[論文レビュー] Yarrp'ing the Internet: Randomized High-Speed Active Topology Discovery

Robert Beverly|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

Network Traffic and Congestion Control参考文献 23被引用数 7

ひとこと要約

Yarrp は、1秒間に10万パケットの速度で動作するステートレスでランダム化されたアクティブトポロジ発見システムであり、30分未満で40万件を超えるルータインターフェースをマッピングする。ICMPリプライから非同期に経路情報を再構成し、IP×TTLのプローブ空間をランダムに並び替えることで、IPv4インターネット全体のサブアワー単位でのマッピングを実現し、従来の遅いツールでは検出できなかった高速なトポロジカルダイナミクスを露呈する。

ABSTRACT

Obtaining a "snapshot" of the Internet topology remains an elusive task. Existing active topology discovery techniques and systems require significant probing time -- time during which the underlying network may experience transient dynamics. This work considers how active probing can gather the Internet topology in minutes rather than days. Conventional approaches to active topology mapping face two primary speed and scale impediments: i) per-trace state maintenance; and ii) a low-degree of parallelism. Based on this observation, we develop Yarrp (Yelling at Random Routers Progressively), a new traceroute technique designed for high-rate, Internet-scale probing. Yarrp is stateless, reconstituting all necessary information from ICMP replies as they arrive asynchronously. To avoid overloading routers or links with probe traffic, Yarrp randomly permutes an input IP x TTL space. We run Yarrp at 100Kpps, a rate at which the paths to all /24's on the IPv4 Internet can be mapped in approximately one hour from a single vantage point. We compare Yarrp against existing systems, and present examples of topological dynamics exposed via the high sampling rates Yarrp enables.

研究の動機と目的

• 従来の traceroute に依存するトポロジマッピング手法が、日単位の所要時間とプローブ毎の状態維持を必要とするというスケーラビリティと速度の制限を克服すること。
• 状態維持を排除することで、多数の経路にわたる大規模並列処理を可能にし、高速で大規模なアクティブトポロジ発見を実現すること。
• 高頻度でのスナップショットを可能にすることで、一時的なネットワークダイナミクスを特定すること。
• 将来の縦断的調査を支援できる、公開可能でスケーラブルなリアルタイムインターネットトポロジ測定ツールの開発。
• 最小限の調整で複数の観測ポイントから協調的プロービングを実現する可能性の調査。

提案手法

• Yarrp はステートレス設計を採用し、ICMP 'Time Exceeded' リプライが到着するのを非同期に待機して経路情報を再構成することで、プローブ毎の状態追跡を完全に排除する。
• プローブの負荷分散を図り、特定のルーターやリンクに過重をかけないよう、IPアドレスとTTL値の入力空間をランダムに並び替える。
• 1秒間に10万パケットの速度でプローブを送信し、応答を照合できるように、ソースポートに一意の識別子を埋め込むTCP SYNパケットを使用する。
• ICMPリプライを元のプローブに照合するために、トランスポートヘッダーの先頭8バイト（ソースポートとシーケンス番号）を活用し、状態を維持せずに応答の関連付けを保証する。
• 各観測ポイントが、モジュロハッシュ（例：IP % n == i）を用いて並び替えられたIP×TTL空間のユニークなサブセットをプローブすることで、分散展開を可能にする。
• 今後の拡張として、ICMPおよびUDPプローブのサポート、および偽装応答を防ぐ暗号的整合性チェックの実装を設計に組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ステートレスでランダム化されたプロービング手法を用いることで、従来の日単位のアクティブインターネットトポロジマッピングを、分単位まで高速化できるか？
• RQ2 高速プロービングは、従来の遅いシステムでは観測できない一時的なパスダイナミクスをどの程度露呈できるか？
• RQ3 Yarrp の性能と正確性は、CAIDA の Ark や Scamper といった既存のシステムと比較して、速度とリcallの観点でどの程度か？
• RQ4 最小限の調整で、複数の観測ポイントにわたる Yarrp プロービングの分散展開は可能か？
• RQ5 ステートレスプロービングは、複数のトランスポートプロトコルをサポートするように拡張可能か？また、偽装応答に対する耐性をどのように向上できるか？

主な発見

• Yarrp は、1つの観測ポイントから出発して、30分未満で40万件を超える一意のルータインターフェースをマッピングし、1秒間に10万パケットのプローブレートを達成した。
• CAIDA の Ark プラットフォームと比較して10倍の高速化を達成し、同程度のインターフェース数をマッピングするには30時間以上を要する。
• 迅速かつ繰り返し可能なスナップショットを可能にすることで、負荷分散の変化や一時的なルーティング変更といったパスダイナミクスが、数秒の間隔で露呈された。
• 本研究では、パスの変更が頻繁に発生し、多くの場合短期間で消失することを示した。これは、長期的なトポロジモデルでパスの安定性を仮定する考え方に疑問を呈する。
• 128の観測ポイントにわたる Yarrp の分散展開により、IPv4 /24プレフィックス全体を約1時間でマッピング可能であり、線形のスループット向上と最小限の調整で実現可能だった。
• ステートレスでランダム化された設計により、高いスケーラビリティとネットワークダイナミクスへのレジリエンスを実現し、縦断的およびリアルタイムのトポロジ解析に適している。