[論文レビュー] DTLS Performance in Duty-Cycled Networks

Mališa Vučinić, Bernard Tourancheau+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2015

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 9被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、実世界のテスト、エミュレーション、解析を通じて、ドーティー・サイクルドIoTネットワークにおけるDTLSのパフォーマンスを評価している。3つのプロトコル（プリアンブル・サムプリング、IEEE 802.15.4ビーコン有効モード、TSCH）を対象としている。DTLSハンドシェイクは、無線のドーティー・サイクリングのため、5〜35秒以上かかることが判明し、同時に確立可能なセッション数（ノードあたり3〜5件）が著しく制限される。また、エンゲスト式を用いてセッションブロッキング確率をモデル化し、DTLSが高並列性を要する制限付き環境には不適切であることが示された。

ABSTRACT

The Datagram Transport Layer Security (DTLS) protocol is the IETF standard for securing the Internet of Things. The Constrained Application Protocol, ZigBee IP, and Lightweight Machine-to-Machine (LWM2M) mandate its use for securing application traffic. There has been much debate in both the standardization and research communities on the applicability of DTLS to constrained environments. The main concerns are the communication overhead and latency of the DTLS handshake, and the memory footprint of a DTLS implementation. This paper provides a thorough performance evaluation of DTLS in different duty-cycled networks through real-world experimentation, emulation and analysis. In particular, we measure the duration of the DTLS handshake when using three duty cycling link-layer protocols: preamble-sampling, the IEEE 802.15.4 beacon-enabled mode and the IEEE 802.15.4e Time Slotted Channel Hopping mode. The reported results demonstrate surprisingly poor performance of DTLS in radio duty-cycled networks. Because a DTLS client and a server exchange more than 10 signaling packets, the DTLS handshake takes between a handful of seconds and several tens of seconds, with similar results for different duty cycling protocols. Moreover, because of their limited memory, typical constrained nodes can only maintain 3-5 simultaneous DTLS sessions, which highlights the need for using DTLS parsimoniously.

研究の動機と目的

• 無線のドーティー・サイクリングによってハンドシェイク遅延が増加する制限付きでドーティー・サイクルドなIoTネットワークにおけるDTLSパフォーマンスを評価すること。
• プリアンブル・サムプリング、ビーコン有効802.15.4、TSCHの3つの代表的なドーティー・サイクリングプロトコルにおける、DTLSハンドシェイクの実際の継続時間とエネルギー消費量を測定すること。
• 制限付きノードが維持できる同時DTLSセッション数に及ぼすメモリ制限の影響を定量化すること。
• キューイング理論を用いて、すべてのセッションスロットが使用済みの場合のDTLSセッション確立失敗確率をモデル化すること。
• 頻繁または同時に多数のセキュアなセッションを要するIoTアプリケーションにおいて、DTLSの実用性を評価すること。

提案手法

• WiSMoteノードとContikiOSを用いた実世界のテストベッドを用いて、さまざまなドーティー・サイクリング方式下でのDTLSハンドシェイク継続時間を測定する。
• ビーコン間隔やホップ数の変動を再現し、ハンドシェイクタイミングの妥当性を検証するネットワーク条件のエミュレーション。
• スロットフレームおよびセル割り当てパrameterを用いて、TSCHネットワークにおけるハンドシェイク遅延を解析的にモデル化する。
• すべてのセッションスロットが使用済みの場合のDTLSセッションリクエストのブロッキング確率をモデル化するために、エンゲスト損失式を適用する。
• フルネットワーキングスタックとtinyDTLSを搭載した16 kB RAMノードにおけるメモリ使用量とセッションスロット制限の体系的測定。
• DoS攻撃を防止するためのステートレス・クッキー交換をDTLSで採用するが、そのハンドシェイクタイミングおよびリソース割り当てへの影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プリアンブル・サムプリング、ビーコン有効802.15.4、TSCHを用いたドーティー・サイクルドネットワークにおけるDTLSハンドシェイクは、どのくらいの時間かかるか？
• RQ2 ホップ数の増加は、ドーティー・サイクルド環境下でのDTLSハンドシェイク継続時間にどのように影響するか？
• RQ3 一般的なメモリ制限を考慮した場合、制限付きIoTノードが同時に維持できるDTLSセッションの最大数はどのくらいか？
• RQ4 サーバーのセッションスロットが満杯の場合、DTLSクライアントリクエストがブロッキングされる確率はどのくらいか？
• RQ5 エンゲスト損失式は、制限付きIoTネットワークにおけるDTLSセッションブロッキングを正確にモデル化できるか？

主な発見

• プリアンブル・サムプリングネットワークにおけるDTLSハンドシェイクは、チェック間隔に応じて50秒以上かかることがある。
• ビーコン有効802.15.4ネットワークでは、4秒間隔のビーコン条件下でハンドシェイク継続時間が最大35秒に達する。
• プリアンブル・サムプリングおよびビーコン有効ネットワークの両方において、ハンドシェイク継続時間はホップ数に比例して線形に増加する。
• 101回のタイムスロットを有するスロットフレームと1つの専用セルを備えた典型的なTSCHネットワークでは、DTLSハンドシェイクの平均継続時間は5.5秒であり、3つの専用セルを用いることで2.6秒に短縮される。
• 16 kB RAMの制限付きノードでは、フルContikiOSおよびネットワーキングスタックを搭載した状態で、同時に3〜5件のDTLSセッションしかサポートできない。
• 3つのセッションスロットと5台のクライアント（各クライアントのトラフィック強度ρ=0.5）を持つサーバーにおいて、DTLSセッションリクエストのブロッキング確率は約17％であり、エンゲスト損失式の予測と一致する。