随着低功耗广域网(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)的不断发展,网络安全已经成为制约物联网发展的关键因素之一。在目前各种LPWAN中,长距离(Long Range,LoRa)通信系统在安全方面尚存在着诸多问题和潜在的威胁,因此对LoRa系统的安全问题进行研究具有重要意义。本文设计并实现了基于LoRa广域网(LoRa Wide Area Network,LoRaWAN)协议的改进型密钥管理机制,并且在实际LoRa系统中进行了研究和测试。论文主要研究内容如下:首先,本文对LoRaWAN网络和协议的安全方面进行分析,包括LoRaWAN的安全机制、架构等,指出了 LoRa系统潜在的安全问题。其次,结合上述分析,为增强LoRa系统的安全性,本文设计了基于LoRaWAN的改进型密钥管理机制。该机制以LoRaWAN协议为基础,首先在设备端设计了多级密钥存储策略,同时在服务端设计了密钥分发中心(Key Distribution Center,KDC)和层次化密钥体系,以提升密钥自身安全性;然后,结合LoRaWAN协议特性,设计了密钥更新、密钥销毁和密钥撤销等策略,解决LoRa系统静态会话密钥的安全漏洞;最后,对所提机制进行了开销分析和安全性分析,论证了改进型密钥管理机制可以有效提升系统的抗毁性和密钥安全性。然后,根据所提密钥管理机制的设计,本文实现了基于改进型密钥管理机制的LoRa安全增强系统。首先,搭建了基础LoRa系统,并提出了 LoRa安全增强系统的实现架构;其次,基于Altium Designer设计、实现了包含密钥存储模块的LoRa节点;然后,使用关系型数据库和 API(Application Programming Interface)框架实现了 KDC 多级密钥的存储和分发模块;最后,基于LoRaWAN的MAC层控制命令(MACCommand),在LoRa系统中实现了密钥更新、撤销和销毁等功能。最后,本文搭建了现场测试环境,对LoRa安全增强系统进行了功能测试和性能测试。功能测试结果表明,LoRa安全增强系统各个模块实现了所提机制的功能设计目标,证明了改进型密钥管理机制的可实现性。性能测试结果表明,与使用传统密钥管理机制的LoRa系统相比,采用了改进型密钥管理机制的LoRa安全增强系统的时延、通信容量和功耗等指标基本相近;同时,在系统抗毁性、密钥安全性、网络前向安全性、后向安全性方面具有更好的性能。