The Internet ecosystem comprising of thousands of Autonomous Systems (ASes) now include Internet eXchange Points (IXPs) as another critical component in the infrastructure. Peering plays a significant part in driving the economic growth of ASes and is contributing to a variety of structural changes in the Internet. IXPs are a primary component of this peering ecosystem and are playing an increasing role not only in the topology evolution of the Internet but also inter-domain path routing. In this dissertation we study and analyze the overall affects of peering and IXP infrastructure on the Internet. We observe IXP peering is enabling a quicker flattening of the Internet topology and leading to over-utilization of popular inter-AS links. Indiscriminate peering at these locations is leading to higher endto-end path latencies for ASes peering at an exchange point, an effect magnified at the most popular worldwide IXPs. We first study the effects of recently discovered IXP links on the inter-AS routes using graph based approaches and find that it points towards the changing and flattening landscape in the evolution of the Internet’s topology. We then study more IXP effects by using measurements to investigate the networks benefits of peering. We propose and implement a measurement framework which identifies default paths through IXPs and compares them with alternate paths isolating the IXP hop. Our system is running and recording default and alternate path latencies and made publicly available. We model the probability of an alternate path performing better than a default path through an IXP iii by identifying the underlying factors influencing the end-to end path latency. Our firstof-its-kind modeling study, which uses a combination of statistical and machine learning approaches, shows that path latencies depend on the popularity of the particular IXP, the size of the provider ASes of the networks peering at common locations and the relative position of the IXP hop along the path. An in-depth comparison of end-to-end path latencies reveal a significant percentage of alternate paths outperforming the default route through an IXP. This characteristic of higher path latencies is magnified in the popular continental exchanges as measured by us in a case study looking at the largest regional IXPs. We continue by studying another effect of peering which has numerous applications in overlay routing, Triangle Inequality Violations (TIVs). These TIVs in the Internet delay space are created due to peering and we compare their essential characteristics with overlay paths such as detour routes. They are identified and analyzed from existing measurement datasets but on a scale not carried out earlier. This implementation exhibits the effectiveness of GPUs in analyzing big data sets while the TIVs studied show that the a set of common inter-AS links create these TIVs. This result provides a new insight about the development of TIVs by analyzing a very large data set using GPGPUs. Overall our work presents numerous insights into the inner workings of the Internet’s peering ecosystem. Our measurements show the effects of exchange points on the evolving Internet and exhibits their importance to Internet routing.

Economic incentives and the need to efficiently deliver Internet have led to the growth of Internet eXchange Points (IXPs), i.e., the interconnection networks through which a multitude of possibly competing network entities connect to each other with the goal of exchanging traffic. At IXPs, the exchange of traffic between two or more member networks is dictated by the Border gateway Protocol (BGP), i.e., the inter-domain routing protocol used by network operators to exchange reachability information about IP prefix destinations. There is a common “honest-closed-world” assumption at IXPs that two IXP members exchange data traffic only if they have exchanged the corresponding reachability information via BGP. This state of affairs severely hinders security as any IXP member can send traffic to another member without having received a route from that member. Filtering traffic according to BGP routes would solve the problem. However, IXP members can install filters but the number of filtering rules required at a large IXP can easily exceed the capacity of the network devices. In addition, an IXP cannot filter this type of traffic as the exchanged BGP routes between two members are not visible to the IXP itself. In this thesis, we evaluated the design space between reactive and proactive approaches for guaranteeing consistency between the BGP control-plane and the data-plane. In a reactive approach, an IXP member operator monitors, collects, and analyzes the incoming traffic to detect if any illegitimate traffic exists whereas, in a proactive approach, an operator configures its network devices to filter any illegitimate traffic without the need to perform any monitoring. We focused on proactive approaches because of the increased security of the IXP network and its inherent simplified network management. We designed and implemented a solution to this problem by leveraging the emerging Software Defined Networking (SDN) paradigm, which enables the programmability of the forwarding tables by separating the control- and data-planes. Our approach only installs rules in the data-plane that allow legitimate traffic to be forwarded, dropping anything else. As hardware switches have high performance but low memory space, we decided to make also use of software switches.  A “heavy-hitter” module detects the forwarding rules carrying most of the traffic and installs them into the hardware switch. The remaining forwarding rules are installed into the software switches. We evaluated the prototype in an emulated testbed using the Mininet virtual network environment. We analyzed the security of our system with the help of static verification tests, which confirmed compliance with security policies. The results reveal that with even just 10% of the rules installed in the hardware switch, the hardware switch directly filterss 95% of the traffic volume with non-uniform Internet-like traffic distribution workloads. We also evaluated the latency and throughput overheads of the system, though the results are limited by the accuracy of the emulated environment. The scalability experiments show that, with 10K forwarding rules, the system takes around 40 seconds to install and update the data plane. This is due to inherent slowness of the emulated environment and limitations of the POX controller, which is coded in Python. / Ekonomiska incitament och behovet av att effektivt leverera Internet har lett till tillväxten av Internet eXchange Points (IXP), dvs de sammankopplingsnät genom vilka en mängd möjligen konkurrerande nätverksenheter förbinder varandra med målet att utbyta trafik. Vid IXPs dikteras utbytet av trafik mellan två eller flera medlemsnät av gränsgatewayprotokollet (BGP), dvs det inter-domänroutingprotokollet som används av nätoperatörer för att utbyta tillgänglighetsinformation om IP-prefixdestinationer. Det finns ett gemensamt antagande om "honest-closed-world" vid IXP, att två IXP-medlemmar endast utbyter datatrafik om de har bytt ut motsvarande tillgänglighetsinformation via BGP. Detta tillstånd försvårar allvarligt säkerheten eftersom varje IXP-medlem kan skicka trafik till en annan medlem utan att ha mottagit en rutt från den medlemmen. Filtrering av trafik enligt BGP-vägar skulle lösa problemet. IXPmedlemmar kan dock installera filter men antalet filtreringsregler som krävs vid en stor IXP kan enkelt överskrida nätverksenheternas kapacitet. Dessutom kan en IXP inte filtrera denna typ av trafik eftersom de utbytta BGP-vägarna mellan två medlemmar inte är synliga för IXP-enheten själv. I denna avhandling utvärderade vi utrymmet mellan reaktiva och proaktiva metoder för att garantera överensstämmelse mellan BGP-kontrollplanet och dataplanet. I ett reaktivt tillvägagångssätt övervakar, samlar och analyserar en inkommande trafik en IXP-medlem för att upptäcka om någon obehörig trafik finns, medan en operatör konfigurerar sina nätverksenheter för att filtrera någon obehörig trafik utan att behöva övervaka. Vi fokuserade på proaktiva tillvägagångssätt på grund av den ökade säkerheten för IXP-nätverket och dess inneboende förenklad nätverkshantering. Vi konstruerade och genomförde en lösning på detta problem genom att utnyttja det nya SDN-paradigmet (Software Defined Networking), vilket möjliggör programmerbarheten hos vidarebefordringsborden genom att separera kontroll- och dataplanerna. Vårt tillvägagångssätt installerar bara regler i dataplanet som tillåter legitim trafik att vidarebefordras, släppa allt annat. Eftersom hårdvaruomkopplare har hög prestanda men lågt minne, bestämde vi oss för att även använda programvaruomkopplare. En "heavy-hitter" -modul detekterar vidarebefordringsreglerna som transporterar större delen av trafiken och installerar dem i hårdvaruomkopplaren. De återstående spolningsreglerna installeras i programvaruomkopplarna. Vi utvärderade prototypen i en emulerad testbädd med hjälp av virtuella nätverksmiljö Mininet. Vi analyserade säkerheten för vårt system med hjälp av statiska verifieringsprov, vilket bekräftade överensstämmelse med säkerhetspolicyerna. Resultaten visar att med bara 10% av de regler som installerats i hårdvaruomkopplaren filtrerar hårdvaruomkopplaren direkt 95% av trafikvolymen med ojämn Internetliknande trafikfördelningsarbete. Vi utvärderade också latens- och genomströmningsomkostnaderna för systemet, även om resultaten begränsas av noggrannheten hos den emulerade miljön. Skalbarhetsexperimenten visar att med 10K-vidarebefordringsregler tar systemet cirka 40 sekunder för att installera och uppdatera dataplanet. Detta beror på inneboende långsamma emulerade miljöer och begränsningar av POX-kontrollern, som kodas i Python.

Economic incentives and the need to efficiently deliver Internet have led to the growth of Internet eXchange Points (IXPs), i.e., the interconnection networks through which a multitude of possibly competing network entities connect to each other with the goal of exchanging traffic. At IXPs, the exchange of traffic between two or more member networks is dictated by the Border gateway Protocol (BGP), i.e., the inter-domain routing protocol used by network operators to exchange reachability information about IP prefix destinations. There is a common “honest-closed-world” assumption at IXPs that two IXP members exchange data traffic only if they have exchanged the corresponding reachability information via BGP. This state of affairs severely hinders security as any IXP member can send traffic to another member without having received a route from that member. Filtering traffic according to BGP routes would solve the problem. However, IXP members can install filters but the number of filtering rules required at a large IXP can easily exceed the capacity of the network devices. In addition, an IXP cannot filter this type of traffic as the exchanged BGP routes between two members are not visible to the IXP itself. In this thesis, we evaluated the design space between reactive and proactive approaches for guaranteeing consistency between the BGP control-plane and the data-plane. In a reactive approach, an IXP member operator monitors, collects, and analyzes the incoming traffic to detect if any illegitimate traffic exists whereas, in a proactive approach, an operator configures its network devices to filter any illegitimate traffic without the need to perform any monitoring. We focused on proactive approaches because of the increased security of the IXP network and its inherent simplified network management. We designed and implemented a solution to this problem by leveraging the emerging Software Defined Networking (SDN) paradigm, which enables the programmability of the forwarding tables by separating the controland dataplanes. Our approach only installs rules in the data-plane that allow legitimate traffic to be forwarded, dropping anything else. As hardware switches have high performance but low memory space, we decided to make also use of software switches. A “heavy-hitter” module detects the forwarding rules carrying most of the traffic and installs them into the hardware switch. The remaining forwarding rules are installed into the software switches.We evaluated the prototype in an emulated testbed using the Mininet virtualnetwork environment. We analyzed the security of our system with the help of static verification tests, which confirmed compliance with security policies. The results reveal that with even just 10% of the rules installed in the hardware switch, the hardware switch directly filter 95% of the traffic volume with nonuniform Internet-like traffic distribution workloads. We also evaluated the latency and throughput overheads of the system, though the results are limited by the accuracy of the emulated environment. The scalability experiments show that, with 10K forwarding rules, the system takes around 40 seconds to install and update the data plane. This is due to inherent slowness of emulated environment and limitations of the POX controller, which is coded in Python. / Ekonomiska incitament och behovet av att effektivt leverera Internet har lett till tillväxten av Internet eXchange Points (IXP), dvs de sammankopplingsnät genom vilka en mängd möjligen konkurrerande nätverksenheter förbinder varandra med målet att utbyta trafik. Vid IXPs dikteras utbytet av trafik mellan två eller flera medlemsnät av gränsgatewayprotokollet (BGP), dvs det inter-domänroutingprotokollet som används av nätoperatörer för att utbyta tillgänglighetsinformation om IP-prefixdestinationer. Det finns ett gemensamt antagande om "honest-closed-world" vid IXP, att två IXP-medlemmar endast utbyter datatrafik om de har bytt ut motsvarande tillgänglighetsinformation via BGP. Detta tillstånd försvårar allvarligt säkerheten eftersom varje IXP-medlem kan skicka trafik till en annan medlem utan att ha mottagit en rutt från den medlemmen. Filtrering av trafik enligt BGP-vägar skulle lösa problemet. IXPmedlemmar kan dock installera filter men antalet filtreringsregler som krävs vid en stor IXP kan enkelt överskrida nätverksenheternas kapacitet. Dessutom kan en IXP inte filtrera denna typ av trafik eftersom de utbytta BGP-vägarna mellan två medlemmar inte är synliga för IXP-enheten själv.I denna avhandling utvärderade vi utrymmet mellan reaktiva och proaktiva metoder för att garantera överensstämmelse mellan BGP-kontrollplanet och dataplanet. I ett reaktivt tillvägagångssätt övervakar, samlar och analyserar en inkommande trafik en IXP-medlem för att upptäcka om någon obehörig trafik finns, medan en operatör konfigurerar sina nätverksenheter för att filtrera någon obehörig trafik utan att behöva övervaka . Vi fokuserade på proaktiva tillvägagångssätt på grund av den ökade säkerheten för IXP-nätverket och dess inneboende förenklad nätverkshantering. Vi konstruerade och genomförde en lösning på detta problem genom att utnyttja det nya SDN-paradigmet (Software Defined Networking), vilket möjliggör programmerbarheten hos vidarebefordringsborden genom att separera kontrolloch dataplanerna. Vårt tillvägagångssätt installerar bara regler i dataplanet som tillåter legitim trafik att vidarebefordras, släppa allt annat. Eftersom hårdvaruomkopplare har hög prestanda men lågt minne, bestämde vi oss för att även använda programvaruomkopplare. En "heavy-hitter" -modul detekterar vidarebefordringsreglerna som transporterar större delen av trafiken och installerar dem i hårdvaruomkopplaren. De återstående spolningsreglerna installeras i programvaruomkopplarna.Vi utvärderade prototypen i en emulerad testbädd med hjälp av virtuella nätverksmiljö Mininet. Vi analyserade säkerheten för vårt system med hjälp av statiska verifieringsprov, vilket bekräftade överensstämmelse med säkerhetspolicyerna. Resultaten visar att med bara 10% av de regler som installerats i hårdvaruomkopplaren filtrerar hårdvaruomkopplaren direkt 95% av trafikvolymen med ojämn Internetliknande trafikfördelningsarbete. Vi utvärderade också latensoch genomströmningsomkostnaderna för systemet, även om resultaten begränsas av noggrannheten hos den emulerade miljön. Skalbarhetsexperimenten visar att med 10K-vidarebefordringsregler tar systemet cirka 40 sekunder för att installera och uppdatera dataplanet. Detta beror på inneboende långsamma emulerade miljöer och begränsningar av POX-kontrollern, som kodas i Python.