[論文レビュー] Are wearable devices ready for HTTPS? Measuring the cost of secure communication protocols on wearable devices

Harini Kolamunna, Jagmohan Chauhan+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2016

Green IT and Sustainability参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、制御された実験および実世界のウェブサーバー実験を通じて、ウェアラブルデバイスにおける直接HTTPS通信の実現可能性を評価している。ウェアラブルデバイスは、スマートフォンを経由するBluetoothリレーファイルの削除により、TLSハンドシェイクのオーバーヘッド低減と直接WiFi接続によるデータ転送効率の向上のおかげで、スマートフォンと同等のパフォーマンスを達成でき、最大78%のエネルギー節約と40%の高速化を実現できることが判明した。

ABSTRACT

The majority of available wearable devices require communication with Internet servers for data analysis and storage, and rely on a paired smartphone to enable secure communication. However, wearable devices are mostly equipped with WiFi network interfaces, enabling direct communication with the Internet. Secure communication protocols should then run on these wearables itself, yet it is not clear if they can be efficiently supported. In this paper, we show that wearable devices are ready for direct and secure Internet communication by means of experiments with both controlled and Internet servers. We observe that the overall energy consumption and communication delay can be reduced with direct Internet connection via WiFi from wearables compared to using smartphones as relays via Bluetooth. We also show that the additional HTTPS cost caused by TLS handshake and encryption is closely related to number of parallel connections, and has the same relative impact on wearables and smartphones.

研究の動機と目的

• スマートフォンを中継として使用せずに、ウェアラブルデバイスが直接インターネット通信のためにHTTPSを効率的にサポートできるかどうかを評価すること。
• 制御された環境および実世界の環境における、ウェアラブルデバイスにおけるHTTPSとHTTPのパフォーマンスおよびエネルギーコストを測定すること。
• 特にTLSハンドシェイクと並列接続が、リソース制限のあるデバイスに与える影響を特定し、HTTPSのオーバーヘッドの主な要因を同定すること。
• データ、時間、エネルギー消費の観点から、ウェアラブルデバイスとスマートフォンにおけるHTTPSの相対的コストを比較すること。
• 開発者がウェアラブルプラットフォームにおける安全な通信を最適化するための実行可能な推奨事項を提供すること。

提案手法

• スマートウォッチおよびスマートグラス上で、さまざまなデータサイズと接続数におけるHTTPSおよびHTTPのオーバーヘッドを測定するために、ローカルウェブサーバーを用いた制御実験を実施した。
• HTTPおよびHTTPSをサポートする6つの人気のあるAlexaランク上位のウェブサイトを対象に、実世界のウェブブラウジング実験を実施し、実際のネットワーク環境下でのパフォーマンスを評価した。
• デバイスおよびプロトコルごとに、ダウンロードされたデータ量、データ転送時間、エネルギー消費の3つの主要指標を測定した。
• HTTPS全体のオーバーヘッドに寄与するTLSハンドシェイクフェーズを別途分析し、その影響を分離した。
• さまざまな接続数を想定した条件下で、データ転送時間比を関数とするエネルギー消費比を線形回帰でモデル化した。
• 異なるTLSアルゴリズムおよび暗号スイートがパフォーマンスおよびオーバーヘッドに与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スマートフォンを介さずに、ウェアラブルデバイスがWiFi経由で直接HTTPS通信を効率的にサポートできるか？
• RQ2 ウェアラブルデバイスとスマートフォンとの間で、HTTPSのオーバーヘッド（データ、時間、エネルギー）はどのように比較されるか？
• RQ3 ウェアラブルデバイスにおけるHTTPSオーバーヘッドの主な要因は何か—TLSハンドシェイク、暗号化、接続管理のうちどれか？
• RQ4 並列TCP接続の数が、ウェアラブルデバイスにおけるHTTPSの相対的コストにどのように影響するか？
• RQ5 ウェブオブジェクトのサイズが、ウェアラブルデバイスにおけるHTTPSの相対的コストにどの程度影響を及ぼすか？

主な発見

• 直接WiFi経由のHTTPS通信により、スマートウォッチではBluetoothリレーファイルに起因する中間デバイス間データ転送オーバーヘッドの削除のおかげで、全体のエネルギー消費が約78%削減され、スマートフォンでは100%削減された。
• ウェアラブルデバイスにおけるHTTPSとHTTPのデータ転送時間比は、スマートフォンと同等であるため、ウェアラブルデバイスがHTTPSを効率的に処理するのに十分な計算およびネットワーキング能力を有していることが示された。
• TLSハンドシェイクフェーズがHTTPSオーバーヘッドの主な要因であり、特に小さなウェブオブジェクトでは、増加したデータ転送時間とエネルギー消費の大部分を占めている。
• 小さなオブジェクトでは、固定のTLSハンドシェイクオーバーヘッドのため、HTTPSの相対的コストが顕著に上昇するが、大きなオブジェクトでは相対的コストが約15%にまで低下する。
• 並列TCP接続数が増加するにつれて、HTTPS対HTTPのデータ量比が上昇し、4接続では約1.05、12接続では約1.4に達する。この差は、証明書のサイズやTLS設定の差に起因する。
• TLSアルゴリズムの選択は全体のパフォーマンスにほとんど影響しないが、キーエクスチェンジ段階が最も影響を及ぼすことが示され、セキュリティ強化型アルゴリズムを採用しても顕著なパフォーマンスコストが発生しないことが示唆された。