Riassunto esteso per la tesi di laurea triennale fast-track di Marco Antonini sull'articolo The "Lockdown Effect: Implication of the COVID-19 Pandemic on Internet Traffic"

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Extended Summary of
The Lockdown Effect:
Implication of the COVID-19 Pandemic on Internet Traffic
Anja Feldmann, Oliver Gasser, Franziska Lichtblau, Enric Pujol, Ingmar Poese, Christoph Dietzel, Daniel
Wagner, Matthias Wichtlhuber, Juan Tapiador, Narseo Vallina-Rodriguez, Oliver Hohlfeld, and Georgios
Smaragdakis. 2020. The Lockdown Effect: Implications of the COVID-19 Pandemic on Internet Traffic. In
Proceedings of the ACM Internet Measurement Conference (IMC '20). Association for Computing Machinery,
New York, NY, USA, 1–18.
Candidato Tutor
Marco Antonini Prof. Alberto Bartoli
Anno accademico 2020/2021
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EXTENDED SUMMARY OF
THE LOCKDOWN EFFECT: IMPLICATION OF THE COVID-19 PANDEMIC ON INTERNET TRAFFIC

2. Perché analizzare il traffico internet durante la Pandemia di COVID-19?
La Pandemia di COVID-19 ha cambiato drasticamente le abitudini di milioni di utenti Internet in tutto il
mondo.
Con i lockdown imposti dai governi, gran parte della popolazione ha dovuto dipendere dalla propria
connettività Internet residenziale per il lavoro, l’istruzione, le attività sociali e l’intrattenimento.
Il profilo di un tipico utente residenziale (in termini di utilizzo della larghezza di banda e destinazioni del
traffico) è uno dei parametri più critici che gli operatori di rete utilizzano per la gestione delle stesse e per gli
investimenti.
Il fenomeno globale della pandemia ci ha permesso di osservare in pochi giorni dei cambiamenti sul
traffico che normalmente avvengono su scale temporali di mesi o anni.
Gli obbiettivi di questo lavoro sono:
- capire l’impatto della pandemia di COVID-19 su differenti Network
- analizzare il volume del traffico Internet da diversi punti di osservazione
- evidenziare come i cambiamenti nella domanda dell’utente ha influenzato le dinamiche del traffico
Punti di osservazione del traffico
Per l’analisi del traffico sono stati utilizzati diversi punti di osservazione:
- Flussi di traffico di rete di tre importanti Internet Exchange Point :
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IXP-CE, IXP dell’Europa centrale che ha più di 900 membri ed un traffico di picco di più di 8 Tbps
IXP-SE, IXP dell’Europa meridionale che ha più di 170 membri ed un traffico di picco di circa 500 Gbps
IXP-US, IXP degli Stati Uniti della costa dell’est che ha 250 membri ed un traffico di picco di 600 Gbps.
Per l’analisi di questi IXP si utilizzano i dati IPFIX .
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- Flussi di traffico di rete di un grande ISP-CE (Internet Service Provider dell’Europa centrale) che fornisce
il servizio a più di 15 milioni di abbonati per ottenere un punto di vista di traffico degli utenti residenziali
e delle piccole imprese.
Per l’analisi di questi ISP si utilizzano i dati NetFlow nei router di confine.
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- Flussi di traffico di una rete accademica EDU (Educational Network): Network di istruzione spagnola che
interconnette 16 università e istituti di ricerca di Madrid.
Per l’analisi di questa rete si utilizzano i dati NetFlow nei router di confine.
Infrastruttura fisica che permette a diversi ISP di interconnettersi fra di loro direttamente per scambiare traffico Internet.
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Protocollo creato dall’esigenza di avere una standard comune e universale di esportazione delle informazioni di traffico IP nei router.
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NetFlow è una funzionalità introdotta nei router Cisco che offre la possibilità di raccogliere il traffico di rete IP quando entra o esce
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da un’interfaccia.
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THE LOCKDOWN EFFECT: IMPLICATION OF THE COVID-19 PANDEMIC ON INTERNET TRAFFIC

3. Drastico cambiamento del traffico in corrispondenza dei primi lockdown
Questo è il grafico di come è cambiato il traffico Internet da inizio Gennaio a fine Giugno 2020, dove
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possiamo chiaramente osservare drastici cambiamenti nei dati raccolti dai diversi punti di osservazione.
In dettaglio, le richieste di traffico per la connettività a banda larga osservate nei punti IXP-CE, IXP-SE e
ISP-CE sono aumentate lentamente all’inizio dell’epidemia e poi più rapidamente di oltre il 20% dopo
l’inizio del primo lockdown. Notiamo lo stesso andamento del traffico presso IXP-US con ritardo rispetto ai
precedenti poiché il lockdown negli Stati Uniti è avvenuto settimane dopo.
E’ stata arricchita l’analisi del traffico, aggiungendo i dati NetFlow di un grande operatore mobile che opera
in Europa centrale con più di 40 milioni di utenti. E’ interessante notare che mentre il traffico Internet è in
aumento, per gli operatori di telefonia mobile non si osserva un significativo cambiamento; infatti da
Gennaio a inizio Aprile l’andamento della linea rossa oscilla con variazione massima di 0.5 intorno al valore
1, per poi mostrare un incremento fino al valore di 1.1 in corrispondenza di Giugno.
I volumi di traffico giornaliero medio settimanale sono stati normalizzati per il volume di traffico medio delle prime 10 settimane del
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2020 (pre-lockdown).
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THE LOCKDOWN EFFECT: IMPLICATION OF THE COVID-19 PANDEMIC ON INTERNET TRAFFIC

4. Significativo calo del volume di traffico per la rete EDU
In questa sezione si analizzano i cambiamenti del traffico indotti dalle misure di confinamento di una
grande rete di istruzione spagnola che interconnette 16 università e istituti di ricerca di Madrid.
Come risposta alla pandemia, il 9 marzo 2020 il governo ha annunciato la chiusura dell'intero sistema
educativo a partire dall'11 marzo. Di conseguenza, gli utenti di questa rete (ad esempio, studenti, docenti,
ricercatori, personale) sono stati costretti ad adattarsi e continuare le loro attività di insegnamento e ricerca
da casa.
Si studia l’impatto delle misure di confinamento sui volumi di traffico della rete EDU considerando e
confrontando tra di loro queste tre settimane:
- base : dal 27 Febbraio al 4 Marzo, una settimana prima dell’annuncio della chiusura del sistema di ricerca
e istruzione
- transition : dal 12 al 18 Marzo, la settimana in cui è avvenuta la chiusura del sistema di ricerca e
istruzione
- online-lecturing : dal 16 al 22 Aprile, la settimana in cui la didattica è passata completamente a un
modello DaD.
Il grafico sopra, mostra il volume di traffico totale normalizzato per le tre settimane considerate.
Si osserva un calo significativo del volume di traffico nei giorni lavorativi tra la settimana di riferimento
base e le altre due settimane con una diminuzione massima fino al 55% il Martedì e il Mercoledì.
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5. Cambiamenti di stile di vita implicano cambiamenti nel traffico
Internet
I cambiamenti nello stile di vita e nelle abitudini delle persone inducono nuovi modelli di traffico
causando aumenti del 15-20% in pochi giorni per ISP/IXP e una diminuzioni fino al 55% nella rete EDU.
Non c’è differenza tra giorni feriali e festivi
Per le operazioni delle reti è molto importante conoscere come i modelli di utilizzo di Internet cambiano, ad
esempio durante il giorno o in diversi giorni della settimana.
Si definiscono questi due modelli di traffico: il modello di giorno lavorativo se il traffico ha un picco nelle
ore serali e il modello di fine settimana se la sua attività principale ha un picco significativo dalle 9:00 am
alle 10:00 am circa.
Durante la pandemia, la maggior parte degli aumenti di traffico Internet è avvenuta durante le ore di punta
non tradizionali. Infatti, si nota dai seguenti grafici , basati sui due punti di osservazioni ISP/IXP-CE, che
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dall’inizio del lockdown l’andamento del traffico Internet rispecchia il modello di fine settimana negli
effettivi giorni lavorativi piuttosto che l’usuale modello di giorno lavorativo.
Tali osservazioni sono dedotte dall’analisi dei suddetti grafici che mostrano il traffico normalizzato per i
giorni classificati come modello di fine settimana in alto e come modello di giorno lavorativo in basso, e se la
classificazione è in linea con il giorno effettivo (lavorativo o weekend) le barre sono colorate in blu,
altrimenti in arancione.
In sintesi, fino a metà Marzo, per la maggior parte dei giorni c’è una corrispondenza fra giorno effettivo e
modello di giorno utilizzato nell’ambito dell’andamento del traffico Internet.
Questa corrispondenza cambia drasticamente una volta che le misure di confinamento sono state adottate:
quasi tutti i giorni sono classificati come giorni feriali.
Vengono utilizzati i dati etichettati dalla fine del 2019 con un livello di aggregazione di 6 ore, poi si applica questa classificazione a
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tutti i giorni disponibili nel 2020.
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ISP-CE IXP-CE
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6. L’utilizzo delle porte aumenta
Analizzando i livelli di trasporto si notano significativi cambiamenti nel profilo del traffico per alcune porte
popolari nei punti di osservazione ISP/IXP-CE.
Questo evidenzia l’impatto dei profondi cambiamenti del comportamento delle persone sulla distribuzione
del traffico durante le settimane di lockdown: c’è un aumento del traffico legato al lavoro e
all’intrattenimento.
- QUIC porta UDP/443 : utilizzata principalmente per lo streaming ad esempio da Google e Akamai.
Confrontando i volumi di traffico di Marzo con quelli di Febbraio si osserva che il traffico QUIC aumenta
del 30%-80% nell’ ISP-CE e 50% nell’IXP-CE
- NAT trasversal /IPsec / OpenVPN porte UDP/4500 , UDP/1194: utilizzate principalmente per le reti
VPN.
Per entrambe queste porte si nota un aumento durante le ore di lavoro nei punti di osservazione a Marzo
dato che sempre più persone lavorano da casa e usano le VPN per accedere alle loro reti aziendali o
universitarie.
- Streaming TV porta TCP/8200: porta utilizzata da un servizio di streaming online di canali televisivi
russi. Nel mese di Marzo notiamo che i volumi di traffico aumentano durante il giorno.
- Video conferenze: Strumenti di videoconferenza come Skype e Microsoft Teams usano entrambi la
porta UDP/3480.
Durante il lockdown di Marzo si ha un grande aumento del traffico UDP/3480 all’IXP-CE soprattutto
durante l’orario di lavoro nei giorni lavorativi.
Zoom che è un’altra applicazione di videoconferenza utilizza la porta UDP/8801, all’ISP-CE il traffico
verso questa porta aumenta di un’ordine di grandezza da Febbraio ad Aprile.
Questi cambiamenti sottolineano ancora una volta il fatto che le persone che lavorano da casa cambiano il
profilo del traffico Internet.
- EMAIL : durante l’orario di lavoro si ha un aumento del 60% sulla porta TCP/993 che è utilizzata da
IMAP su TLS per recuperare le email.
In questi grafici si osserva la differenza di traffico IXP-CE per le principali porte applicative. In
particolare, la differenza di volume di traffico aggregato normalizzato per ora, confrontando i giorni
lavorativi di Febbraio, Marzo, Aprile e Giugno.
Il traffico TCP/80 e TCP/443 è stato omesso per motivi di leggibilità.
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7. Significativo aumento delle applicazioni legate alla comunicazione e
all’intrattenimento
Sulla base delle analisi delle porte (vedi sezione precedente) si fornisce un’analisi più approfondita del
traffico per diverse classi di applicazioni (molto rilevante per il traffico che utilizza protocolli HTTP(S), dove
con una singola porta a livello di trasporto si nascondono molte applicazioni).
Quello che si nota è che le applicazioni legate alle comunicazioni aumentano durante l’orario di lavoro,
soprattutto nelle conferenze web. Le applicazioni legate all’intrattenimento (come i giochi e il VoD),
vengono consumate a qualsiasi ora del giorno.
Applicazioni legate alla comunicazione:
In tutti i punti di osservazione, le applicazioni Web conferencing mostrano un aumento di oltre il 200%
durante le ore di lavoro.
Applicazioni legate all’intrattenimento:
L’utilizzo di applicazioni di streaming VoD mostra alti tassi di crescita presso gli IXP europei fino al 100%.
E’ interessante notare che ISP-CE vede solo una leggera crescita di circa il 10% durante il lockdown.
Le applicazioni di gioco, che tipicamente vengono utilizzate la sera o nei fine settimana, sono ora utilizzate a
qualsiasi ora.
Heatmap del volume delle classi di applicazione per tre diversi IXP e per l’ISP-CE
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EXTENDED SUMMARY OF
THE LOCKDOWN EFFECT: IMPLICATION OF THE COVID-19 PANDEMIC ON INTERNET TRAFFIC

8. Funzionamento di Internet durante la pandemia: una storia di
successo
La pandemia COVID-19 ha evidenziato la crescente dipendenza dell’umanità dalle reti digitali per la
continuità del business, del lavoro, dell’istruzione, del commercio, delle banche, della sanità e di altri servizi
essenziali. Questo ha aumentato la domanda di applicazioni che supportano l’insegnamento e il lavoro da
remoto per garantire la distanza sociale. Grazie ai progressi nell’automazione (ad esempio la gestione
automatizzata delle configurazioni e i robot che installano collegamenti incrociati presso gli IXP senza
coinvolgimento umano) è stato possibile far fronte all’incremento della domanda.
Il cambiamento nei modelli di traffico è stato gestito sorprendentemente bene dal nucleo di Internet in
generale, presumibilmente perché molti operatori di rete sono stati in grado di reagire rapidamente alle
nuove richieste.
Conclusioni
Questo studio ha analizzato e rilevato un notevole cambiamento nel traffico Internet durante la pandemia
COVID-19: la mattina e le ore serali “hanno visto” più traffico, e nella modellizzazione dell’andamento del
traffico non vi è stata più differenza fra giorni feriali e festivi. Le applicazioni per il lavoro a distanza e
l’istruzione, tra cui VPN e videoconferenze, hanno subito aumenti di traffico di oltre il 200%. In risposta, il
nucleo di Internet nel suo complesso ha reagito sorprendentemente in modo efficace.
Tali osservazioni fanno emergere l’importanza di affrontare l’ingegneria del traffico con un focus, che
guarda oltre il traffico ipergigante , rivolto a considerare le applicazioni essenziali per il lavoro a distanza.
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Inoltre, la pandemia ha evidenziato che il comportamento degli utenti può cambiare rapidamente, quindi gli
operatori di rete devono essere preparati per improvvise modifiche della domanda.
Pertanto, l’over-provisioning e l’automazione sono fondamentali per fornire reti in grado di sostenere
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cambiamenti drastici e inaspettati nella domanda come quelli sperimentati durante la pandemia.
Reti con elevati rapporti di traffico in uscita che forniscono contenuti a milioni di utenti (Facebook,Google Inc, Yahoo, Netflix, etc).
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Fornire risorse di rete in abbondanza, abbastanza da soddisfare la domanda di picco attesa, con un sostanziale margine di sicurezza.
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