[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究通过来自两个全球观测点（CAIDA，美国/巴西；MAWI，日本）的被动测量，分析了演进中的互联网协议以及COVID-19大流行对流量构成的影响。研究揭示了显著的流量份额变化，包括MAWI数据中3:1的HTTPS与HTTP比例、IPv6采用率上升（2020年达到12.2%的峰值），以及远程办公流量（如OpenVPN、rsync、Webex）的增加，且不同地理区域和网络类型间协议趋势存在显著差异。

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.

研究动机与目标

• 了解IPv6、HTTPS和QUIC等演进协议如何随时间重塑互联网流量构成。
• 研究COVID-19大流行对应用层流量模式和协议使用情况的短期影响。
• 比较不同观测点（CAIDA位于美国/巴西，MAWI位于日本）的流量构成，以评估地理和网络层面的差异性。
• 量化关键协议和应用的流量份额变化，特别是与远程办公和安全通信相关的部分。
• 强调在互联网测量研究中选择观测点的重要性，因为趋势在不同位置和网络类型间存在显著差异。

提出的方法

• 在域间链路进行被动流量监控：CAIDA（纽约–圣保罗）和MAWI（日本），分别捕获4 TB和100 GB的数据。
• 基于每种协议、端口和地址族（IPv4与IPv6）的字节份额进行流量分析，重点关注应用层协议和传输层行为。
• 对2018年3月至2020年12月期间的流量构成进行纵向比较，涵盖大流行前和大流行期间。
• 使用匿名化及部分非匿名化的AS级数据（来自MAWI）分析大流行期间源和目的自治系统（AS）。
• 基于端口号和TLS/SSL签名进行协议分类，但因缺乏应用层可见性，对HTTP/2、DoH或DoT等新协议的检测存在局限。
• 对流量份额随时间的变化进行统计聚合与可视化，并在CAIDA和MAWI数据集之间进行交叉比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 COVID-19大流行如何影响应用层和协议层面的互联网流量构成？
• RQ2 在大流行期间，特别是针对与远程办公相关的服务，流量的源和目的自治系统（AS）是否发生了显著变化？
• RQ3 当前IPv6流量的占比是多少？在不同观测点，其随时间的演变趋势如何？
• RQ4 HTTPS在互联网流量中取代HTTP的程度如何？该比例在不同网络位置间是否存在差异？
• RQ5 与传统的TCP相比，QUIC和MPTCP等新型传输协议在流量份额和采用趋势方面表现如何？

主要发现

• 在MAWI数据集中，HTTPS与HTTP的比例达到3:1，表明加密Web流量显著增加，尤其是在大流行期间。
• 在CAIDA链路上，IPv6流量份额从2018年3月的1.1%上升至12月的6.1%，而MAWI链路上则稳定在约9%。
• 大流行期间，远程办公应用（如OpenVPN和rsync）的流量显著增加，Webex ASe的流量量也出现明显激增。
• 尽管IPv4的应用混合模式相似，但MAWI链路上的IPv6流量却表现出相较于HTTPS更多地向HTTP倾斜，与IPv4侧表现不同。
• 在CAIDA链路上，QUIC占传输层流量的7%，表明尽管该协议相对较新，但其采用率正在上升。
• CAIDA数据集在IPv4流量中显示的HTTPS与HTTP比例为2:1，高于MAWI的3:1，凸显了协议采用在区域和网络层面的差异。