1 前言

2 帧格式整体框图

3 MAC帧格式组成

3.1 分类

3.2 组成

4 MHDR（MAC Header）

4.1 帧类型FType

4.2 协议号Major

5 MIC消息校验码

5.1 校验算法

6 MACPayload

6.1 FHDR（Frame Header）

1）DevAddr

2）FCtrl

3）FCnt

4）FOpts

6.2 FPort（Frame Port）

6.3 FRMPayload

1）加密

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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LoRaWAN协议-MAC帧格式详解

1 前言

2 帧格式整体框图

3 MAC帧格式组成

3.1 分类

3.2 组成

4 MHDR（MAC Header）

4.1 帧类型FType

4.2 协议号Major

5 MIC消息校验码

5.1 校验算法

6 MACPayload

6.1 FHDR（Frame Header）

1）DevAddr

2）FCtrl

3）FCnt

4）FOpts

6.2 FPort（Frame Port）

6.3 FRMPayload

1）加密

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