Name: 将5G实验基础设施集成到多站点NFV生态系统中 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-02-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 15 s
Description: 了解如何通过VPN覆盖网络将远程站点集成到多站点NFV生态系统中。本协议支持5G实验基础设施的协同研究，已在西班牙、欧洲和巴西成功实施，可实现垂直服务的安全部署与实时数据可视化。

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本工作部分得到了欧洲H2020 LABYRINTH项目（资助协议编号H2020-MG-2019-TwoStages-861696）以及由西班牙国家研究机构资助的TRUE5G项目（PID2019-108713RB-C52PID2019-108713RB-C52 / AEI / 10.13039/501100011033）的支持。此外，Borja Nogales、Ivan Vidal和Diego R. Lopez的工作还部分得到了欧洲H2020 5G-VINNI项目（资助协议编号815279）的支持。最后，作者感谢Alejandro Rodríguez García在本工作实施过程中提供的支持。

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<li>Yu, H., Lee, H., Jeon, H. <a target="_blank" href="https://www.mdpi.com/2071-1050/9/10/1848">What is 5G? Emerging 5G Mobile Services and Network Requirements.</a> Sustainability. 9, 1848(2017).</li>
<li>Yi, B., Wang, X., Li, K., Huang, M. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1389128618300306">A comprehensive survey of network function virtualization.</a> Computer Networks. 133, 212-262 (2018).</li>
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<li>Nogales, B., et al. <a target="_blank" href="https://ieeexplore.ieee.org/document/8613269">Design and deployment of an open management and orchestration platform for multi-site nfv experimentation.</a> IEEE Communications Magazine. 57 (1), 20-27 (2019).</li>
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<li>Nogales, B., Sanchez-Aguero, V., Vidal, I., Valera, F. <a target="_blank" href="https://www.mdpi.com/1424-8220/18/12/4116">Adaptable and automated small uav deployments via virtualization.</a> Sensors. 18 (12), 4116(2018).</li>
<li>Gonzalez, L. F., et al. <a target="_blank" href="https://www.mdpi.com/1424-8220/19/23/5220">Transport-Layer Limitations for NFV Orchestration in Resource-Constrained Aerial Networks.</a> Sensors. 19 (23), 5220(2019).</li>
<li>Sanchez-Aguero, V., Valera, F., Nogales, B., Gonzalez, L. F., Vidal, I. <a target="_blank" href="https://eprints.networks.imdea.org/2093/1/VENUE_eprints.pdf">VENUE: Virtualized Environment for multi-UAV network emulation.</a> IEEE Access. 7, 154659-154671 (2019).</li>
<li>Kalogiros, C., et al. <a target="_blank" href="https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8911696">The potential of 5G experimentation-as-a-service paradigm for operators and vertical industries: the case of 5G-VINNI facility.</a> IEEE 2nd 5G World Forum (5GWF). , Dresden, Germany. 347-352 (2019).</li>
<li>Ordonez-Lucena, J., Tranoris, C., Rodrigues, J., Contreras, L. M. <a target="_blank" href="https://ieeexplore.ieee.org/document/9200940">Cross-domain Slice Orchestration for Advanced Vertical Trials in a Multi-Vendor 5G Facility.</a> 2020 European Conference on Networks and Communications (EuCNC). , Dubrovnik, Croatia. 40-45 (2020).</li>
<li>OASIS. <a target="_blank" href="https://www.iso.org/standard/69466.html">ISO/IEC 20922:2016 Information technology -- MQ Telemetry Transport (MQTT) v3.1.1.</a> International Organization for Standardization. , (2016).</li>
<li>An Open source IoT Platform Edge computing and Consulting services. Mainflux. , Available from: 
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<li>Open Source MANO Release SEVEN user-guide documentation. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://osm.etsi.org/docs/user-guide">https://osm.etsi.org/docs/user-guide</a> (2020).</li>
<li>Open Source Software for Creating Private and Public Clouds. OpenStack. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.openstack.org">https://www.openstack.org</a> (2020).</li>
<li>OpenStack release Ocata Documentation. OpenStack. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://docs.openstack.org/ocata">https://docs.openstack.org/ocata</a> (2019).</li>
<li>OpenStack release Ocata Installation Tutorial for Ubuntu. OpenStack. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://docs.openstack.org/ocata/install-guide-ubuntu">https://docs.openstack.org/ocata/install-guide-ubuntu</a> (2019).</li>
<li>Public Experiment Repository. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://vm-images.netcom.it.uc3m.es/JoVE_2020/">http://vm-images.netcom.it.uc3m.es/JoVE_2020/</a> (2020).</li>
<li>A full-featured, open, and cost-effective VPN solution. OpenVPN. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://openvpn.net">https://openvpn.net</a> (2020).</li>
<li>OpenVPN How to Installation Guide. OpenVPN. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://openvpn.net/community-resources/how-to/#installing-openvpn">https://openvpn.net/community-resources/how-to/#installing-openvpn</a> (2020).</li>
<li>A Linux kernel firewall implementation. Iptables. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://wiki.archlinux.org/index.php/Iptables">https://wiki.archlinux.org/index.php/Iptables</a> (2020).</li>
<li>An NFV VIM implementation contributed to the open source community project ETSI OSM. OpenVIM. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://osm.etsi.org/gitweb/?p=osm/openvim.git">https://osm.etsi.org/gitweb/?p=osm/openvim.git</a> (2020).</li>
<li>A cloud service-delivery platform to operate and manage cloud-service businesses. VMware Cloud Director. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.vmware.com/uk/products/cloud-director.html">https://www.vmware.com/uk/products/cloud-director.html</a> (2020).</li>
<li>A broadly adopted cloud platform offering services from datacenters globally. Amazon Web Services (AWS). , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://aws.amazon.com">https://aws.amazon.com</a> (2020).</li>
<li>Microsoft cloud computing service for developing and managing services and applications through Microsoft-managed datacenters. Microsoft Azure. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://azure.microsoft.com/en-us">https://azure.microsoft.com/en-us</a> (2020).</li>
<li>Eclipse fog05, The End-to-End Compute, Storage and Networking Virtualization solution. Eclipse Foundation. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://fog05.io">https://fog05.io</a> (2020).</li>
<li>Nogales, B., et al. <a target="_blank" href="https://dx.doi.org/10.3791/60425">Automated Deployment of an Internet Protocol Telephony Service on Unmanned Aerial Vehicles Using Network Functions Virtualization.</a> Journal of Visualized Experiments. (153), e60425(2019).</li>
<li>RPi.bme280 0.2.3. A Python library to drive BME280 sensor over I2C. PYPI. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://pypi.org/project/RPi.bme280/">https://pypi.org/project/RPi.bme280/</a> (2020).</li>
<li>Paho-mqtt 1.5.0. A Python library implementing the MQTT client version 3.1.1. PYPI. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://pypi.org/project/paho-mqtt/">https://pypi.org/project/paho-mqtt/</a> (2020).</li>
<li>Public Private Partnership in Horizon 2020. Creating a Smart Ubiquitous Network for the Future Internet. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Advanced+5G+Network+Infrastructure+for+the+Future+Internet%22">Advanced 5G Network Infrastructure for the Future Internet</a>. , (2013).</li>
<li>Deliver Network Security Digital Transformation. Fortinet. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.fortinet.com">https://www.fortinet.com</a> (2020).</li>
<li>Open source tool to monitor the status of the service offered by an OpenVPN server. Openvpn-monitor. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://github.com/furlongm/openvpn-monitor">https://github.com/furlongm/openvpn-monitor</a> (2020).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

此前所述协议最重要的方面之一是其出色的灵活性，能够将新的计算基础设施集成到网络功能虚拟化（NFV）生态系统中，而无论这些基础设施在地理上的分布情况如何（只要网络与远程站点之间的带宽和通信延迟能够满足要求）。这通过基于虚拟专用网络（VPN）的覆盖网络架构实现，该架构可建立虚拟链路，将远程站点连接至NFV生态系统的中心节点。该方法为支持NFV生态系统中各站点之间的NFV及数据通信提供了高效且安全的通道，降低了外部方访问和/或篡改与NFV编排流程及已部署服务数据相关的敏感信息的可能性。在此背景下，该协议还描述了一种特定方法，用于与将要集成新基础设施的外部站点安全共享VPN凭证。本协议以马德里卡洛斯三世大学、西班牙电信公司（Telefónica）和IMDEA网络研究所共同在5TONIC平台提供的NFV生态系统为例进行了说明，但该协议具有通用性，可应用于其他满足本协议第1步所述先决条件的NFV环境。
此外，值得强调的是，本方案的实施完全采用开源工具和软件。尽管某些专有解决方案可能提供潜在的有益功能（例如 Fortinet35），但由于开源工具具备成本效益高、开源社区提供广泛软件支持以及高度可靠等固有优势，其使用显著促进了本方案所涵盖所有组件的集成。此外，开源技术的使用还能促进具有相似性质的组件之间的协同作用。例如，为了监控使用该平台的客户端的VPN连接状态，本方案中实现的VPN服务可依赖于open-vpn monitor工具36（一种基于Python的监控工具，能够与OpenVPN服务器实现互操作）。
另一方面，该协议规范考虑了在不同站点上实例化网络服务以进行验证。在此方面，需要强调的是，在特定站点上部署服务取决于该站点的计算、存储和网络资源的可用性，以及部署过程中可能需要的专用设备（例如，支持网络功能虚拟化的SUAV）。这并非协议本身的限制，而是对有意复现本文所述实验的利益相关者应予以考虑的因素。
此外，需要注意的是，部署网络服务所需的时间在很大程度上取决于多个因素，例如编排器与各个VIM之间的网络路径、VIM与其所管理的计算节点之间的数据通信性能，以及这些计算节点的内在特性（不仅与其可用的计算资源有关，还与其用于实现网络功能虚拟化的技术相关）。
最后，鉴于该平台及其VPN服务在迄今为止所参与的欧洲项目和协作工作中表现出的卓越性能（例如本文引言中提到的5GINFIRE、5GRANGE和5GCity），该平台将被视为马德里卡洛斯三世大学、西班牙电信公司和IMDEA网络研究所参与的新兴欧洲项目（如“地平线2020”计划中的LABYRINTH项目）以及国家级项目（如TRUE-5G）中的重要组成部分。

自本 decade 初以来，第五代移动网络（5G）的引入意味着对电信行业进行彻底变革，要求电信运营商应对在 5G 框架下开发的新网络服务与应用所提出的更为严苛的技术规范1,2。这些新规范包括但不限于数据速率的提升、无线传输延迟的优化以及运营成本的降低。在网络技术革新所依赖的各项基础技术中，网络功能虚拟化3（NFV）已成为推动这一代网络发展的关键技术之一。NFV 能够将传统上依赖专用硬件的网络功能通过通用物理设备（例如数据中心中的服务器计算机）实现软件化。借助这一新范式，电信运营商和垂直行业可将网络功能与服务部署为一组软件组件，从而在服务部署与维护方面节约成本，并显著提升网络基础设施的弹性。该方法减轻甚至消除了大多数网络功能及特定垂直行业功能对专用（通常更复杂且复用性较低）设备的需求，同时支持更高程度和更密集的操作自动化，进而降低部署与维护成本。
考虑到网络功能虚拟化（NFV）环境所能提供的各项优势，电信行业越来越多的相关利益方自然开始积极参与在NFV环境中测试新型服务构想。在此背景下，Telefónica与IMDEA网络研究所共同创建了5TONIC4，这是一个专注于5G技术的开放型研究与创新实验室。该实验室位于西班牙马德里，提供多种先进技术，供研究人员和合作伙伴推动5G服务的开发与验证。特别是，该实验室配备了一个实验性NFV平台，开发者可在符合ETSI标准的NFV生态系统中部署并测试其基于NFV的新应用与服务5。因此，设计选择与技术方案的实验性结论可在比生产网络更真实且灵活得多的环境中得出。该平台设计支持跨多个外部站点的实验活动，并可通过明确定义的协议灵活地与5TONIC互联。
5TONIC NFV 生态系统所采用的技术方案基于单一的 NFV 编排器，该编排器通过欧洲电信标准协会（ETSI）托管的开源 MANO（OSM）软件实现6。该组件负责管理与协调网络服务（NS）的生命周期。这些服务可由虚拟化网络/垂直功能（VNF）组合构建而成，并可部署于 NFV 平台所集成的任一站点。5TONIC NFV 生态系统的设计工作是在欧盟“地平线2020”计划 5GINFIRE 项目7,8的框架下完成的，该平台曾支持在欧洲八个面向特定垂直行业的实验基础设施以及巴西一个通过跨洋链路连接的实验设施上开展的 25 项以上实验，这些实验通过竞争性公开征集方式遴选产生。此外，该平台还被用于在西班牙构建国家级的分布式 NFV 试验床，以支持西班牙 5GCity 项目9,10内的实验活动。最近，平台进一步集成了另一个巴西站点，以支持巴西与欧洲之间科研创新合作框架下的联合示范活动（即 5GRANGE 项目11,12）。最后但同样重要的是，该基础设施还被用于支持 5G-VINNI 项目范围内的第三方实验13,14。NFV 平台的地理分布情况如图1所示。
有意组织若拥有自主的网络功能虚拟化（NFV）基础设施，可在获得5TONIC指导委员会批准后，灵活接入5TONIC NFV生态系统，成为分布式生态系统中的试验床提供方，并参与联合实验与示范活动。为此，这些组织必须具备符合OSM软件栈的虚拟基础设施管理器（VIM）。5TONIC NFV编排器能够与参与特定服务部署的各站点VIM进行交互，协调计算、存储和网络资源的分配与配置，以实现构成网络服务的虚拟网络功能（VNF）的实例化与互连，并控制其生命周期，从初始接入直至最终退役。
为了管理所有互连站点之间的控制和数据流量交换，5TONIC NFV 生态系统采用基于虚拟专用网络（VPN）的覆盖网络架构。该方法为集成到 5TONIC 生态系统中的外部站点提供基于公钥基础设施（PKI）的安全访问，支持 OSM 软件栈与分布在各个测试平台上的不同 VIM 之间交换 NFV 控制信息，同时也支持管理与配置所有 VNF 所需信息的交换。此外，该覆盖网络还支持在不同站点部署的 VNF 之间进行数据流量的传输。
在此背景下，本文详细阐述了一种将外部站点接入网络功能虚拟化（NFV）生态系统的协议。该协议假设整个生态系统由部署在中心站点的单一NFV编排器进行统一管理，且外部站点配备有符合该编排器软件栈要求的虚拟化基础设施管理（VIM）解决方案。所提出的协议能够灵活地引入新的NFV站点及面向特定垂直行业的基础设施，从而扩展实验生态系统的资源组合。这使得构建一个分布式的MANO平台成为可能，该平台可在单一NFV编排器的控制下，在多个站点上测试和验证新型网络服务及垂直行业应用。为说明该协议的内部运行机制，本文将以向现有的5TONIC NFV生态系统中添加一个外部NFV站点为例，具体描述外部站点和5TONIC所需部署的组件，以及集成过程中需执行的全部步骤。图2展示了此次集成的目标概览：基于NFV的新测试平台通过中心站点与其余外部基础设施之间的VPN连接，接入5TONIC平台，从而实现网络服务的部署。
此外，为了展示该协议的有效性，将基于5TONIC生态系统和一个配备支持网络功能虚拟化（NFV）的小型无人驾驶航空器（SUAV）的外部站点，演示一个简单的垂直服务部署。该垂直服务的设计灵感来源于Vidal等人9所提出的一项实验，但为便于本文说明已对其进行简化。图3概述了该服务，其目标是支持偏远地区的智慧农业活动。该服务设想由一个智慧农业服务提供商使用SUAV，收集并分发散布在农田中的气象传感器所产生的数据。为简化起见，本文所述实验仅考虑单个SUAV和一个传感器，该传感器可提供温度、湿度和气压测量值。在实验中，外部NFV站点托管一个Wi-Fi接入点，该接入点作为虚拟网络功能（VNF）部署在SUAV上。该VNF为传感器提供网络接入连接，并将感知数据转发至网关功能。后者作为VNF部署在地面设备（一台mini-ITX计算机）上。传感器至网关功能的数据分发采用基于消息队列遥测传输（MQTT）协议15的发布/订阅模式。网关功能对接收的数据进行处理后，将其转发至物联网（IoT）服务器。该服务器基于Mainflux16开源平台，作为VNF部署在NFV生态系统的中心站点。最后，该场景假设偏远地区通过蜂窝非3GPP接入网络提供互联网连接。因此，该服务包含两个额外的VNF：1）接入路由器VNF，实现连接至非3GPP接入网络的3GPP用户设备的用户面协议栈17；2）5G核心网的基础实现，支持在接入路由器与IoT服务器VNF之间转发信息。为此，5G核心网VNF提供了3GPP标准17所定义的非3GPP互连功能和用户面功能的用户面部分的简化实现。
最后，图4 展示了在方案开发过程中涉及的最重要流程，强调了这些流程之间的逻辑关联以及负责执行这些流程的实体。

<table><tbody><tr><td>Bebop 2</td><td>Parrot</td><td></td><td>实验中用于运输树莓派（RPis）的无人机（UAV），从而为外部站点的计算单元提供移动性。</td></tr><tr><td>BME280 传感器</td><td>Bosch</td><td></td><td>可提供环境温度、大气压力和湿度读数的传感器。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>商用 Intel Core Mini-ITX 计算机</td><td>Logic Suppy</td><td></td><td>用于托管实验外部站点中 OpenStack 控制节点（以虚拟机形式运行）的计算机服务器。此外，该设备的另一台单元（与树莓派一起）构成了该站点内 NFV 基础设施的计算资源。</td></tr><tr><td>Iptables</td><td>Netfilter - 开源工具</td><td></td><td>（软件）一个开源的命令行工具，用于配置 Linux 内核防火墙规则集。源代码可在线获取：https://www.netfilter.org/projects/iptables/</td></tr><tr><td>锂电池扩展板，型号 KY68C-UK</td><td>Kuman</td><td></td><td>为构成外部站点 NFV 基础设施的无人机计算单元供电的 HAT（顶部附加硬件）电源模块。</td></tr><tr><td>MacBook Pro&amp;nbsp;</td><td>Apple</td><td></td><td>实验中使用的通用笔记本电脑，用于按照文稿描述获取和收集实验结果。</td></tr><tr><td>Mainflux</td><td>Mainflux Labs - 开源平台</td><td></td><td>（软件）实验中使用的开源物联网（IoT）平台，用于实现名为 IoT Server VNF 的虚拟网络功能。此外，该平台包含基于 Grafana 的开源软件，可用于可视化和格式化度量数据。源代码可在线获取：https://www.mainflux.com/</td></tr><tr><td>开源 MANO（OSM）- 版本 FOUR</td><td>ETSI OSM - 开源社区</td><td></td><td>（软件）实验中配置的 NFV 系统的管理与编排（MANO）软件栈。源代码可在线获取：https://osm.etsi.org/docs/user-guide/</td></tr><tr><td>OpenStack - 版本 Ocata</td><td>OpenStack - 开源社区</td><td></td><td>（软件）用于在实验中搭建中心站点和外部站点 NFV 基础设施的开源软件。源代码可在线获取：https://docs.openstack.org/ocata/install-guide-ubuntu</td></tr><tr><td>OpenVPN - 版本 2.3.10</td><td>OpenVPN - 开源社区</td><td></td><td>实现实验中所述虚拟专用网络（VPN）服务的开源软件，用于创建支持 NFV 生态系统运行的覆盖网络（为生态系统中所有站点提供互联）。源代码可在线获取：https://openvpn.net/&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Openvpn-monitor</td><td>Python - 开源软件</td><td></td><td>（软件）基于 Python 代码的开源程序，用于可视化 VPN 服务状态，并展示每一时刻连接的站点。该程序通过定期检查由 OpenVPN 实现的 VPN 服务器提供的信息来实现上述功能。源代码可在线获取：https://github.com/furlongm/openvpn-monitor&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Paho-mqtt 1.5.0</td><td>Python - 开源库</td><td></td><td>（软件）使用 Python 开发的开源库，支持通过 MQTT 标准传输传感器读取的数据。&amp;nbsp; 源代码可在线获取：https://pypi.org/project/paho-mqtt/</td></tr><tr><td>Ping&amp;nbsp;</td><td>Debian - 开源工具</td><td></td><td>（软件）一种开源测试工具，用于验证通过通信网络连接的两个设备之间的连通性。此外，该工具还可评估网络性能，因其可计算往返时间（即发送和接收一个数据包所需的时间）。&amp;nbsp; 源代码可在线获取：https://packages.debian.org/es/sid/iputils-ping</td></tr><tr><td>Power Edge R430</td><td>Dell</td><td></td><td>高性能计算机服务器，为实验中所述的中心站点提供计算能力。</td></tr><tr><td>Power Edge R430</td><td>Dell</td><td></td><td>负责托管虚拟专用网络（VPN）服务的高性能计算机服务器。请注意，由于该服务中加密操作的资源消耗较高，因此对计算资源的需求也较高。</td></tr><tr><td>Power Edge R630</td><td>Dell</td><td></td><td>用于托管执行 MANO 软件栈的虚拟机（VM）的设备。此外，中心站点的 OpenStack 控制节点也作为虚拟机在此设备上运行。请注意，该设备的使用并非绝对必要，因为上述虚拟机对资源要求不高，因此也可由性能较低的设备完成相应操作。</td></tr><tr><td>树莓派，型号 3b</td><td>Raspberry Pi Foundation</td><td></td><td>所选的单板计算机（SBC）型号，用于为实验的外部站点提供计算能力。此外，该 SBC 型号在部署所包含的真实服务时，用于解释和发送传感器采集的数据。</td></tr><tr><td>RPi.bme280 0.2.3</td><td>Python - 开源库</td><td></td><td>（软件）使用 Python 开发的开源库，用于与 Bosch BME280 传感器进行接口通信，并解析该传感器提供的读数。源代码可在线获取：https://pypi.org/project/RPi.bme280/</td></tr></tbody></table>

将5g实验基础设施集成至多站点nfv生态系统

Integration of 5G Experimentation Infrastructures into a Multi-Site NFV Ecosystem

网络功能虚拟化（NFV）已被视为实现5th 第五代移动通信网络（5G）的演进催生了一种新范式，该范式通过虚拟化技术将网络功能软件化，从而降低对专用硬件的依赖，简化网络功能的开发，并缩短部署周期与成本，进而支持电信服务及垂直行业应用的灵活部署。在此背景下，马德里卡洛斯三世大学（Universidad Carlos III de Madrid）、西班牙电信公司（Telefónica）与IMDEA网络研究所共同在5TONIC——一个专注于5G技术的开放式网络创新中心——构建了一个网络功能虚拟化（NFV）生态系统，能够在分布于不同地理位置、由多方提供的NFV基础设施之上，创建复杂且贴近真实环境的实验场景。本文介绍了在基于5TONIC的多站点NFV生态系统中接入新型远程NFV站点所定义的协议，详细说明了现有基础设施与新增基础设施的技术要求、通过叠加网络架构实现的互联互通方式，以及新站点接入所需执行的步骤。该协议通过将一个外部站点接入5TONIC NFV生态系统进行了实例验证。随后，协议进一步阐述了验证站点成功集成所必需的测试步骤，包括利用远程NFV基础设施部署一种结合小型无人驾驶航空器（SUAVs）的多站点垂直行业服务，以展示该协议在支持分布式实验场景方面的潜力。

关键词：第五代移动通信网络，5G，网络功能虚拟化，NFV，5TONIC，虚拟化，叠加网络，分布式实验，小型无人驾驶航空器，SUAVs

在严格按照协议将新站点接入中央平台并运行一项网络服务以验证其功能正常后，图6展示了open-vpn-monitor工具的截图。可以看出，新站点正通过VPN进行全部通信，其通信流量经由VPN传输，从而实现数据交换，并因此成功将新站点正确添加至VPN服务中。
如图3所示，该网络服务将位于远程基础设施中的传感器信息传输至位于中心站点的服务器。此外，图7展示了通过OSM网页图形用户界面成功部署网络服务的情况，表明该实验可通过位于中心站点的MANO架构，从中心站点在新的远程基础设施中正确实例化。此外，实验中完成服务部署所需时间约为八分钟。该时间值，加上将服务描述符导入编排平台所需的时间（约9秒，每个描述符约1.3秒，包括网络服务及各个虚拟网络功能的描述符），能够满足5G基础设施公私合作伙伴关系（5G Infrastructure Public Private Partnership）所规定的90分钟服务创建时间关键性能指标（KPI）34。在此背景下，Vidal等人9的研究包含了使用本协议在多站点环境下对服务创建时间的深入分析。
图8展示了从传感器收集的数据，包括湿度、温度和压力的数值。这些样本对应于传感器发送至位于5TONIC的远程服务器的所有数据，这些数值被存储在数据库中。所有这些数据表明，该平台能够在新增基础设施后部署实际的网络服务，并正确实现站点之间的通信。
<img alt="显示从巴西到各个欧洲国家数据传输路线的地图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61946/61946fig01v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图1"> 
图1： VPN 服务站点分布。通过平台分布的 VPN 服务及其链路连接情况（全部经由 5TONIC）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61946/61946fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="展示用于NFV基础设施部署的VPN隧道的中心与外部站点网络示意图" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61946/61946fig02v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图2"> 
图2．平台与VPN服务概览。 本图展示了平台的所有组成部分：中心站点及其网络功能虚拟化（NFV）基础设施、VPN服务，以及新增并接入系统的基础设施。图中还包含了各组件之间的连接关系。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61946/61946fig02largev2.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="显示物联网、VNF、VPN 的 5G 网络示意图；展示使用 OpenStack 在本地/外部网络中的数据流。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61946/61946fig03v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 3"> 
图 3：网络服务概览。 该图展示了网络服务中涉及的各个组成部分，及其分布情况、逻辑连接和网络连通性。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61946/61946fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="集成NFV并包含生态系统验证步骤的VPN设置流程图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61946/61946fig4v3.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图4"> 
图4：协议工作流程。 每一列代表协议的一个部分，其中描述了所执行的每个操作、操作之间的逻辑关系以及负责执行的组件。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61946/61946fig4v3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="传感器与GPIO引脚连接的面包板接线图；显示VCC、GND、SCL、SDA配置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61946/61946fig05v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图5"> 
图5：引脚配置示意图。该示意图展示了如何将传感器的板载引脚与集成该传感器的单板计算机（SBC）的GPIO引脚进行物理连接。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61946/61946fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="VPN 状态监视器，以表格形式显示服务器信息、连接状态、IP 地址和位置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61946/61946fig06v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 6"> 
图 6： OpenVPN-monitor 快照。 该图显示聚合基础设施已连接至 VPN 服务，并包含有关其连接的一些详细信息。此外，该图还展示了属于其他远程基础设施的额外连接。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61946/61946fig06largev2.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="网络设置界面；NS 实例表、配置状态、标识符。基于网页的管理。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61946/61946fig07v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 7"> 
图 7：OSM NS 部署状态。 OSM 图形界面，显示测试网络服务在远程基础设施中的成功部署。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61946/61946fig07largev2.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="温度、湿度、气压时间序列图；用于气候监测的传感器数据分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61946/61946fig08v3.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 8"> 
图8： 传感器采集数据的代表性分析。 （A）传感器每5秒周期性采集的温度数据示意图。（B）传感器每5秒采集的湿度数据的图形表示。（C）传感器每5秒采集的压力数据的可视化展示。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61946/61946fig08largev2.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

本方案的目标是通过基于VPN的覆盖网络架构，支持将5G实验基础设施灵活地整合到多站点NFV生态系统中。此外，该方案还定义了如何验证集成的有效性，包括在具备NFV能力的小型空中飞行器上进行多站点垂直服务部署。

将5G实验基础设施集成至多站点NFV生态系统

网络功能虚拟化（NFV）被认为是实现第五代移动通信网络（5G）的关键使能技术之一。该范式能够……

本方案旨在整合远程站点和垂直基础设施，即使这些资源位于其他城市或国家，也可将其纳入统一的网络功能虚拟化（NFV）生态系统中。该方案的主要优势在于能够促进协作式实验活动的开展，从而稳步扩充我们在NFV生态系统中的合法资源组合。该方案已成功支持了多项实验活动，应用于涉及5TONIC及垂直基础设施的研究项目，覆盖西班牙、欧洲以及巴西等地。现在可以准备实施即将开展的试验。为了生成一个VPN凭证，以便新基础设施在获取适当的IP地址范围后，能够与VPN服务器建立安全连接，从而将该站点集成到NFV生态系统中，请在VPN服务器上执行以下命令，并从提示的列表中选择“添加新客户端”选项。输入将与该凭证关联的名称，以生成包含VPN凭证的文件。按照所示命令对VPN凭证进行加密，以便通过安全可靠的渠道将该VPN凭证文件提供给外部站点的技术人员。设置加密密钥，并为加密文件命名，文件中包含 VPN 凭据。在新站点配置环境，以建立与 NFV 生态系统的连接，并允许远程 NFV 基础设施接入中心站点的 OSM 堆栈。在 VPN 端点中启用 IP 转发，以支持网络路由功能，输入命令以修改并加载更新后的系统配置。使用命令和加密密钥解密VPN凭据文件，并使用解密后的凭据文件启动OpenVPN软件。VPN终端将向VPN服务器进行身份验证，并自动获取相应的VPN配置参数和网络路由。要创建一个OpenStack项目，以指定将集成到NFV生态系统中的外部站点的计算资源集，请使用管理员凭据登录OpenStack系统的图形用户界面，点击“+ 创建项目”按钮以创建项目，填写屏幕上显示的表单中的请求信息；在“用户”选项卡中，点击“+ 创建用户”按钮，并在显示的表单的必填字段中输入适当的信息。选择新创建的项目作为主项目，并选择管理员角色，以创建一个有效的用户，该用户将管理上一步中创建的项目。为了修改安全规则，允许在新站点中进行VNF通信，请使用相应的登录信息访问OpenStack图形用户界面，然后依次选择项目、网络、安全组、管理规则，以及添加规则按钮。在规则下拉菜单中，选择SSH和所有ICMP选项。要在 OpenStack 中创建提供者网络，请单击管理员、网络、网络，然后单击加号创建网络。输入新网络的详细信息，并使用先前选定的 IP 地址范围。要创建第二个提供者网络，请单击管理员、网络、网络、加号创建网络，然后填写新网络的详细信息，并使用指定的地址范围。在与中心站点的技术人员共享VIN相关的信息后，使用OSM提供的命令行接口，将外部NFV基础设施连接到中心站点的OSM软件栈。为了验证NFV多站点平台，采用本图所示的真实垂直业务，首先从公共仓库下载智慧农业网络服务的VNF镜像；然后将其上传至对应站点的VIN，访问OSM命令行接口，并使用命令将各个构成该网络服务的VNF的VNF描述符接入OSM软件栈。然后，使用命令将网络服务描述符接入 OSM 堆栈。要部署智能农业网络服务，请通过 OSM 命令行接口运行命令，并指定用于托管每个 VNF 的 VIM。随后，使用命令检查网络服务是否已成功部署。按照指示在 OSM 命令行界面中输入命令，以获取每个 VNF 的 IP 地址信息。使用获取到的 IP 信息输入命令，访问 IOT 服务器 VNF，并按所示进行检查，确认该接口已配置为使用 MQTT 标准与 MQTT 网关 VNF 通信。输入命令以访问 MQTT 网关 VNF，并按指示运行命令，初始化 MQTT 网关 VNF，该网关将通过 MQTT 标准接收传感器生成的数据，并通过相同标准将这些数据传输至 IOT 服务器 VNF。通过将气象传感器连接到单板计算机上，并使其具备向 PMQTT 网关 VNF 传输传感器读数的收发能力，来准备一台单板计算机。使用小型无人驾驶航空器的移动应用程序，起飞搭载接入点 VNF 的航空器，并将其定位，以向带有传感器的单板计算机提供无线覆盖；将负责读取传感器所收集数据的单板计算机连接至接入点 VNF 提供的 Wi-Fi/无线接入点。成功连接后，将建立一条从传感器到 MQTT 网关 VNF 的无线网络路径。按照指示使用命令启动感知数据的传输，然后使用该命令和URL访问由物联网服务器VNF提供的Web图形用户界面。接着点击传感器的数据采集按钮，并验证仪表盘中图表的实时更新情况，以确认数据接收正常。等待适当的时间段，以获取智能农业服务执行的代表性结果。如本图所示，在打开的VPN监控工具中，可以观察到新站点已连接至VPN服务，从而实现其数据交换通信，并将新站点正确集成到NFV生态系统中。该网络服务支持将位于远程基础设施中的传感器信息传输至位于中心站点的服务器。此处展示了通过OSM网页图形用户界面成功部署网络服务的过程，表明实验可通过位于中心站点的nano stack，在新的远程基础设施中被正确实例化。在本图中，从传感器收集的温度、湿度和压力数据显示，该平台在引入新基础设施后，能够部署实用的网络服务，并正确实现站点之间的通信。该协议已用于支持智慧农业、汽车和公共安全等实际应用的实验，并为智慧城市、制造业或电子健康等其他众多应用奠定了基础。

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将5G实验基础设施集成到多站点NFV生态系统中

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将5G实验基础设施集成至多站点NFV生态系统

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