[论文解读] IoT Content Object Security with OSCORE and NDN: A First Experimental Comparison

Cenk Gündoğan, Christian Amsüss+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2020

Caching and Content Delivery参考文献 32被引用 11

一句话总结

本文评估了 OSCORE 和命名数据网络（NDN）作为在受限、多跳网络中替代 CoAP over DTLS 以实现物联网内容对象端到端安全性的方案。结果表明，OSCORE 在丢包率高、多跳的环境中可降低开销并提升性能；而 NDN 通过网络内缓存和逐跳重传机制提升了可靠性，在复杂拓扑中优于 CoAP/DTLS 和 OSCORE。

ABSTRACT

The emerging Internet of Things (IoT) challenges the end-to-end transport of the Internet by low power lossy links and gateways that perform protocol translations. Protocols such as CoAP or MQTT-SN are degraded by the overhead of DTLS sessions, which in common deployment protect content transfer only up to the gateway. To preserve content security end-to-end via gateways and proxies, the IETF recently developed Object Security for Constrained RESTful Environments (OSCORE), which extends CoAP with content object security features commonly known from Information Centric Networks (ICN). This paper presents a comparative analysis of protocol stacks that protect request-response transactions. We measure protocol performances of CoAP over DTLS, OSCORE, and the information-centric Named Data Networking (NDN) protocol on a large-scale IoT testbed in single- and multi-hop scenarios. Our findings indicate that (a) OSCORE improves on CoAP over DTLS in error-prone wireless regimes due to omitting the overhead of maintaining security sessions at endpoints, and (b) NDN attains superior robustness and reliability due to its intrinsic network caches and hop-wise retransmissions.

研究动机与目标

• 解决 DTLS 在受限、丢包率高的网络中保护物联网内容时存在的加密开销高和会话状态管理复杂等局限性。
• 评估 OSCORE 作为 CoAP 的内容对象级安全扩展，实现在无需传输层会话开销的前提下实现端到端安全。
• 在真实无线环境下，比较 CoAP over DTLS、OSCORE 和 NDN 在单跳和多跳场景下的性能表现。
• 评估协议栈设计对大规模物联网部署中延迟、可靠性和能效的影响。

提出的方法

• 在 RIOT 操作系统中实现 CoAP、CoAP over DTLS、OSCORE 和 NDN 协议，以确保评估的一致性。
• 在真实物联网测试平台上开展大规模网络实验，测试单跳和多跳拓扑结构下的无线干扰和丢包情况。
• 测量关键性能指标：端到端延迟、请求创建时间、重传行为和交付可靠性。
• 在多种网络条件下评估协议栈性能，包括多跳路径和跨链路流量。
• 使用开源工具和代码（GitHub 上可获取）以确保可复现性和透明度。
• 分析加密开销、会话恢复以及网络内缓存对协议性能的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在丢包率高、多跳的物联网网络中，OSCORE 与 CoAP over DTLS 相比，在端到端延迟和请求创建时间方面表现如何？
• RQ2 与 DTLS 保护的 CoAP 和 OSCORE 相比，NDN 在受限、多跳环境中在可靠性和鲁棒性方面提升了多少？
• RQ3 加密开销和会话状态管理对受限物联网设备的能效和性能有何影响？
• RQ4 NDN 中的网络内缓存和逐跳重传机制在易出错的无线环境中如何影响交付成功率和延迟？
• RQ5 在报文大小、延迟和重传效率方面，内容对象级安全（OSCORE）是否优于传输层安全（DTLS）？

主要发现

• OSCORE 通过消除 DTLS 记录层开销，在多跳场景中显著降低了端到端延迟和请求创建时间。
• OSCORE 的请求创建时间（重传时为 45 μs）低于 CoAP/DTLS（353 μs），因为受保护的消息已存在于重传缓冲区中。
• NDN 凭借逐跳重传和网络内缓存机制，在多跳、丢包率高的环境中表现出更优的可靠性，显著提升了交付成功率。
• NDN 的初始请求创建时间（810 μs）高于 CoAP 变种，但其增强的鲁棒性和更低的重传成本有效抵消了这一劣势。
• CoAP/DTLS 因重复处理 DTLS 导致重传开销过高，其延迟相比 OSCORE 增加了八倍。
• 本研究证实，内容对象级安全（OSCORE）和网络级缓存（NDN）在大规模受限物联网部署中，相比传输层安全，具备更好的可扩展性和鲁棒性。