[论文解读] Tracking the Big NAT across Europe and the U.S

Anna Maria Mandalari, Andra Lutu+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2017

Green IT and Sustainability参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文提出 NAT Revelio，一种主动测量工具，通过从家庭网络内部探测上游 NAT 配置，检测固定宽带网络中运营商级 NAT（CGN）的部署情况。在欧洲和美国的 64 家 ISP 中，利用 5,121 个探测点进行研究，确认 10% 的 ISP 存在 CGN 部署，且通过 ISP 代表在 IP 层进行验证，准确率达 100%，这是迄今规模最大的主动 IP 层 CGN 测量活动。

ABSTRACT

Carrier Grade NAT (CGN) mechanisms enable ISPs to share a single IPv4 address across multiple customers, thus offering an immediate solution to the IPv4 address scarcity problem. In this paper, we perform a large scale active measurement campaign to detect CGNs in fixed broadband networks using NAT Revelio, a tool we have developed and validated. Revelio enables us to actively determine from within residential networks the type of upstream network address translation, namely NAT at the home gateway (customer-grade NAT) or NAT in the ISP (Carrier Grade NAT). We demonstrate the generality of the methodology by deploying Revelio in the FCC Measuring Broadband America testbed operated by SamKnows and also in the RIPE Atlas testbed. We enhance Revelio to actively discover from within any home network the type of upstream NAT configuration (i.e., simple home NAT or Carrier Grade NAT). We ran an active large-scale measurement study of CGN usage from 5,121 measurement vantage points within over 60 different ISPs operating in Europe and the United States. We found that 10% of the ISPs we tested have some form of CGN deployment. We validate our results with four ISPs at the IP level and, reported to the ground truth we collected, we conclude that Revelio was 100% accurate in determining the upstream NAT configuration for all the corresponding lines. To the best of our knowledge, this represents the largest active measurement study of (confirmed) CGN deployments at the IP level in fixed broadband networks to date.

研究动机与目标

• 测量欧洲和美国固定宽带网络中运营商级 NAT（CGN）部署的普遍程度和部署模式。
• 开发并验证一种主动测量方法，能够从家庭网络内部区分客户级 NAT 和 ISP 级 CGN。
• 通过实现客户端、IP 层的 CGN 存在性验证，解决先前被动测量技术的局限性。
• 通过识别和解决各种家庭网络拓扑结构和接入技术中的边缘情况，提升 NAT Revelio 的准确性。
• 发布开源测试套件，供社区使用并支持未来的大规模部署。

提出的方法

• 在两个大规模测试平台（FCC Measuring Broadband America（FCC-MBA）和 RIPE Atlas）上部署 NAT Revelio，实现从 5,121 个探测点发起主动探测。
• 使用主动探测技术，通过分析数据包行为（包括多个测试序列中源端口和地址的变化），检测上游 NAT 类型。
• 增强原始 Revelio 方法，以处理非标准家庭网络拓扑结构和非典型配置，如双 GRAs 和复杂路由设置。
• 利用部分探测器中的 UPnP 支持，提高测试可靠性并减少结果不确定的情况。
• 通过 ISP 代表在 IP 层进行交叉验证，确认正向和负向推断的准确性。
• 将增强后的测试套件作为开源项目发布在 GitHub 上，供公众部署和扩展。

实验结果

研究问题

• RQ1 在欧洲和美国的固定宽带网络中，运营商级 NAT（CGN）的真实部署普遍程度如何？
• RQ2 与被动或间接方法相比，主动的、客户端层面的测量方法在 IP 层检测 CGN 的准确性如何？
• RQ3 家庭网络拓扑结构中的哪些关键边缘情况会干扰 CGN 检测？如何解决这些问题？
• RQ4 UPnP 支持的存在如何影响 CGN 检测的可靠性和成功率？
• RQ5 Revelio 方法在多大程度上可以推广并扩展到不同 ISP 和接入技术中？

主要发现

• 在测试的 64 家 ISP 中，10%（6 家）被发现存在某种形式的 CGN 部署，其中一家 ISP 在全部 76 个探测点上均显示大规模 CGN 使用。
• 通过 ISP 代表在 IP 层进行验证，4 个正向案例的 CGN 检测准确率达到 100%。
• 总体上，24% 的测试线路结果为不确定，其中未启用 UPnP 的 RIPE Atlas 探测器中该比例高达 36%，而启用 UPnP 的 FCC-MBA 探测器中仅为 12%。
• 增强后的 Revelio 测试套件成功识别并解决了 133 个与非标准网络拓扑结构和多重 GRAs 相关的先前混淆的边缘情况。
• FCC-MBA 与 RIPE Atlas 的联合部署，代表了迄今规模最大的主动 IP 层 CGN 部署测量活动。
• 开源发布增强版 NAT Revelio 套件，使未来在互联网范围内实现大规模、社区驱动的 CGN 部署监测成为可能。