[论文解读] 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 7

一句话总结

本文通过真实测试、仿真和分析，评估了在三种协议（前导码采样、IEEE 802.15.4信标使能模式和TSCH）下的低功耗物联网网络中DTLS的性能。研究发现，由于无线射频的时隙唤醒机制，DTLS握手耗时达5至35秒以上，严重限制了并发会话数量（每节点3–5个），并使用Engset公式对会话阻塞概率进行建模，表明DTLS在高并发受限环境中并不适用。

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.

研究动机与目标

• 评估在射频时隙唤醒导致握手延迟增加的受限、时隙唤醒物联网网络中DTLS的性能。
• 测量在三种代表性时隙唤醒协议（前导码采样、信标使能的802.15.4、TSCH）下DTLS握手的实际持续时间与能耗。
• 量化受限内存对受限节点可维持的并发DTLS会话数量的影响。
• 使用排队论建模由于会话槽位耗尽导致的DTLS会话建立失败的概率。
• 评估DTLS在需要频繁或并发安全会话的物联网应用中的可行性。

提出的方法

• 使用包含WiSMote节点和ContikiOS的测试平台进行真实世界实验，测量不同唤醒方案下的DTLS握手持续时间。
• 对网络条件进行仿真，以重现并验证不同信标间隔和跳数下的握手时序。
• 使用时隙帧和时隙分配参数，对TSCH网络中的握手延迟进行分析建模。
• 应用Engset损失公式，对所有会话槽位均被占用时DTLS会话请求的阻塞概率进行建模。
• 系统性测量在16 kB RAM节点上，完整网络协议栈和tinyDTLS环境下内存使用情况与会话槽位限制。
• 在DTLS中使用无状态Cookie交换机制以防止拒绝服务攻击，同时分析其对握手时序和资源分配的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用前导码采样、信标使能的802.15.4和TSCH的时隙唤醒网络中，DTLS握手需要多长时间？
• RQ2 在网络跳数增加时，DTLS握手在时隙唤醒环境下的持续时间如何变化？
• RQ3 在典型内存限制下，受限物联网节点最多能维持多少个并发DTLS会话？
• RQ4 当服务器会话槽位已满时，DTLS客户端请求被阻塞的概率是多少？
• RQ5 Engset损失公式能否准确建模受限物联网网络中DTLS的会话阻塞情况？

主要发现

• 在前导码采样网络中，DTLS握手可能超过50秒，具体取决于检查间隔。
• 在信标使能的802.15.4网络中，当信标间隔为4秒时，握手时延可达35秒。
• 在前导码采样和信标使能网络中，握手时延均随跳数线性增加。
• 在典型的TSCH网络中，每时隙帧有101个时隙，且仅分配一个专用时隙时，DTLS握手平均耗时5.5秒，若使用三个专用时隙则减少至2.6秒。
• 在仅有16 kB RAM的情况下，受限节点在运行完整ContikiOS和网络协议栈的同时，仅能支持3–5个并发DTLS会话。
• 当服务器仅有3个会话槽位，且有5个客户端（每个客户端的流量强度ρ=0.5）时，DTLS会话请求的阻塞概率约为17%，与Engset损失公式预测值一致。