On Inferring Autonomous System Relationships in the Internet 论文阅读笔记

On Inferring Autonomous System Relationships in the Internet 论文阅读笔记

#拓扑推断

AS 拓扑推断相关的研究（较早）可参考：AS Relationships

介绍

在过去对于互联网架构的研究中，除了（R. Govindan and A. Reddy, “An analysis of Internet inter-domain topology and route stability,” in /Proc. IEEE INFOCOM/, vol. 2, Apr. 1997, pp. 850–857.）这篇文章对于 AS 之间的层级关系有一定的研究，大部分的研究都把物理上的连接性等价于可达性，但由于 BGP 协议使得 AS 之间有着复杂的关系网，两个 AS 相连并不意味着他们可以互相到达。本文是第一个研究 AS 关系并对网络拓扑结构进行特征化描述的文章。

新的知识

文章提到：两个 AS 之间的商业合同所形成的关系可能是 P2C，P2P，S2S 的混合，两个 AS 可能会在不同的 BGP 会话之间设定不同的导出政策。

文章提出并验证的理论：

• 如果在 AS $u_0$ 的 BGP 路由表中包含一个对于目标前缀 $d$ 的 AS 路径 $(u_1,u_2,...,u_n)$，那么：

  1. AS $u_i$ 对于前缀 $d$ 的最佳路由是 $(u_{i+1},u_{i+2},...,u_n)$。
  2. AS $u_i$ 会把自己对于前缀 $d$ 的最佳路由导出给 $u_{i-1}$。

• Valley-Free：即路由表中的每一条 AS 路径都满足在流经 P2C 或者 P2P 路径后无法经过 C2P 以及 P2P 路径。满足的条件为：

  1. P2C 路径后面只能跟 P2C 路径以及 S2S 路径。
  2. P2P 路径后面只能跟 P2C 路径以及 S2S 路径。

• BGP 路由表中的 AS 路径满足如下模式：

  1. 一条“上山路径”
  2. 一条“下山路径”
  3. 一条“上山路径”后面紧跟着一条“下山路径”
  4. 一条“上山路径”后面紧跟着一条 P2P 路径
  5. 一条 P2P 路径后面跟着一条“下山路径”
  6. 一条“上山路径”后面紧跟着一条 P2P 路径再跟着一条“下山路径”

  其中上山路径的含义为：只包含 C2P 或者 S2S 的路径；下山路径的含义为：只包含 P2C 或者 S2S 的路径。
  根据上述两个上山下山路径的定义我们又能够给出两个更大的定义：
  - 最大上山路径：一条 AS 路径中最长的上山路径。
  - 最大下山路径：一条 AS 路径中最长的下山路径。
  那么根据最大上山路径以及最大下山路径的定义以及 BGP 路由表中 AS 路径所满足的模式我们可以将 AS 路径满足的模式分为两类：
  1. 最大上山路径后面跟着 P2P 路径，再跟着最大下山路径。
  2. 最大上山路径后面跟着最大下山路径。
  注意最大上山路径以及最大下山路径可以为空。

因此，根据上述模式，如何识别一条 AS 路径中连续的 AS pair 之间的关系的问题便转化为如何找出这条 AS 路径对应的最大上山路径 Provider 以及最大下山路径 Provider。

推导 AS 之间关系的三个启发式算法

1. 对于每条路由器中的 AS 路径，推导其中的 Provider-Customer 以及 Sibling 关系的算法（Basic 版本）：
   
   如上图所示，算法首先计算每一个 AS 的 degree（与该 AS 建立连接的 AS 数量），然后依据 degree 越大的 AS 更有可能成为 Top Provider 的启发式经验，选出每一条路径的Top Provider AS，并按照之前提及的两种模式来给出每一条路径中的每一对 AS Pair 对应的提供 transit 关系。并根据 S2S 以及 P2C 和 C2P 的性质推断 AS 之间的关系。

2. 对于每条路由器中的 AS 路径，推导其中的 Provider-Customer 以及 Sibling 关系的算法（Refined 版本）：
   
   由于在现实生活中可能存在 BGP 路由器误配置的情况，因此 BGP 路由表中的 AS 路径表项可能不一定满足上述的两种模式（不满足 Valley Free 特性），所以提出了一种容许少许误差存在的推断算法。

3. 对于每条路由器中的 AS 路径，推导其中的 Peering 路径的算法为：
   

该算法的主要思想是根据之前提及的两种模式，标记出每一条 AS 路径中不可能形成 Peering 关系的 AS Pair（其中也包括一个启发式经验，即 Top Provider 倾向于和更大 degree 的 AS 建立 Peering 关系）。然后再依据两个形成 Peering 关系的 AS 之间的 degree 不会相差太大这个启发式原则判断 Peering 关系（如果把 R 设为 $\infty$ 则忽略这个启发式原则，文章中最后设置的 R 值为 60）。

一些疑问

• 文章的一个假设（我怀有疑问）：
  由于一个 AS 传播 BGP announcement 时可以在 path 后面多次加上自己的 AS 号，防止后续的 AS 选择自己作为中转 AS。但是本文在处理所有的路由器表项时，会删去 path 中相邻且相同的 AS 号（只保留一个），虽然对于文章的推断并没有帮助，但是我觉得这在一定程度上是损失了部分信息的。

• 文章推断出来的 AS 关系图主要是通过 AT&T 的内部信息得到的，那么在没有公司的帮助下，该如何验证自己做出的推断方案的正确性呢？

• 正如文章所说，两个 AS 之间可能存在混合的商业关系，那么这种混合关系有没有可能推断出来呢？