V datovém režimu AT ukončuje data sekvence +++, takže binární data, která ji náhodou obsahují, by se usekla. Zařízení CHESTER proto posílá každý datagram jako řetězcový parametr příkazu AT#XSEND, který nese jen text ASCII, a base64 umožní bezpečně přenést binární obálku jako text.

Bezpečnostní vlastnosti

• Autentizace a autorizace. Jako zařízení s tímto sériovým číslem se přijme jen odesílatel, který zná claim token, a zařízení přijme odpověď jen od Cloudu, který ho zná.
• Integrita. Bez claim tokenu nikdo nevytvoří nový paket ani nezmění existující tak, aby ho Cloud nebo zařízení přijaly. Šance uhodnout platný tag je 1 ku 2⁶⁴ na pokus.
• Ochrana proti opakování. Sekvenční číslo je pokryté kódem MAC, takže ho bez claim tokenu nikdo nezmění. Cloud přijme jen další očekávané sekvenční číslo: přehraný paket se starým sekvenčním číslem ignoruje a zopakování posledního paketu zpracuje jako opakované odeslání (viz Přenosy).
• Bez šifrování. Data putují jako prostý text. Kde je potřeba důvěrnost, použijte privátní APN s tunelem IPsec (viz Zabezpečení platformy) nebo obálku DTLS.
• Claim token držte v tajnosti. Je zároveň důkazem vlastnictví při přidání zařízení do Cloudu i klíčem MAC.

Limity velikosti

Formát	Maximální datagram	Data na fragment downlinku
Raw (port 5002)	508 B	494 B
Base64 (port 5003)	508 znaků	360 B

• Zařízení by mělo i své uplinkové datagramy držet do 508 bajtů. Zařízení CHESTER posílá v base64 nejvýše 360 bajtů dat na fragment.
• Cloud přijme datagram o velikosti až 1024 bajtů. Delší datagram se ořízne a neprojde ověřením.

Nastavení zařízení

Zařízení postavená na nRF9151 vybírají obálku a server příkazem shellu cloud config. Příkaz cloud config show vypíše všechna nastavení cloudu. Pro obálku MAC platí:

Parametr	Výchozí hodnota	Popis
protocol	flap-hash	Obálka: flap-hash vybere obálku MAC
addr	157.245.24.13	Výchozí IP adresa serveru
addr2, addr3	Prázdné	Druhá a třetí IP adresa serveru, prázdná hodnota znamená nepoužito
port-flap-hash	5002	Port UDP pro obálku MAC
failover	3	Počet po sobě jdoucích neúspěšných pokusů, po kterých zařízení přepne na další adresu, 0 přepínání vypne

Výchozí hodnoty adres serveru, portů a failover pocházejí z voleb Kconfig firmwaru, takže je lze změnit při sestavení firmwaru.

Přepnutí zařízení na obálku MAC v shellu zařízení:

cloud config protocol flap-hash
config save

Zařízení CHESTER používá vždy obálku MAC jako text base64. Jeho port (výchozí 5003) se nastavuje při sestavení firmwaru a adresu serveru nastavuje příkaz lte config addr.

Neplatné obálky

Cloud neodpoví na neplatné base64, obálku kratší než 14 bajtů, sériové číslo 0 ani na sériové číslo, které nezná.

Pokud je sériové číslo známé, ale tag MAC nesouhlasí, Cloud odpoví žádostí o reset (viz Reset).