Summary
מטרת הפרוטוקול המתואר היא כפולה: כדי לקבוע תצורה של סביבת וירטואליזציה של פונקציות רשת באמצעות כלי רכב לא מאוישים כישויות חישוביות המספקות את המבנה הבסיסי לביצוע פונקציות רשת וירטואליזציה ולשימוש סביבה זו כדי לתמוך בפריסה האוטומטית של שירות טלפוניה בפרוטוקול אינטרנט פונקציונלי דרך כלי הרכב האוויריים.
Abstract
הפרדיגמה של וירטואליזציה של פונקציות רשת (NFV) היא אחד המפתחות המאפשרים טכנולוגיות בפיתוח שלהדור ה -5 של רשתות סלולריות. טכנולוגיה זו שואפת להפחית את התלות בחומרה במתן פונקציות ושירותים ברשת באמצעות טכניקות וירטואליזציה המאפשרות לsoftwarization של פונקציות אלה בשכבת הפשטה. בהקשר זה, קיים עניין גובר בחקירת הפוטנציאל של כלי רכב מאוישים (מל טים) להציע פלטפורמה גמישה המסוגלת לאפשר פעולות NFV חסכוניות על פני אזורים גיאוגרפיים מופרדים.
כדי להדגים את הכדאיות המעשית של ניצול טכנולוגיות NFV בפלטפורמות מזל ט, פרוטוקול מוצג כדי להגדיר סביבת NFV תפקודית המבוססת על טכנולוגיות קוד פתוח, שבו קבוצה של מטוסים קטנים מספקים את המשאבים החישוביים התומכים פריסה של שירותי רשת מורכבים בינוניים. לאחר מכן, הפרוטוקול מפרט את השלבים השונים הדרושים לתמיכה בפריסה האוטומטית של שירות טלפוניה בפרוטוקול אינטרנט (IP) ברשת של מטוסים מחוברים ביניהם, מינוף הקיבולות של סביבת NFV שהוגדרה. תוצאות הניסויים מדגימות את הפעולה התקינה של השירות לאחר פריסתו. למרות שהפרוטוקול מתמקד בסוג מסוים של שירות רשת (כלומר, טלפוניית IP), השלבים המתוארים עשויים לשמש כמדריך כללי לפריסת סוג אחר של שירותי רשת. מצד שני, תיאור הפרוטוקול מתייחס לציוד ולתוכנה מבטון כדי להגדיר את סביבת NFV (לדוגמה, מחשבי לוח יחיד ספציפיים ותוכנות קוד פתוח). הניצול של פלטפורמות חומרה ותוכנה אחרות עשוי להיות אפשרי, למרות שהיבט התצורה הספציפי של סביבת NFV ופריסת השירות עשויים להציג וריאציות ביחס לאלה המתוארות בפרוטוקול.
Introduction
אחת המטרות הנחשק ביותר בעידן החדש של התקשורת הניידת (הידועה ביותר בתור הדור הניידה -5 או 5g) היא להיות מסוגלת לספק שירותי טכנולוגיית מידע חזקים במצבים שבהם תשתית הטלקומוניקציה הראשית אינה יכולה להיות זמינה (למשל, עקב מקרה חירום). בהקשר זה, החברה מקבלים את תשומת הלב הגוברת מקהילת המחקר בשל רב-תכליתיות הטבועה בהם. ישנן עבודות רבות המשתמשות במכשירים אלה כאבן פינה למתן מגוון רחב של שירותים. למשל, הספרות ניתחו את היכולת של התקנים אלה כדי לבנות תשתית תקשורת אווירית להכיל שירותי מולטימדיה1,2,3. יתרה מזאת, המחקר הקודם הראה כיצד שיתוף הפעולה בין כמה מטוסים, יכול להאריך את הפונקציונליות של שירותי תקשורת שונים כגון מעקב4, חיפוש שיתופי והצלה5,6,7,8, או חקלאות9.
מצד שני, הטכנולוגיה NFV רכשה משמעות רבה בתוך מפעילי הטלקום כאחד המפתחות 5G מפתח. הפונקציה NFV מייצגת שינוי פרדיגמטי בנוגע לתשתית הטלקומוניקציה על-ידי הקלה על התלות הנוכחית של מכשירי רשת בחומרה מיוחדת באמצעות הsoftwarization של פונקציות הרשת. פעולה זו מאפשרת פריסה גמישה ומגמישה של סוגים חדשים של שירותי תקשורת. למטרה זו, הקימו מכון לתקני הטלקומוניקציה האירופי (ETSI) קבוצת מפרט להגדרת המסגרת האדריכלית של NFV10. בנוסף, ETSI מארחת כיום את הקבוצה קוד פתוח (OSM)11, שהוא אחראי על פיתוח מחסנית Nfv ניהול ו תזמור (מנו) החברה מיושר עם ההגדרה של המסגרת האדריכלית ETSI nfv.
בהתחשב בכל השיקולים הנ ל, ההתכנסות הסינרגיה בין מטוסים וטכנולוגיות NFV לומדים כעת בפיתוח יישומים ושירותים חדשניים של הרשת. הדבר מומחש על ידי מספר עבודות מחקר בספרות המצביעות על היתרונות של סוגים אלה של מערכות14,15,16, לזהות את האתגרים של ההתכנסות הזאת ואת ההיבטים החסרים שלה, להדגיש קווי מחקר עתידיים בנושא זה17, ולהציג פתרונות פיוניר בהתבסס על טכנולוגיות קוד פתוח.
במיוחד, השילוב של טכנולוגיות NFV לתוך הזירה מזל ט מאפשר פריסה מהירה וגמישה של שירותי רשת ויישומים על אזורים גיאוגרפיים מופרדים (למשל, שירות טלפוניה IP). בעקבות גישה זו, ניתן לפרוס מספר מל טים על מיקום מסוים, ולהעביר את פלטפורמות המחשוב כתוכן המנה (למשל, מחשבי לוח יחיד בגודל קטן). פלטפורמות מחשוב אלה יספקו תשתית רשת ניתנת לתיכנות (כלומר, תשתית NFV) באזור הפריסה, התומכת ביצירת מופעים של שירותי רשת ויישומים תחת שליטתה של פלטפורמת מנו.
על אף היתרונות, מימוש השקפה זו מציג מערכת של אתגרים בסיסיים שצריך לטפל בהם בקפידה, כגון השילוב המתאים של פלטפורמות מחשב אלה כתשתית NFV, באמצעות מחסנית תוכנה קיימת של NFV, כך ששירות תזמור NFV יכול לפרוס פונקציות וירטואליות ב-מל טים; האילוצים במונחים של המשאבים החישוביים המסופקים על-ידי פלטפורמות המחשוב, מאחר שהעברת המקורות האלה עשויה להציג בדרך כלל מגבלות מבחינת גודל, משקל וקיבולת מיחשוב של ציוד התוכן; המיקום הנכון של הפונקציות הווירטואליות ב-"מל טים" (כלומר, בחירת מועמד מזל ט הטוב ביותר לפריסת פונקציה וירטואלית מסוימת); תחזוקת התקשורת של הבקרה עם ה-מל טים כדי לנהל את מחזור החיים של ה-VNFs למרות הזמינות הפוטנציאלית של תקשורת רשת עמם (למשל, כתוצאה ממגבלות ניידות וסוללה); זמן הפעולה המוגבל של המל-טים עקב צריכת הסוללה שלהם; והגירה של הפונקציות הווירטואליות כאשר צריך להחליף את המל ט עקב מיצוי הסוללה. יתרונות ואתגרים אלה מפורטים בעבודה הקודמת18,19 הכולל את העיצוב של מערכת nfv מסוגל לתמוך הפריסה האוטומטית של פונקציות הרשת ושירותים על פלטפורמות מזל ט, כמו גם את האימות של הכדאיות המעשית של עיצוב זה.
בהקשר זה, נייר זה מתמקד בתיאור פרוטוקול כדי לאפשר את הפריסה האוטומטית של שירותי רשת מורכבים בינוניים ברשת של מטוסים באמצעות תקני NFV וטכנולוגיות קוד פתוח. כדי להמחיש את השלבים השונים של הפרוטוקול, מוצג מחדש של ניסוי המוצג Nogales ואח '19 מוצגת, המורכבת מפריסת שירות טלפוניה IP. כדי לסייע ליכולת הפעולה הזאת, הטיסה האמיתית נחשבת כאופציונלית בהליך המוצג, ותוצאות הביצועים מתקבלות עם מכשירי מזל ט על הקרקע. קוראי מתעניינים צריכים להיות מסוגלים לשכפל ולאמת את הביצוע של הפרוטוקול, אפילו בסביבת מעבדה מבוקרת.
איור 1 מדגים את שירות הרשת המיועד לפרוצדורה זו. שירות רשת זה בנוי כהרכב של יחידות softwarization ספציפיות (מסווגות בתוך הפרדיגמה של NFV כפונקציות רשת וירטואלית, או VNFs) ומספק את הפונקציונליות של שירות טלפוניה IP למשתמשים בקרבת מטוסים. ה-VNF ההלחנה של השירות מוגדרים כדלקמן:
- נקודת גישה VNF (AP-VNF): זה VNF מספק גישה Wi-Fi לציוד למשתמש הקצה (כלומר, טלפונים IP בניסוי זה).
- שרת טלפוניה IP VNF (IP-טלפוניה-שרת-VNF): היא אחראית לניהול הודעות איתות שיחה הוחלפו בין טלפונים IP כדי ליצור ולסיים שיחת קול.
- מערכת שם דומיין VNF (DNS-VNF): זה VNF מספק שירות זיהוי שמות, אשר בדרך כלל נחוץ בשירותי טלפוניה IP.
- נתב גישה VNF (AR-VNF): מספק פונקציות ניתוב רשת, תמיכה בחילופי תעבורה (כלומר, השיחה איתות בניסוי זה) בין טלפונים IP לבין התחום של מפעיל הטלקומוניקציה.
- נתב הליבה VNF (CR-VNF): מספק פונקציות ניתוב רשת בתחום מפעיל הטלקומוניקציה, המציע גישה לשירותים ספציפיים למפעיל (כלומר, שרת טלפוניה IP) ורשתות נתונים חיצוניים.
בנוסף, איור 1 מציג את המכשירים הפיזיים המשמשים לניסוי, כיצד הם מחוברים ביניהם וההקצאה הספציפית של vnfs להתקנים.
Protocol
1. דרישות מוקדמות לניסוי
- התקן את מחסנית התוכנה ניהול ותזמור (מנו) המסופקת על-ידי פרוייקט קוד פתוח (OSM). באופן ספציפי, ניסוי זה משתמש ב-OSM שחרור 420, אשר ניתן לבצע במחשב שרת יחיד או במחשב וירטואלי (VM) במילוי הדרישות שנקבעו על ידי קהילת Osm: אובונטו 16.04 כמערכת ההפעלה (תמונה 64-bit משתנה), שתי יחידות עיבוד מרכזי (cpu), 8 GB זיכרון גישה אקראית (RAM), דיסק של 40 GB אחסון, ו ממשק רשת יחיד עם גישה לאינטרנט. ההליך להתקין OSM שחרור 4 יחד עם הפרטים הטכניים שלה זמינים בתיעוד המקוון המסופק על ידי קהילת OSM21.
- הגדר פלטפורמת מיחשוב ענן, המספקת את הפונקציות של מנהל תשתית וירטואלית התואם ל-OSM Release 4. עבור ניסוי זה, OpenStack חסנית מהדורה Ocata22 משמש, פועל VM עם אובונטו 16.04 כמערכת ההפעלה, ארבע המעבדים, 16 GB זיכרון RAM, ו 200 gb דיסק אחסון. בניסוי, מנהל את תשתית NFV (NFVI) משולב על ידי שני מחשבים בעלי פרופיל גבוה, כל אחד עם אובונטו 16.04 כמו מערכת ההפעלה, שמונה המעבדים, 128 GB זיכרון RAM, ו 4 TB דיסק אחסון). כל המידע אודות אופן ההגדרה של פלטפורמת מיחשוב ענן נכלל במדריך ההתקנה הכלול בתיעוד OpenStack23. פלטפורמת ענן זו נקראת פלטפורמת הענן המרכזית.
- הגדרת פלטפורמת מחשוב ענן נוספת עבור המטה-מטוסים נקראת פלטפורמת הענן של מטוסים.
- ודא שפלטפורמה זו כוללת מסבים המבוססים על OpenStack שחרור מחסנית. במקרה זה, המשאבים בשימוש על-ידי ההתקנה ושבים הם אובונטו 16.04 כמערכת הפעלה, שתי יחידות המעבדים, 6 GB זיכרון RAM, 100 GB דיסק אחסון, ו-Wi-Fi USB מתאם חיצוני.
- NFVI משולב בפלטפורמת ענן זו מורכב שרת מחשוב קבוע אחד (אובונטו 16.04 כמערכת הפעלה, שמונה המעבדים, 8 GB זיכרון RAM, 128 GB דיסק אחסון, ו-Wi-Fi USB מתאם) ו שלושה מחשבי לוח יחיד (SBCs). האחרון מספק פלטפורמת חומרה שניתן לעלות עליה בקלות על מזל ט. ראה סעיף 3 להליך ההתקנה של פלטפורמת הענן של המל ט עם התקנים אלה כצמתי חישוב.
- צייד כל SBC עם חומרת אספקת חשמל לסוללה המצורפת לחלק העליון (HAT) כדי להבטיח את פעולת היחידות הללו גם כאשר הן בתנועה, הנישאים על-ידי מזל ט.
הערה: שלב 1.5 הוא אופציונלי מכיוון שמתן שירות הרשת בניסוי אינו תלוי בצורך בחוסר מטוסים. בנוסף, בקרי ה-SBCs מתבצעים כתוכן המנה של מטוסים ואין התקשרויות נוספות (לדוגמה, Ethernet או USB), מכיוון שתקשורת הרשת הדרושה עבור הפעולה התקינה של שירות טלפוניית IP מסופקת על-ידי ה 1.4-SBCs, באמצעות מתאמי ה-Wi-Fi שלהם וספק הכוח מסופק על-ידי - צרף כל SBC כמטען של מזל ט באמצעות אביזר תיקון. בניסוי זה נבחרו שלושה מטוסים מסחריים כדי להעביר את יחידות המחשוב המוצעות על ידי ה-SBCs.
- בחר שני טלפונים אלחוטיים מסוג voice-over-IP (VoIP) התומכים בתקן התקשורת האלחוטית IEEE 802.11 b; מודל זה מספק תקשורת אלחוטית באמצעות Wi-Fi. כחלופה, ניתן לבצע את שיחת הקול באמצעות יישומי טלפון, כגון Linphone24 או jitsi25.
- כדרישה ניסיונית, הקפד על הזמינות של: a) שכבה 3 תקשורת בין מחסנית התוכנה OSM ואת כל VIMs כדי לאפשר פריסה מתוזמר של שירות הרשת שפותחה עבור ניסוי זה, b) שכבה -3 תקשורת בין ה-OSM ו-VNFs בכל פלטפורמת ענן כדי לתמוך בהליכי תצורה של VNFS, ו-c) התקשורת layer-3 בקרב ה-VNFs הפועלת בכל מערכות הפעלה כדי לאפשר את תפקודו התקין של שירות הרשת.
- כל התוכן הדרוש כדי לבצע את הניסוי מסופק במאגר הניסוי הציבורי http://vm-images.netcom.it.uc3m.es/JoVE/.
2. אימות הפונקציונליות של היחידות הsoftwarization באמצעות אמולציה
הערה: כדי להוכיח את הפעולה המתאימה של שירות הרשת של הניסוי (ראה איור 1) בתנאי פריסה ריאליסטיים, פלטפורמת אמולציה ספציפית למטרה המבוססת על מכולות לינוקס26 ו-ns-327 נעשה שימוש. פלטפורמה זו מאפשרת חיקוי של קישורי אוויר מרובים והגדרת המאפיינים של קישורים אלה (למשל, אורך קישורי התקשורת האלחוטיים, דפוס הפסדים של מנות הנתונים, טכנולוגיית הרדיו המשמשת בתקשורת האלחוטית, וכו '). לפיכך, סעיף זה של הפרוטוקול מתאר את השלבים שבהם יש לבצע כדי לאמת את הפעולה המתאימה של שירות טלפוניה IP תחת תנאים מציאותיים של קישור תקשורת אלחוטית דרך פלטפורמת האמולציה.
- הורד את פלטפורמת האמולציה ממאגר הניסוי. הפלטפורמה זמינה כמכונה וירטואלית, בשם "מזל ט-nfv-יופיטר-ניסוי. qcow", תואם טכנולוגיית וירטואליזציה של KVM28. מחשב זה מכיל תבנית שנוצרה מראש אשר מחקה את שירות הרשת ואת התרחיש הרב-מזל המוצג באיור 1 ומשתמש בעל הרשאות מנהל המסוגל להפעיל תבנית זו.
הערה: כברירת מחדל, השלבים הבאים מופעלים באופן אוטומטי כאשר המחשב הווירטואלי של פלטפורמת האמולציה מופעל: a) הסביבה הווירטואלית מוגדרת לאפשר הדמיית רשת (כלומר, ממשקי רשת, לינוקס גשרים29); ב) מיכלי לינוקס המייצגים את הרכיבים הפיזיים השונים של המערכת (דהיינו, SBCs ושרת המחשוב הקבוע עבור פלטפורמת הענן של המל ט, ושרת המחשוב של פלטפורמת הענן המרכזית) נוצרים; ו-c) הפונקציות שסופקו על ידי VNFs שונים של שירות טלפוניה IP (כלומר, נקודות גישה, נתבים, DNS לשרת, ו-IP טלפוניה שרת) פרוסים כמו מכולות לינוקס על המקבילה שלהם SBCs ומחשב שרתים. - לפני תהליך האימות, הגדר רשת אווירית מרובת-דילוגים מדומה באמצעות סימולטור ns-3, כדי לאפשר את הקישוריות בין משתתפי הרשת השונים. הליך זה יחקות את התקשורת האלחוטית הריאליסטית המתרחשים בתרחיש המתואר באיור 1 (כלומר, רשת Wi-Fi אד הוק, המאפשרת חילופי נתונים בין הצמתים של פלטפורמת הענן של המל ט והרשתות האלחוטיות המוצעות על ידי שתי נקודות הגישה של האינטרנט האלחוטי המסופקות בשירות).
- צור רשת מרובת-דילוגים אווירית. למטרה זו, לבצע את multi-hop-aerial-net.sh script (זמין בתוך מכונת פלטפורמת האמולציה) באמצעות הפקודה הבאה: sudo sh/הביתה/jovevmssoplyaup.patalt-s\o-d > multi-hop-aerial-net-trace. log 2 > & 1 &. פקודה זו מתארת את מעקב ההדמיה בקובץ יומן הרישום שצוין כדי לאפשר איתור באגים במקרה של שגיאות.
- בדוק אם הרשת נוצרה בהצלחה. לשם כך, בדוק אם מיכלי הלינוקס "IP-phone-a" ו-"IP-phone-b" (מומחש באיור 1 כציוד משתמש הקצה המתחבר ל-AP-vnf) השיגו כתובת IP באמצעות שירות DHCP, הנגיש רק באמצעות רשת האוויר הרב-הופ. המצב של מכולה לינוקס בתוך מכונת האמולציה, כמו גם כתובות ה-IP שלהם, ניתן לבדוק באמצעות רשימת lxcפקודה.
- בדוק את הקיבולת של שירות הרשת המדומה כדי לעבד את הודעות האיתות הדרושות להגדרת שיחת טלפוניית IP. למטרה זו, הן "טלפון IP-a" ו "IP-phone-b" מכולות לינוקס התקינו את "SIPp" כלי30. "SIPp" מספק את הפונקציונליות לחקות טלפון IP יצירת הודעות איתות שהוזכרו, לשלוח אותם לשרת טלפוניה IP, ולעבד את התגובה כדי לאמת את הפעולה הנכונה של האחרון.
- לבצע את ה-script test-signaling.sh בשני מכולות, אשר מפעיל את "sipp" הכלי כדי ליצור ולשלוח הודעות איתות ל-IP-טלפוניה שרת-vnf.
- בדוק את מסך התרחיש שסופק על-ידי ביצוע השלב הקודם. קבלת הפנים של "200" תגובה מראה את התפקוד המתאים של ה-IP-טלפוניה שרת-VNF.
- ודא שלשירות הרשת יש אפשרות לעבד את תעבורת הנתונים שנוצרת במהלך שיחה של טלפוניית IP. כדי לעשות זאת, תזמון זרימת "Trafic" כלי31 מותקן "טלפון ip-a" ו-"ip-טלפון-b" מכולות לינוקס.
- בצע את הפקודה הבאה כדי להפעיל את סוכן השרת של Trafic: lxc EXEC IP-phone-b sh called-party.sh.
- לאחר מכן, בצע את הפקודה הבאה כדי להפעיל את סוכן הלקוח של Trafic ולקבל את סטטיסטיקת הרשת: lxc EXEC IP-טלפון-a sh caller.sh. תעבורת הנתונים הדמיית שיחה קולית מסתיימת לאחר 60 s. קובץ ה-script מציג הודעת אישור ומדדי הביצועים המשמעותיים ביותר בנוגע לתעבורת הקול.
- בדוק את המדדים שהושגו וודא ששירות טלפוניית IP יכול לתמוך באופן יעיל בשיחה קולית אינטראקטיבית. לשם כך, עיין במידע הכלול בסעיף על תוצאות מייצגות.
3. בניית פלטפורמת העננים המטים
- בחר את הדגם של SBC שיכול לספק את מצע הווירטואליזציה לביצוע VNFs קל. המפרט הטכני של התקני SBC שנוצל במהלך הניסוי הם: ארבע יחידות Cpu, 1 GB זיכרון RAM, ודיסק אחסון 32 GB. בנוסף, לכל SBC יש שלושה ממשקי רשת: ממשק Ethernet, ממשק Wi-Fi משולב ומתאם Wi-Fi USB חיצוני.
- הכן את ה-SBCs שישולבו לאחר מכן בפלטפורמת הענן של מטוסים.
- התקן אובונטו Mate32 16.04.6 כמערכת ההפעלה, בהינתן כי חבילות ההתקנה openstack כלולים בהפצה זו לינוקס.
- התקן והגדר את החבילות הנדרשות כמצוין בתיעוד OpenStack33 כדי לאפשר ל-sbcs לפעול כצמתי המחשוב של פלטפורמת הענן של המל ט. בעקבות המדריך הקודם, לאפשר ניצול של מכולות לינוקס בתצורת חבילות OpenStack. וירטואליזציה של גורם מכיל משמשת עקב אילוצי המשאבים של ההתקנים שניתן להשתמש בהם בדרך כלל באמצעות מטוסים בגודל קטן.
- ב-SBC, הורד והפעל את ה-script rpi-networking-configuration.sh, הזמין בתוך מאגר הניסויים. קובץ script זה מאפשר את התקשורת האלחוטית של SBCs, כמו גם את התצורה הדרושה כדי לאפשר יצירה של רשתות וירטואליות המחוברות לממשקים האלחוטיים.
- הורד והפעל את ה-script VIM-networking-configuration.sh, הזמין בתוך מאגר הניסוי, במחשב המארח המפעיל את פלטפורמת הענן של המל ט. קובץ script זה מפקח על הגדרת התקשורת האלחוטית של ה-ומעלה כדי לאפשר חילופי מידע עם SBCs.
הערה: לאחר שתצורת הרשת מוגדרת היטב ולקווים הקשורים ב-SBCs, המערכת משלבת אותם באופן אוטומטי לתוך פלטפורמת הענן של המל ט כיחידות חישוביות המסוגלות לבצע הפעלת VNFs
- צור אזור זמינות של OpenStack עבור כל אחד מ-SBCs. הדבר יאפשר פריסה של כל אחד מסוגי ה-VNFs הקלים של הניסוי ביחידת מזל ט מתאימה. לשם כך, היכנס לממשק המשתמש הגרפי באינטרנט שסופק על-ידי ה-b עם אישורי מנהל המערכת , צור את אזורי הזמינות בכרטיסיה מנהל ≫ ערכת > מארחים וערוך כל אזור זמינות כדי להוסיף את המחשב המארח המתאים (כלומר, כל SBC משולב בפלטפורמת הענן של המל ט).
- בדוק את הכיוונון הנכון של פלטפורמת הענן של המל ט. לשם כך, גש לכרטיסיה ' מידע מערכת ' ≫ מנהל > מערכת עם אותו כניסה כמו בשלב הקודם, ולחץ במקטע ' שירות מיחשוב וסוכני רשת ' כדי לבדוק שמצב הפריטים המוצגים הוא "חי" ו-"UP".
4. קביעת התצורה של הניסוי
- הורד את התמונות VNF המיישמים את הרכיבים השונים של שירות טלפוניה IP: AP-VNF, ה-DNS-VNF, IP-טלפוניה-שרת-VNF, AR-VNF, ו-CR-VNF. ניתן להוריד תמונות אלה ממאגר הניסויים.
- העלה את התמונות VNF לכתב שלהם והוא (כלומר, AP-VNF ו-DNS-VNF אל פלטפורמת המזל ט) ו-VoIP-VNF אל פלטפורמת ענן הליבה ועוד. לשם כך, התחבר לתוך ממשק המשתמש הגרפי של האינטרנט שסופק על-ידי כל מערכת האישורים עם אישורי מנהל המערכת, לחץ על הלחצן יצירת תמונה של מנהל הרשת > > המחשב , וצור תמונה באמצעות הטופס המוצג ובחירת התמונה המתאימה. תהליך זה נעשה בקווים המקבילים המתאימים לכל תמונה שהורדה בשלב הקודם.
- הורד את מתארי ה-VNF (VNFDs) של הניסוי ממאגר הניסויים. מתארים אלה מספקים את התבניות המתארות את הדרישות התפעוליות של VNF, כמו גם את מדיניות המיקום המציינת את אזור הזמינות האחראי לאירוח ה-VNF עצמו. מידע נוסף על מתארי NFV ניתן למצוא במודל המידע של OSM34.
- העלה את ה-VNFDs. השתמש בדפדפן אינטרנט כדי לגשת לממשק המשתמש הגרפי של OSM והיכנס עם אישורי מנהל המערכת. לאחר מכן, גרור ושחרר את ה-VNFDs לתוך הכרטיסיה חבילות Vnf .
- הורד את מתאר שירותי הרשת (NSD) ממאגר הניסויים. מתאר זה הוא תבנית המציינת את ה-VNFs הכולל את השירות, כמו גם את האופן שבו ה-VNFs מחוברים ביניהם.
- העלה את ה-NSD. גרור ושחרר את NSD לתוך הכרטיסייה חבילות NS של ממשק המשתמש הגרפי osm.
- באמצעות ממשק המשתמש הגרפי של OSM, להוסיף חשבון ושוב לפלטפורמת ה-מזל ט ולמרכז הענן. לשם כך, גש לכרטיסיה ' חשבונות מוצגים ' עם אישורי מנהל המערכת, לחץ על הלחצן + חדש ולאחר מכן השלם את הטופס המוצג עם המידע המבוקש. חזור על פעולה זו עבור שניהם VIMs.
5. ביצוע הניסוי
- פרוס את שירות הרשת. מתוך הכרטיסייה חבילות ns של ממשק המשתמש הגרפי osm, לחץ על כפתור NS להפעיל של nsd הועלה בשלב 4.6. לאחר מכן, למלא את הטופס המוצג, המציין את ובכן כי ישמש כדי לפרוס כל VNF כתיבת ה-NS. בנוסף, OSM אחראי על עיבוד מדיניות המיקום המצוין VNFDs כדי לציין את בעלי הזמינות באזור (כלומר, יחידת מחשב ב testbed שלנו) הוא אחראי על אירוח כל VNF. עבור ניסוי זה, ה-VNFs ממוקמים ביחידות המחשוב כפי שמודגם באיור 1.
הערה: כשיטה חלופית, OSM מספק ממשק שורת פקודה המאפשר אינטראקציה ישירה של המשתמש. משתמש שכפול ניסוי זה יכול להשתמש בממשק שורת פקודה זה, במקום בממשק הגרפי, כדי לבצע את השלבים השונים המוגדרים בפרוטוקול זה, במיוחד את השלבים הקשורים ב-ביצוע מתאר VNF או NS, כמו גם פריסת . שירות רשת - המתן עד שממשק המשתמש הגרפי OSM יציין את ההצלחה בפריסת שירות הרשת.
הערה: הפעלת שירות הרשת אינה תלויה באופן מוחלט מטיסת ה-"מל טים": ניתן לספק את שירות טלפוניית ה-IP כאשר ה-מטוסים טסים או שומרים צריכת סוללה הניצבת על פני שטח. כך, שלב 5.3 הוא אופציונלי. - . הוריד את מטוסים החוץ היכנס לאפליקציה הניידת ושלוט על הטיסה של כל המל ט כדי לשמור עליה באופן בלתי רגיל ולמנוע את המערבולת הנגרמת על ידי סיבוב המנועים הקרוב למשטח.
- הכן כל אחד ממכשירי ה-IP כדי לבצע את השיחה.
- חבר טלפון VoIP אלחוטי לכל אחת מנקודות הגישה המוצעות על-ידי שירות הרשת. למטרה זו, ציין את ה-SSID (מזהה ערכת שירות) בתפריט ≫ הכרטיסיה > אלחוטית של ssid ובחר במצב תשתית בתפריט > ל> מצב רשת אלחוטי . לבסוף, בחר את תצורת העבודה ברשת באמצעות פרוטוקול תצורת המחשב המארח הדינאמי (DHCP) בכרטיסיה ≫ Net הגדרות > ממצב רשת .
- הגדר את הפרמטרים של פרוטוקול אתחול ההפעלה (SIP) כדי לאפשר את ההחלפה המתאימה של הודעות איתות עם שרת טלפוניית IP. בהקשר זה, גישה לתפריט > לשונית הגדרות SIP ולציין את שם המחשב המארח של שרת טלפוניית ip vnf ("dronesVoIP.net ") בכרטיסיות ה-ip של הרשם > ושרת proxy > פרוקסי ip . בנוסף, צור חשבון משתמש המציג את שם המשתמש (לדוגמה, המתקשר-A) בחשבון המשתמש ≫ מספר הטלפון וחשבון משתמש > מקטעים של Username .
- צור ערך בספר הטלפונים של אחד ממכשירי ה-IP המספקים את המידע של המשתמש שייקרא. לשם כך, בחר את התפריט > פנקס הטלפונים > הוסיף כרטיסיה הוסף ערך ומלא את הפרמטרים המבוקשים המופיעים בתצוגה כדלקמן: שם התצוגה = המתקשר-B; פרטי משתמש = המתקשר-B; מארח IP = dronesVoIP.net; פורט = 5060. לבסוף, בחר את האפשרות "פרוקסי" לעומת P2P (עמית לעמית).
- . תתחיל את השיחה למסיבה השניה לשם כך, בחר באפשרות השיחה שנקראה באמצעות תפריט ≫ ספר טלפונים > החיפוש של טלפון ה-IP. לאחר מכן, לחץ על לחצן השיחה. ברגע שהטלפון האחר של ה-IP מתחיל לצלצל, קבל את השיחה הנכנסת עם לחצן השיחה.
6. נוהל איסוף תוצאות נסיוניות
- חבר מחשב נישא של הסחורה לאחת מנקודות הגישה האלחוטיות והפעל את כלי שורת הפקודה ping לכתובת ה-IP של הטלפון המחובר לנקודת הגישה האחרת במהלך 180 s. ניתן לבדוק את כתובת ה-IP בתפריט ≫ מידע > כתובת ip של טלפון ip לאחר שנוצר החיבור עם AP. שמור את מדידות זמן הסיבוב העגול (rtt), ניתוב מראש של הפלט המסופק על-ידי הכלי ping לקובץ.
- הפעל את כלי שורת הפקודה tcpdump באחד מרכיבי AP vnfs הפועלים כדי ללכוד את התעבורה שמוחלף במהלך שיחת ה-IP. שמור תעבורה זו בקובץ המאפשר את דגל הכתיבה של כלי שורת הפקודה בזמן ההפעלה וציון שם הקובץ.
- בצע שיחת טלפוניה חדשה ב-IP. שמור על הקריאה לתקופת הזמן הרצויה (לדוגמה, 1 דקות). לאחר מכן, סיים את השיחה, לחיצה על לחצן ניתוק של אחד ממכשירי ה-IP.
- שמור את הקבצים שנוצרו על-ידי הכלים tcpdump ו- ping לצורך עיבוד נוסף. ראה תוצאות מייצגות.
Representative Results
בהתבסס על הנתונים שהושגו במהלך ביצוע הניסוי, בו מבוצע שיחת VoIP אמיתית ובעקבות השלבים המצוינים על-ידי הפרוטוקול לאיסוף מידע זה, איור 2 מתאר את פונקציית ההתפלגות המצטברת של ההשהיה מקצה לקצה הנמדדת בין שני פריטי ציוד של משתמש קצה (כלומר, מחשב נייד של סחורה וטלפון IP) ציוד משתמש זה מייצג שני התקנים המחוברים ביניהם באמצעות AP VNFs של שירות הרשת שנפרס. יותר מ 80% של מדידות ההשהיה מקצה לקצה היו מתחת 60 ms, ואף אחד מהם לא היה גבוה יותר 150 ms, אשר מבטיח מדדי עיכוב המתאים לביצוע שיחה קולית.
איור 3 ממחיש את חילופי הודעות DNS ו-SIP איתות. הודעות אלה מתאימות לרישום של אחד המשתמשים בשרת טלפוניה IP (כלומר, המשתמש שהטלפון ה-IP שלו מחובר ל-AP VNF שבו הכלי "tcpdump" פועל) ולהקמת שיחת הקול.
לבסוף, איור 4 ואיור 5 הצג את תעבורת הנתונים שנלכדה במהלך השיחה. בפרט, הראשון מייצג את הזרם הקבוע של מנות קוליות ששודרו והתקבלו על ידי אחד הטלפונים האלחוטיים במהלך השיחה, ואילו האחרון ממחיש את להתעצבן בכיוון הקדמי עם ערך ממוצע נמוך יותר מ 1 ms.
התוצאות שהתקבלו בניסוי עבור דמויות עיכוב (עיכוב קצה לקצה ולהתעצבן) לספק את ההמלצות שנקבעו על ידי איגוד הטלקומוניקציה הבינלאומי-מגזר התקינה של התקשורת (ITU-T)35. בהתאם לכך, השיחה הקולית התקדמה ללא תקלות ואיכות צליל טובה. ניסוי זה אימת את הכדאיות המעשית של שימוש בטכנולוגיות NFV ו-מל טים כדי לפרוס שירות טלפוניה IP פונקציונלי.
איור 1: מבט כולל על שירות הרשת, המתאר את ה-VNFs, הישויות שבהן הם מופעלים והרשתות הווירטואליות הדרושות לאספקת שירות טלפוניית IP. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: השהיה מקצה לקצה. ייצוג ההשהיה מקצה לקצה המוצעת לציוד משתמש הקצה המחובר ל-AP VNFs. למטרה זו, פונקציית ההתפלגות המצטברת של ההשהיה מקצה לקצה חושבה מדגימות ה-RTT הנמדדות שהתקבלו עם כלי שורת הפקודה "ping". אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: רישום משתמש ושיחות איתות הודעות. איור של תעבורת האיתות (DNS ו-SIP) הוחלף כדי לרשום משתמש בשרת טלפוניית IP וליצור ולסיים את הפעלת המולטימדיה התומכת בביצוע השיחה הקולית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: זרם של מנות קוליות. ייצוג התנועה הקולית המוחלף במהלך השיחה, שנמדד באחד מרכיבי ה-AP VNFs. (קיצורים: RX = קבל, RX = שידור, RTP = פרוטוקול תעבורה בזמן אמת). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: האבולוציה של הרשת להתעצבן במהלך השיחה. ייצוג של להתעצבן מנוסה על ידי מנות קול המשודר בכיוון הקדמי מטלפון אחד לשני. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Discussion
אחד ההיבטים החשובים ביותר של ניסוי זה הוא השימוש בטכנולוגיות וירטואליזציה ובתקני NFV עם פלטפורמות מזל ט. NFV מציג פרדיגמה חדשה במטרה לזיווג את התלות בחומרה של הרשת פונקציונליות, ובכך מאפשר את האספקה של פונקציונליות אלה דרך softwarization. בהתאם לכך, הניסוי אינו תלוי בשימוש בציוד החומרה המצוין בפרוטוקול. לחילופין, ניתן לבחור מודלים שונים של מחשבי לוח בודדים, כל עוד הם בקנה אחד עם הממדים וקיבולת ההובלה של מטוסים ותומכים במכולות לינוקס.
על אף הגמישות הזאת במונחים של בחירת החומרה, כל התוכן המסופק עבור האפשרות החדשה של הניסוי מכוון לעבר השימוש בטכנולוגיות קוד פתוח. בהקשר זה, היבטי התצורה וכלי התוכנה ממוזגים לשימוש בלינוקס כמערכת ההפעלה.
מצד שני, הניסוי מחשיב את הפעילות ההדדית של שתי פלטפורמות חישוביות שונות (דהיינו, פלטפורמת הענן של המל ט ופלטפורמת הענן המרכזית) כדי לספק שירות רשת מורכב בינוני. עם זאת, אין צורך לעשות זאת באופן מדויק, וניתן לעקוב אחר הפרוטוקול כדי לתמוך בתרחישים שבהם מעורב רק פלטפורמת הענן של המל ט.
בנוסף, הפתרון המוצג עשוי לשמש בסביבות אחרות, בהן פלטפורמות חומרה מוגבלת למשאבים עשויות להיות זמינות עם היכולת הדרושה לביצוע מכולות וירטואליזציה (לדוגמה, האינטרנט של דברים, או הרבה, סביבות). בכל מקרה, תחולתה של פתרון זה לסביבות שונות ולעיבודים הפוטנציאליים שלה ידרוש מחקר קפדני באופן מקרי לחלוטין.
לבסוף, יש לציין כי התוצאות המוצגות התקבלו בסביבת מעבדה ועם מכשירי המזל ט מבוססים או בעקבות תוכנית טיסה מוגבלת ומוגדרת היטב. תרחישים אחרים הכרוכים בפריסות חוצות עשויים להציג תנאים המשפיעים על יציבות הטיסה של מטוסים, ומכאן הביצועים של שירות טלפוניה IP.
Disclosures
. למחברים אין מה לגלות
Acknowledgments
עבודה זו הייתה נתמכת באופן חלקי על ידי פרויקט H2020 5GRANGE האירופי (גרנט הסכם 777137), ועל ידי פרויקט 5GCIty (TEC2016-76795-C6-3-R) ממומן על ידי משרד הכלכלה הספרדי תחרותיות. העבודה של לואיס פ. גונזלס נתמכת באופן חלקי על ידי פרויקט H2020 5GinFIRE האירופי (גרנט הסכם 732497).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AR. Drone 2.0 - Elite edition | Parrot | UAV used in the experiment to transport the RPis and thus, provide mobility to the compute units of the UAV cloud platform. | |
| Bebop 2 | Parrot | UAV used in the experiment to transport the RPis and thus, provide mobility to the compute units of the UAV cloud platform. | |
| Commercial Intel Core Mini-ITX Computer | Logic Suppy | Computer server which hosts the OpenStack controller node (being executed as a VM) of the experiment's UAV cloud platform. In addition, another unit of this equipment (along with the RPis) conforms the computational resources of the UAV cloud platform. | |
| Linux Containers (LXC) | Canonical Ltd. | (Software) Virtualization technology that enables the supply of the Virtual Network Functions detailed in the experiment. Source-code available online: https://linuxcontainers.org | |
| Lithium Battery Pack Expansion Board. Model KY68C-UK | Kuman | Battery-power supply HAT (Hardware Attached on Top) for the computation units of the UAV cloud platform (i.e., the Raspberry Pis). In addition, this equipment encompasses the case used to attach the compute units (i.e., the Raspberry PIs or RPis) to the UAVs. | |
| MacBook Pro | Apple | Commodity laptop utilized during the experiment to obtain and gather the results as described in the manuscript. | |
| ns-3 Network Simulator | nsnam | (Software) A discrete-event simulator network simulator which provides the underlying communication substrate to the emulation station explained in the "Protocol" section (more specifically in the step "2. Validate the functionality of the softwarization units via Emulation"). Source-code available online: https://www.nsnam.org | |
| Open Source MANO (OSM) - Release FOUR | ETSI OSM - Open source community | (Software) Management and Orchestration (MANO) software stack of the NFV system configured in the experiment. Source-code available online: https://osm.etsi.org/wikipub/index.php/OSM_Release_FOUR | |
| OpenStack - Release Ocata | OpenStack - Open source community | (Software) Open source software used for setting up both the UAV cloud platform and the core cloud within the experiment. Source-code available online: https://docs.openstack.org/ocata/install-guide-ubuntu | |
| Ping | Open source tool | (Software) An open source test tool, which verifies the connectivity between two devices connected through a communications network. In addition, this tool allows to assess the network performance since it calculates the Round Trip Time (i.e., the time taken to send and received a data packet from the network). Source-code available online: https://packages.debian.org/es/sid/iputils-ping | |
| Power Edge R430 | Dell | High-profile computer server which provides the computational capacity within the core cloud platform presented in the experiment. | |
| Power Edge R630 | Dell | Equipment used for hosting the virtual machine (VM) on charge of executing the MANO stack. In addition, the OpenStack controller node is also executed as a VM in this device. Note that the use of this device is not strictly needed. The operations carried out by this device could be done by a lower performance equipment due to the non-high resource specifications of the before mentioned VMs. | |
| Prestige 2000W | ZyXEL | Voice over IP Wi-FI phone, compatible with the IEEE 802.11b wireless communications standard. This device is utilized to carry out the VoIP call through the network service hosted by platform described for the execution of the experiment. | |
| Raspberry PI. Model 3b | Raspberry Pi Foundation | Selected model of Single Board Computer (SBC) used for providing the computational capacity to the experiment's UAV cloud platform. | |
| SIPp | Open source tool | (Software) An open source test tool, which generates SIP protocol traffic. This tool allows to verify the proper support of the signalling traffic required in an IP telephony service such as the one deployed in the experiment. Source-code available online: http://sipp.sourceforge.net | |
| Tcpdump | Open source tool | (Software) An open source tool that enables the capture and analysis of the network traffic. Source-code available online: https://www.tcpdump.org | |
| Trafic | Open source tool | (Software) An open souce flow scheduler that is used for validating the capacity of the network service deployed to process data traffic generated during an IP telephony call. Source-code available online at: https://github.com/5GinFIRE/trafic |
References
- Sanchez-Aguero, V., Nogales, B., Valera, F., Vidal, I. Investigating the deployability of VoIP services over wireless interconnected Micro Aerial Vehicles. Internet Technology Letters. 1 (5), 40 (2018).
- Maxim, V., Zidek, K. Design of high-performance multimedia control system for UAV/UGV based on SoC/FPGA Core. Procedia Engineering. 48, 402-408 (2012).
- Vidal, I., et al. Enabling Multi-Mission Interoperable UAS Using Data-Centric Communications. Sensors. 18 (10), 3421 (2018).
- Vidal, I., Valera, F., Díaz, M. A., Bagnulo, M. Design and practical deployment of a network-centric remotely piloted aircraft system. IEEE Communications Magazine. 52 (10), 22-29 (2014).
- Jin, Y., Minai, A. A., Polycarpou, M. M. Cooperative real-time search and task allocation in UAV teams. 42nd IEEE International Conference on Decision and Control. 1, IEEE. IEEE Cat. No. 03CH37475 7-12 (2003).
- Maza, I., Ollero, A. Multiple UAV cooperative searching operation using polygon area decomposition and efficient coverage algorithms. Distributed Autonomous Robotic Systems. 6, Springer. Tokyo. 221-230 (2007).
- Quaritsch, M., et al. Collaborative microdrones: applications and research challenges. Proceedings of the 2nd International Conference on Autonomic Computing and Communication Systems. , ICST (Institute for Computer Sciences, Social-Informatics and Telecommunications Engineering. 38 (2008).
- Waharte, S., Trigoni, N., Julier, S. Coordinated search with a swarm of UAVs. 2009 6th IEEE Annual Communications Society Conference on Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks Workshops. , IEEE. 1-3 (2009).
- De Freitas, E. P., et al. UAV relay network to support WSN connectivity. International Congress on Ultra-Modern Telecommunications and Control Systems. , IEEE. 309-314 (2010).
- European Telecommunications Standards Institute. Network Functions Virtualisation (NFV); Architectural Framework; Research Report ETSI GS NFV 002 V1.2.1. European Telecommunications Standards Institute. (ETSI). , (2014).
- An Open Source NFV Management and Orchestration (MANO) software stack aligned with ETSI NFV. ETSI OSM. , Available from: https://osm.etsi.org/ (2019).
- Nogales, B., et al. Design and Deployment of an Open Management and Orchestration Platform for Multi-Site NFV Experimentation. IEEE Communications Magazine. 57 (1), 20-27 (2019).
- Omnes, N., Bouillon, M., Fromentoux, G., Le Grand, O. A programmable and virtualized network & IT infrastructure for the internet of things: How can NFV & SDN help for facing the upcoming challenges. 18th International Conference on Intelligence in Next Generation Networks. , IEEE. 64-69 (2015).
- Rametta, C., Schembra, G. Designing a softwarized network deployed on a fleet of drones for rural zone monitoring. Future Internet. 9 (1), 8 (2017).
- Garg, S., Singh, A., Batra, S., Kumar, N., Yang, L. T. UAV-empowered edge computing environment for cyber-threat detection in smart vehicles. IEEE Network. 32 (3), 42-51 (2018).
- Mahmoud, S., Jawhar, I., Mohamed, N., Wu, J. UAV and WSN softwarization and collaboration using cloud computing. 3rd Smart Cloud Networks & Systems (SCNS). , IEEE. 1-8 (2016).
- González Blázquez, L. F., et al. NFV orchestration on intermittently available SUAV platforms: challenges and hurdles. 1th Mission-Oriented Wireless Sensor, UAV and Robot Networking (MISARN). , IEEE. (2019).
- Nogales, B., Sanchez-Aguero, V., Vidal, I., Valera, F., Garcia-Reinoso, J. A NFV system to support configurable and automated multi-UAV service deployments. Proceedings of the 4th ACM Workshop on Micro Aerial Vehicle Networks, Systems, and Applications. , ACM. 39-44 (2018).
- Nogales, B., Sanchez-Aguero, V., Vidal, I., Valera, F. Adaptable and automated small UAV deployments via virtualization. Sensors. 18 (12), 4116 (2018).
- Hoban, A., et al. An ETSI OSM Community White Paper, OSM Release FOUR: A Technical Overview. European Telecommunications Standards Institute. (ETSI). , Whitepaper (2018).
- Quick start installation and use guide. Open Source MANO Release FOUR. , Available from: https://osm.etsi.org/wikipub/index.php/OSM_Release_FOUR (2019).
- Open Source Software for Creating Private and Public Clouds. OpenStack. , Available from: https://docs.openstack.org/ocata (2019).
- OpenStack Installation Tutorial for Ubuntu. OpenStack. , Available from: https://docs.openstack.org/ocata/install-guide-ubuntu/ (2019).
- Linphone. An Open Source VoIP SIP Softphone for voice/video calls and instant messaging. Linphone. , Available from: https://www.linphone.org (2019).
- An Open Source Project to easily build and deploy secure video-conferencing solutions. Jitsi. , Available from: https://jitsi.org (2019).
- Infrastructure for container projects. Linux Containers (LXC). , Available from: https://linuxcontainers.org (2019).
- A Discrete-Event Network Simulator for Internet Systems. Ns-3. , Available from: https://www.nsnam.org/ (2019).
- Kernel-based Virtual Machine (KVM). A virtualization solution for Linux. Linux. , Available from: https://www.linux-kvm.org (2019).
- Bridging & firewalling. Linux Foundation. , Available from: https://wiki.linuxfoundation.org/networking/bridge (2019).
- An Open Source test tool and/or traffic generator for the SIP protocol. SIPp. , Available from: http://sipp.sourceforge.net/ (2019).
- Trafic. An open source flow scheduler. , Available from: https://github.com/5GinFIRE/trafic (2019).
- Ubuntu Mate for the Raspberry Pi. , Available from: https://ubuntu-mate.org/raspberry-pi/ (2019).
- Enabling LXC (Linux Containers) as virtualization technology. OpenStack. , Available from: https://docs.openstack.org/ocata/config-reference/compute/hypervisor-lxc.html (2019).
- Open Source MANO Information Model. , Available from: https://osm.etsi.org/wikipub/index.php/OSM_Information_Model (2019).
- ITU-T. ITU-T Recommendation G.114. General Recommendations on the transmission quality for an entire international telephone connection; One-way transmission time. International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector. , (2003).
