A real time demonstrative analysis of lightweight payload encryption in resource constrained devices based on MQTT

Abstract

Kısıtlı cihazların kaynakları, yani bellek (ROM ve RAM), CPU ve pil ömrü (varsa) sınırlıdır. Genellikle, veri toplayan sensörler, makinadan makineye (M2M) veya servisleri ve elektrikli ev aletlerini kontrol eden akıllı cihazlar için puanlar. Bu tür aygıtlar bir ağa bağlandığında `nesnelerin Internet'i` nin (IoT) bir parçasını oluştururlar. Message Queue Telemetry Transport (yani MQTT), hafif, açık, basit, istemci-sunucu yayın/abone mesajlaşma taşıma protokolüdür. Güvenilir iletişim için üç Hizmet Kalitesi (QoS) seviyesini destekleyen çoğu kaynak kısıtlamalı IoT cihazı için kullanışlıdır ve verimlidir. Cihazdan Cihaza (D2D) ve nesnelerin Internet'i (IoT) bağlamları gibi kısıtlı ortamlarda iletişim için gerekli olan bir protokoldür. MQTT protokolü, güvenli soket katmanı (SSL) sertifikalarına dayalı taşıma katmanı güvenliği (TLS) dışında somut güvenlik mekanizmalarından yoksundur. Bununla birlikte, bu güvenlik protokollerinin en hafif değildir ve özellikle kısıtlı cihazlar için ağ yüklerini artırır. IoT cihazlarının yaklaşık %70'inde özellikle de istemci tarafında veri şifrelemesi yoktur ve TLS için mükemmel bir alternatif olabilir.Bu tezde, farklı Hizmet Kalitesi (QoS) ve veri yüklerin değişken boyutu için kısıtlı bir cihaz üzerinde MQTT protokolünün ağ performansı üzerindeki etkisini göstermek için bir deney düzeneği tasarlanmıştır. Bu çalışmanın yeni kısmı, yüklerin istemci tarafında şifrelenmesini ve ağ performansı üzerindeki etkisini kapsıyor. Denemelerde, verilere 128-bits ileileri şifreleme standardı (AES) hafif bir şifreleme uygulanmıştır. Mesajlar, farklı yük boyutlarına dayanan bir komisyoncu sunucusu aracılığıyla gerçek kablolu alt uçtakı yayıncılık istemcisi ve düşük uçtakı abone istemcisi üzerinden MQTT'deki üç farklı QoS seviyesini kullanarak aktarılır. Paketler, şifreleme ve şifre çözme işlem süresinin ölçülmesiyle birlikte uçtan uca gecikme, verimlilik ve mesaj kaybı analiz etmek için yakalanır. Deney sonuçlarına göre, şifrelenmemiş (şifresiz metin) yükün daha düşük bir ağ yük etkisine sahip olduğu ve bu nedenle, yüzde kaybı ve mesaj tesliminde, şifreli yüke göre MQTT'yi kullanarak nispeten daha iyi bir ağ performansı ürettiği sonucuna varılmıştır.

Constrained devices are limited in resources namely, memory (ROM and RAM), CPU and battery life (if available). They are often used as sensors that collects data, machine to machine (M2M) or smart devices that control services and electrical appliances. When such devices are connected to a network they form what is called `things` and in a whole, they form part of the `Internet of Things` (IoT). Message Queue Telemetry Transport (MQTT) is a common light weight, open, simple, client-server publish/subscribe messaging transport protocol useful and efficient for most resource constrained IoT devices that supports three Quality of Service (QoS) levels for reliable communication. It is an essential protocol for communication in constrained environments such as Device to Device (D2D) and Internet of Things (IoT) contexts. MQTT protocol is devoid of concrete security mechanisms apart from Transport Layer Security (TLS) based on Secure Socket Layer (SSL) certificates. However, this is not the lightest of security protocols and increases network overheads especially for constrained devices. About 70 % of most ordinary IoT devices also lack data encryption especially at the client-end which could have been a perfect alternative for TLS.In this thesis, an experimental setup is designed to demonstrate the effect on network performance of MQTT protocol on a constrained device for different Quality of Service (QoS) and variable size of payloads. The novel part of this study covers client-side encryption of payloads and its effect over network performance. In the experiments, a lightweight encryption of 128-bits Advanced Encryption Standard (AES) is applied on the data. The messages are transferred using the three different QoS levels in MQTT over real wired low-end publish client and low-end subscriber client via a broker server based on different payload sizes. The packets are captured to analyze end-to-end latency, throughput and message loss along with the measurement of encryption and decryption processing time.According to the results of the experiment, it was concluded that, non-encrypted (plaintext) payload have a lower network load effect and hence produces a relatively better network performance using MQTT in terms of percentage loss and message delivery than the encrypted payload.