[论文解读] 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 4

一句话总结

本文通过受控环境和真实网络服务器实验，评估了可穿戴设备直接进行HTTPS通信的可行性。研究发现，可穿戴设备能够高效支持HTTPS，其性能与智能手机相当，通过消除蓝牙中继，实现高达78%的能耗节省和40%的传输速度提升，主要归因于减少了TLS握手开销，并通过直接WiFi连接提高了数据传输效率。

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.

研究动机与目标

• 评估可穿戴设备是否能够无需依赖智能手机作为中继，高效支持直接的互联网HTTPS通信。
• 在受控环境和真实网络条件下，测量HTTPS与HTTP在可穿戴设备上的性能和能耗成本。
• 识别HTTPS开销的主要来源，特别是TLS握手和并行连接，并评估其对资源受限设备的影响。
• 从数据量、耗时和能耗角度，比较可穿戴设备与智能手机之间HTTPS的相对成本。
• 为开发者提供可操作的建议，以优化可穿戴平台上的安全通信。

提出的方法

• 在本地Web服务器上开展受控实验，测量智能手表和智能眼镜在不同数据大小和连接数量下，HTTPS与HTTP的开销。
• 在六家Alexa排名靠前的网站上开展真实网络环境下的网页浏览实验，评估在真实网络条件下的性能表现。
• 测量三项关键指标：下载数据量、数据传输时间及能耗，涵盖不同设备和协议。
• 单独分析TLS握手阶段，以隔离其对整体HTTPS开销的贡献。
• 使用线性回归模型，将能耗消耗比建模为不同连接数量下数据传输时间比的函数。
• 评估不同TLS算法和密码套件对性能和开销的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 可穿戴设备能否通过WiFi直接支持HTTPS通信，而无需依赖智能手机？
• RQ2 可穿戴设备与智能手机在HTTPS的开销（数据、时间、能耗）方面有何差异？
• RQ3 可穿戴设备上HTTPS开销的主要来源是什么——TLS握手、加密还是连接管理？
• RQ4 并行TCP连接数量如何影响可穿戴设备上HTTPS的相对成本？
• RQ5 网页对象的大小在多大程度上影响可穿戴设备上HTTPS的相对成本？

主要发现

• 通过WiFi直接进行HTTPS通信，与蓝牙中继相比，可穿戴设备的整体能耗降低约78%，智能手机则降低100%，主要归因于消除了设备间数据传输的开销。
• 可穿戴设备上HTTPS与HTTP的数据传输时间比与智能手机相近，表明可穿戴设备具备足够的计算和网络能力，可高效处理HTTPS。
• TLS握手阶段是HTTPS开销的主要来源，占了大部分增加的数据传输时间和能耗，尤其在小网页对象上更为显著。
• 对于小对象，由于固定TLS握手开销的存在，HTTPS的相对成本显著上升；而对于大对象，相对成本下降至约15%。
• 并行TCP连接数量与HTTPS与HTTP的数据量比直接相关，从约1.05（4个连接）上升至约1.4（12个连接），偏差主要源于证书大小和TLS配置差异。
• TLS算法的选择对整体性能影响有限，密钥交换阶段影响最大，表明可安全使用安全性更高的算法，而不会带来显著性能损失。