[논문 리뷰] DTLS Performance in Duty-Cycled Networks

Mališa Vučinić, Bernard Tourancheau외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 21.

Energy Efficient Wireless Sensor Networks참고 문헌 9인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 실세계 테스트, 시뮬레이션, 분석을 통해 산타형 IoT 네트워크에서 DTLS 성능을 평가한다. 세 가지 프로토콜인 프리앰블 샘플링, IEEE 802.15.4 비콘 활성 모드, TSCH를 대상으로 한다. DTLS 핸드셰이크는 라디오 도울드 사이클링으로 인해 5초에서 35초 이상 소요되며, 이는 동시 세션 수를 심각하게 제한한다(노드당 3~5개). Engset 공식을 사용해 세션 차단 확률을 모델링하며, DTLS가 고병렬성 제한된 환경에 적합하지 않음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 라디오 도울드 사이클링으로 인해 핸드셰이크 지연이 증가하는 제한된 도울드 사이클링 IoT 네트워크에서 DTLS 성능을 평가하기 위해.
• 프리앰블 샘플링, 비콘 활성 802.15.4, TSCH와 같은 세 가지 대표적인 도울드 사이클링 프로토콜에서 DTLS 핸드셰이크의 실제 지속 시간과 에너지 소비를 측정하기 위해.
• 제한된 메모리가 제한된 노드가 유지할 수 있는 동시 DTLS 세션 수에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 큐잉 이론을 사용해 모든 세션 슬롯이 차서 DTLS 세션 설정 실패가 발생할 확률을 모델링하기 위해.
• 자주 또는 동시에 보안 세션을 필요로 하는 IoT 응용 프로그램에서 DTLS의 실현 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• WiSMote 노드와 ContikiOS를 사용한 테스트베드를 활용한 실세계 실험을 통해 도울드 사이클링 방식에 따라 DTLS 핸드셰이크 지속 시간을 측정한다.
• 다양한 비콘 간격과 홉 수에서 핸드셰이크 타이밍을 재현하고 검증하기 위해 네트워크 조건을 시뮬레이션한다.
• 슬롯프레임 및 셀 할당 파라미터를 사용해 TSCH 네트워크에서 핸드셰이크 지연을 분석 모델링한다.
• 모든 세션 슬롯이 차서 DTLS 세션 요청이 차단될 경우를 모델링하기 위해 Engset 손실 공식을 적용한다.
• 완전한 네트워킹 스택과 tinyDTLS를 탑재한 16 kB RAM 노드에서 메모리 사용량과 세션 슬롯 제한을 체계적으로 측정한다.
• DoS 공격을 방지하기 위해 상태 없는 쿠키 교환을 DTLS에 적용하면서, 이로 인한 핸드셰이크 타이밍과 자원 할당에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프리앰블 샘플링, 비콘 활성 802.15.4, TSCH를 사용한 도울드 사이클링 네트워크에서 DTLS 핸드셰이크는 얼마나 걸리는가?
• RQ2 네트워크 홉 수가 도울드 사이클링 환경에서 DTLS 핸드셰이크 지속 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 일반적인 메모리 제한을 고려할 때 제한된 IoT 노드가 유지할 수 있는 동시 DTLS 세션의 최대 수는 얼마인가?
• RQ4 서버의 세션 슬롯이 모두 찬 상태일 경우, DTLS 클라이언트 요청이 차단될 확률은 얼마인가?
• RQ5 Engset 손실 공식은 제한된 IoT 네트워크에서 DTLS 세션 차단을 정확하게 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 프리앰블 샘플링 네트워크에서 DTLS 핸드셰이크는 체크 간격에 따라 50초 이상 소요될 수 있다.
• 비콘 활성 802.15.4 네트워크에서는 4초 간격의 비콘을 사용할 경우 핸드셰이크 지속 시간이 최대 35초에 이른다.
• 프리앰블 샘플링 및 비콘 활성 네트워크에서 핸드셰이크 지속 시간은 홉 수에 비례하여 선형적으로 증가한다.
• 슬롯프레임에 101개의 타임슬롯이 있고, 전용 셀이 하나인 일반적인 TSCH 네트워크에서는 DTLS 핸드셰이크 평균 지속 시간이 5.5초이며, 전용 셀이 3개일 경우 2.6초로 감소한다.
• 16 kB RAM만으로는 ContikiOS와 네트워킹 스택을 함께 구동할 경우 동시 DTLS 세션 수가 3~5개로 제한된다.
• 세션 슬롯이 3개이고 클라이언트가 5명(각각의 트래픽 강도 ρ=0.5)일 경우, 서버에서 DTLS 세션 요청의 차단 확률은 약 17%이며, 이는 Engset 손실 공식의 예측과 일치한다.