[論文レビュー] Impact of Evolving Protocols and COVID-19 on Internet Traffic Shares

Luca Schumann, Trinh Viet Doan+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、CAIDA（米国/ブラジル）およびMAWI（日本）の2か所の世界的な観測ポイントから得られた受動的測定データを用いて、進化するインターネットプロトコルとCOVID-19パンデミックがトラフィック構成に与えた影響を分析する。トラフィックシェアの顕著な変化が明らかになった。例えば、MAWIデータではHTTPS対HTTPの比率が3:1に達し、IPv6の採用率が2020年に12.2%のピークに達した。また、リモートワーク関連トラフィック（例：OpenVPN、rsync、Webex）が増加した。地理的およびネットワークタイプごとのプロトコルトレンドに顕著な差が見られた。

ABSTRACT

The rapid deployment of new Internet protocols over the last few years and the COVID-19 pandemic more recently (2020) has resulted in a change in the Internet traffic composition. Consequently, an updated microscopic view of traffic shares is needed to understand how the Internet is evolving to capture both such shorter- and longer-term events. Toward this end, we observe traffic composition at a research network in Japan and a Tier-1 ISP in the USA. We analyze the traffic traces passively captured at two inter-domain links: MAWI (Japan) and CAIDA (New York-Sao Paulo), which cover 100GB of data for MAWI traces and 4TB of data for CAIDA traces in total. We begin by studying the impact of COVID-19 on the MAWI link: We find a substantial increase in the traffic volume of OpenVPN and rsync, as well as increases in traffic volume from cloud storage and video conferencing services, which shows that clients shift to remote work during the pandemic. For traffic traces between March 2018 to December 2018, we find that the use of IPv6 is increasing quickly on the CAIDA monitor: The IPv6 traffic volume increases from 1.1% in March 2018 to 6.1% in December 2018, while the IPv6 traffic share remains stable in the MAWI dataset at around 9% of the traffic volume. Among other protocols at the application layer, 60%-70% of IPv4 traffic on the CAIDA link is HTTP(S) traffic, out of which two-thirds are encrypted; for the MAWI link, more than 90% of the traffic is Web, of which nearly 75% is encrypted. Compared to previous studies, this depicts a larger increase in encrypted Web traffic of up to a 3-to-1 ratio of HTTPS to HTTP. As such, our observations in this study further reconfirm that traffic shares change with time and can vary greatly depending on the vantage point studied despite the use of the same generalized methodology and analyses, which can also be applied to other traffic monitoring datasets.

研究の動機と目的

• IPv6、HTTPS、QUICといった進化するプロトコルが、時間経過とともにインターネットトラフィック構成にどのように変化をもたらしたかを理解すること。
• COVID-19パンデミックの短期的影響がアプリケーション層トラフィックパターンおよびプロトコル使用に与えた影響を調査すること。
• CAIDA（米国/ブラジル）とMAWI（日本）の異なる観測ポイント間でのトラフィック構成を比較し、地理的およびネットワークレベルのばらつきを評価すること。
• 特にリモートワークやセキュア通信関連のプロトコルおよびアプリケーションのトラフィックシェアの変化を定量的に評価すること。
• 観測ポイントの選定がインターネット測定研究において重要な理由を強調すること。なぜなら、トレンドは場所やネットワークタイプによって顕著に異なるからである。

提案手法

• 相互接続リンクでの受動的トラフィックモニタリング：CAIDA（ニューヨーク–サントアントニオ）およびMAWI（日本）、それぞれ4TBおよび100GBのデータを収集。
• プロトコル、ポート、アドレスファミリー（IPv4対IPv6）ごとのバイトシェアに基づくトラフィック分析。特にアプリケーション層プロトコルとトランスポート層の挙動に注目。
• 2018年3月から2020年12月までの縦断的比較。パンデミック前およびパンデミック中の期間を含む。
• パンデミック期における送信元および受信先の自律システム（AS）を分析するため、匿名化された、一部非匿名化されたASレベルデータ（MAWIから提供）を活用。
• ポート番号およびTLS/SSLシグネチャに基づくプロトコル分類。ただし、アプリケーション層の可視性が不足しているため、HTTP/2、DoH、DoTといった新しいプロトコルの検出には限界がある。
• 時間経過に伴うトラフィックシェアの統計的集計と可視化。CAIDAおよびMAWIデータセット間の相互比較を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COVID-19パンデミックは、アプリケーション層およびプロトコルレベルでのインターネットトラフィック構成にどのように影響したか？
• RQ2 特にリモートワーク関連サービスを対象に、パンデミック期におけるトラフィックの送信元および受信先の自律システム（AS）に顕著な変化があったか？
• RQ3 現在のIPv6トラフィックシェアはどの程度で、異なる観測ポイントでの時間経過に伴う変化はいかがだったか？
• RQ4 HTTPSがインターネットトラフィックにおいてHTTPにどの程度置き換わったか。また、この比率は異なるネットワーク場所でどのように変動したか？
• RQ5 QUICやMPTCPといった新しいトランスポートプロトコルは、従来のTCPと比較して、トラフィックシェアおよび採用トレンドの面でどの程度の差を見せたか？

主な発見

• MAWIデータセットではHTTPS対HTTP比が3:1に達し、特にパンデミック期に暗号化Webトラフィックへのシフトが顕著に確認された。
• CAIDAリンクでは2018年3月から2018年12月にかけてIPv6トラフィックシェアが1.1%から6.1%に上昇したが、MAWIリンクでは約9%で安定したままだった。
• パンデミック期には、リモートワーク関連アプリケーション（OpenVPN、rsync）のトラフィックが顕著に増加し、Webex ASeのトラフィック量にも顕著な増加が見られた。
• IPv4では類似したアプリケーションミックスを示したが、MAWIリンクのIPv6トラフィックではHTTPSよりもHTTPの割合が高くなる傾向が見られ、IPv4とは対照的だった。
• CAIDAリンクではQUICがトランスポート層トラフィックの7%を占めており、比較的新しいプロトコルであるにもかかわらず採用が進んでいることが示された。
• CAIDAデータセットではIPv4トラフィックにおけるHTTPS対HTTP比が2:1であったのに対し、MAWIでは3:1であった。これは、プロトコル採用に地域的およびネットワーク固有の差が存在することを示している。