[論文レビュー] NxWLAN: Neighborhood eXtensible WLAN

Piotr Gawłowicz, Sven Zehl+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2016

Wireless Networks and Protocols参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

NxWLANは、隣接するAPを仮想無線終端ポイント（WTP）として活用することで、安全でゼロコンフィギュレーションの住宅用WLAN拡張を実現する。暗号化された802.11フレームを家庭用AP上の仮想AP（VAP）にトンネル化することで、クライアントは既存のWPA2-PSKパスフレーズを使って認証可能となり、鍵の露呈を回避する。これにより、混雑した住宅環境におけるカバレッジ向上と負荷分散が実現され、実機のCOTSハードウェアを用いたP4ベースのプロトタイプにより検証済み。

ABSTRACT

The increased usage of IEEE 802.11 Wireless LAN (WLAN) in residential environments by unexperienced users leads to dense, unplanned and chaotic residential WLAN deployments. Often WLAN Access Points (APs) are deployed unprofitable in terms of radio coverage and interference conditions. In many cases the usage of the neighbor's AP would be beneficial as it would provide better radio coverage in some parts of the residential user's apartment. Moreover, the network performance can be dramatically improved by balancing the network load over spatially co-located APs. We address this problem by presenting Neighborhood extensible WLAN (NxWLAN) which enables the secure extension of user's home WLANs through usage of neighboring APs in residential environments with zero configuration efforts and without revealing WPA2 encryption keys to untrusted neighbor APs. NxWLAN makes use of virtualization techniques utilizing neighboring AP by deploying on-demand a Wireless Termination Point (WTP) on the neighboring AP and by tunneling encrypted 802.11 traffic to the Virtual Access Point (VAP) residing on the home AP. This allows the client devices to always authenticate against the home AP using the WPA2-PSK passphrase already stored in the device without any additional registration process. We implemented NxWLAN prototypically using off-the-shelf hardware and open source software. As the OpenFlow is not suited for forwarding native 802.11 frames, we built software switch using P4 language. The performance evaluation in a small 802.11 indoor testbed showed the feasibility of our approach. NxWLAN is provided to the community as open source.

研究の動機と目的

• カバレッジが悪く、干渉がひどい、計画のない住宅用WLAN展開の問題に対処すること。
• 信頼できない隣接APにWPA2-PSK鍵を暴露することなく、隣接APを安全かつ透明に利用可能にすること。
• クライアントデバイスが再設定や追加ソフトウェアなしに、既存のWPA2-PSKパスフレーズを使って認証できるようにすること。
• 隣接AP上に仮想化されたオンデマンドWTPを展開することで、家庭用WLANの空間的カバレッジと負荷分散を向上させること。
• 市販ハードウェアとオープンソースソフトウェアを用いて実用的でオープンソースのプロトタイプを実装・評価すること。

提案手法

• NxWLANは仮想化を活用し、隣接AP上に無線終端ポイント（WTP）をデプロイし、暗号化された802.11フレームをユーザーの家庭AP上にホストされた仮想アクセスポイント（VAP）にトンネル化する。
• クライアントデバイスは、既存のWPA2-PSKパスフレーズを使って家庭APと直接認証を行うため、ゼロコンフィギュレーションが可能で、隣接者に鍵が露呈しない。
• MACアドレスに基づいてネイティブ802.11フレームを転送するカスタムP4ベースのソフトウェアスイッチを採用し、802.11フレーム処理におけるOpenFlowの制限を回避する。
• 安全なAP間通信を実現するため、ResFiフレームワークを用い、隣接AP間での発見と構成交換を可能にする。
• プローブ応答フレームの送信電力を動的に調整することで、クライアントを最適なAPに誘導し、スループットを向上させる。
• VAPはレート制御、ビーコン生成、制御フレーム処理を担当するが、WTPはステートレスであり、暗号化されたデータフレームのみを転送する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できない隣接APにWPA2-PSK鍵を暴露することなく、安全かつ透明に隣接APを活用して住宅用家庭WLANのカバレッジを拡張できるか？
• RQ2 仮想化と安全なトンネリングを活用したゼロコンフィギュレーション・クライアント透過のソリューションを構築でき、空間的カバレッジと負荷分散を向上させられるか？
• RQ3 P4を用いたソフトウェア定義的アプローチでネイティブ802.11フレームを転送でき、OpenFlowの802.11フレーム処理における制限を回避できるか？
• RQ4 プローブ応答フレームの送信電力制御を動的に制御することで、クライアントを最良の利用可能なAPに効果的に誘導でき、スループットを向上させられるか？
• RQ5 市販ハードウェアとオープンソースソフトウェアを用いて、実際の住宅環境テストベッドでそのようなシステムを実装・評価できるか？

主な発見

• NxWLANは、信頼できない隣接APにWPA2-PSK鍵を暴露することなく、安全に隣接APを活用することで、家庭用WLANのカバレッジを拡張することに成功した。
• プロトタイプは、COTSハードウェアとResFiやP4といったオープンソースコンponentsを用いた実際の802.11インDoorテストベッドで実現可能性を示した。
• プローブ応答フレームの送信電力の動的調整が、クライアントを最適なAPに効果的に誘導し、達成可能なクライアントスループットを向上させた。
• P4ベースのスイッチはMACアドレスに基づいてネイティブ802.11フレームを正常に転送し、OpenFlowの802.11フレーム処理における制限を克服した。
• クライアント認証は既存のWPA2-PSK資格情報を用いてシームレスに実現され、デバイス側の設定変更やソフトウェアインストールが不要だった。
• 実装はオープンソースとして公開され、コミュニティによる採用や今後の移動性および電力効率化のサポートなど、さらなる拡張が可能となった。