Summary
説明したプロトコルの目的は、無人航空機を使用してネットワーク機能の仮想化環境を構成し、仮想化されたネットワーク機能を実行し、この環境は、航空機を介した機能的なインターネット プロトコル テレフォニー サービスの自動展開をサポートします。
Abstract
ネットワーク機能仮想化 (NFV) パラダイムは、第5 世代のモバイル ネットワークの開発における主要なテクノロジの 1 つです。この技術は、抽象化層を介してそれらの機能のソフトウォーリゼーションを可能にする仮想化技術を使用して、ネットワーク機能およびサービスの提供におけるハードウェアへの依存を軽減することを目的としています。この文脈では、無人航空機(UAV)の可能性を探求し、限られた地理的領域に対して費用対効果の高いNFV運用を可能にする柔軟なプラットフォームを提供することに対する関心が高まっています。
UAVプラットフォームでNFV技術を利用する実用的な実現可能性を実証するために、一連の小規模なUAVがサポートする計算リソースを供給するオープンソース技術に基づいて機能的なNFV環境をセットアップするためのプロトコルが提示されます。中程度に複雑なネットワーク サービスの展開。次に、プロトコルは、構成された NFV 環境の容量を活用して、相互接続された UAV のネットワーク上でインターネット プロトコル (IP) テレフォニー サービスの自動展開をサポートするために必要なさまざまな手順を詳しく説明します。実験結果は、展開後のサービスの適切な動作を示します。プロトコルは特定の種類のネットワーク サービス (IP テレフォニー) に重点を置いていますが、説明されている手順は、他の種類のネットワーク サービスを展開するための一般的なガイドとして役立つ場合があります。一方、プロトコル記述は、NFV環境(例えば、特定の単一ボードコンピュータおよびオープンソースソフトウェア)をセットアップするための具体的な機器とソフトウェアを考慮する。他のハードウェアおよびソフトウェア プラットフォームの使用は実現可能な場合がありますが、NFV 環境およびサービス展開の特定の構成の側面は、プロトコルに記述されているものに関してバリエーションを提示する場合があります。
Introduction
モバイル通信の新しい時代における最も切望された目標の1つ(最も一般的には第5のモバイル世代または5G)は、主要な通信インフラが利用できない状況(緊急事態など)で堅牢な情報技術サービスを提供できるようにすることです。この文脈で、UAVは、その本来の汎用性のために研究コミュニティからますます注目を集めています。多種多様なサービスを提供するための基礎として、これらのデバイスを使用する多くの作品があります。例えば、文献は、マルチメディアサービス1、2、3に対応する空中通信インフラストラクチャを構築するために、これらのデバイスの容量を分析しました。さらに、以前の研究では、監視4、共同捜索救助5、6、7、8、またはアグリビジネス9などの異なる通信サービスの機能を拡張する方法を複数のUAV間の協力がどのように拡張できるかを示しています。
一方、NFV技術は、通信事業者の中で5Gキーイネーブラーの1つとして大きな意義を獲得しています。NFVは、ネットワーク機能のソフトウォーリゼーションを通じて、特殊なハードウェアに対するネットワークアプライアンスの現在の依存性を緩和することにより、通信インフラに関するパラダイムな変化を表しています。これにより、新しい種類の通信サービスを柔軟かつ迅速に展開できます。この目的のために、欧州電気通信規格協会(ETSI)は、NFVアーキテクチャフレームワーク10を定義する仕様グループを形成した。さらに、ETSI は現在、ETSI NFV アーキテクチャ フレームワークの定義に合わせて NFV 管理およびオーケストレーション (MANO) ソフトウェア スタックの開発を担当するオープン ソース Mano (OSM) グループ11をホストしています。
前述のすべての考慮事項を考えると、UAVとNFV技術の相乗的な収束は、現在、新しいネットワークアプリケーションやサービスの開発で研究されています。これは、これらのタイプのシステム14、15、16の利点を指摘する文献のいくつかの研究作品によって示され、この収束の課題とその欠落の側面を特定し、このトピック17に関する将来の研究ラインを強調し、オープンソース技術に基づく現在のパイオニアソリューションを提示する。
特に、NFVテクノロジをUAV分野に統合することで、区切られた地理的領域(IPテレフォニーサービスなど)を介してネットワークサービスとアプリケーションを迅速かつ柔軟に展開できます。このアプローチに従って、多数の UAV を特定の場所に展開し、コンピューティング プラットフォームをペイロードとして転送できます (小型のシングル ボード コンピューターなど)。これらのコンピューティング プラットフォームは、展開領域上にプログラム可能なネットワーク インフラストラクチャ (NFV インフラストラクチャ) を提供し、MANO プラットフォームの制御下にあるネットワーク サービスとアプリケーションのインスタンス化をサポートします。
利点にもかかわらず、このビューの実現は、NFV オーケストレーション サービスが UAV に仮想機能を展開できるように、NFV インフラストラクチャとしてのこれらのコンピューティング プラットフォームを NFV インフラストラクチャとして適切に統合するなど、慎重に対処する必要がある一連の基本的な課題を提示します。コンピューティング プラットフォームによって提供される計算リソースに関する制約は、通常、それらを輸送する UAV がペイロード機器のサイズ、重量、およびコンピューティング能力の面で制限を設ける可能性があるためです。UAV への仮想関数の適切な配置 (つまり、特定の仮想関数を展開するための最適な UAV 候補を選択する)。VNF とのネットワーク通信の断続的な可用性 (モビリティやバッテリの制約など) にもかかわらず、VNF のライフサイクルを管理するために UAV との制御通信の保守。そのバッテリー消費によるUAVの限られた動作時間;また、バッテリーの枯渇のために UAV を交換する必要がある場合の仮想機能の移行。これらの利点と課題は、UAVプラットフォーム上のネットワーク機能およびサービスの自動展開をサポートできるNFVシステムの設計、ならびにこの設計の実用的な実現可能性の検証を含む、前の作業18、19で詳しく説明されている。
このホワイト ペーパーでは、NFV 標準とオープン ソース テクノロジを使用して、UAV のネットワーク上で中程度に複雑なネットワーク サービスを自動的に展開できるようにするプロトコルについて説明します。プロトコルの異なるステップを例示するために、Nogales et al.19で提示された実験の再精巧化が提示され、IPテレフォニーサービスの展開からなる。この作業の再現性を高めるために、実際の飛行は提示された手順ではオプションと見なされ、地上のUAVデバイスで性能結果が得られます。関心のある読者は、制御されたラボ環境でも、プロトコルの実行を複製して検証できる必要があります。
図 1は、この手順用に設計されたネットワーク サービスを示しています。このネットワーク サービスは、特定のソフトワー化ユニット (仮想ネットワーク関数 (VNF) として NFV パラダイム内に分類) の構成として構築され、UAV の近くにあるユーザーに IP テレフォニー サービスの機能を提供します。サービスを構成する VNF は、次のように定義されます。
- アクセス ポイント VNF(AP-VNF):この VNF は、エンドユーザ機器(この実験では IP フォン)に Wi-Fi アクセス ポイントを提供します。
- IP テレフォニー サーバ VNF(IP-テレフォニー サーバ VNF): IP 電話間で交換されるコール シグナリング メッセージを管理して、音声コールを確立および終了します。
- ドメイン ネーム システム VNF (DNS-VNF): この VNF は、通常、IP テレフォニー サービスで必要な名前解決サービスを提供します。
- アクセス ルータ VNF(AR-VNF):IP 電話と通信オペレータ ドメイン間のトラフィック交換(この実験ではコール シグナリング)をサポートするネットワーク ルーティング機能を提供します。
- コア ルータ VNF(CR-VNF):通信オペレータ ドメインのネットワーク ルーティング機能を提供し、オペレータ固有のサービス(IP テレフォニー サーバ)および外部データ ネットワークへのアクセスを提供します。
さらに、図 1は、実験に使用される物理デバイス、それらが相互接続される方法、および VNF をデバイスに割り当てることを示しています。
Protocol
1. 実験の事前必要条件
- オープンソース MANO (OSM) プロジェクトによって提供される管理とオーケストレーション (MANO) ソフトウェア スタックをインストールします。具体的には、この実験では、OSM リリース FOUR20を使用して、OSM コミュニティで指定された要件を満たす単一サーバー コンピューターまたは仮想マシン (VM) で実行できます。OSM リリース FOUR とその技術的な詳細をインストールする手順は、OSM コミュニティ21が提供するオンライン ドキュメントで参照できます。
- OSM リリース FOUR に準拠した仮想インフラストラクチャ マネージャー (VIM) の機能を提供するクラウド コンピューティング プラットフォームをセットアップします。この実験では、OpenStack リリースの Ocata22が使用され、オペレーティング システムとして Ubuntu 16.04、4 つの CPU、16 GB RAM、および 200 GB ストレージ ディスクを搭載した VM で実行されます。実験では、VIMは2台の注目度の高いサーバーコンピュータによって統合されたNFVインフラストラクチャ(NFVI)を管理し、それぞれにUbuntu 16.04をオペレーティングシステムとして、8つのCPU、128 GB RAM、および4 TBのストレージディスクを使用します。クラウド コンピューティング プラットフォームのセットアップ方法に関するすべての情報は、OpenStack ドキュメント23に含まれているインストール ガイドに含まれています。このクラウド プラットフォームは、コア クラウド プラットフォームと呼ばれます。
- UAV 用の追加のクラウド コンピューティング プラットフォームをセットアップするには、UAV クラウド プラットフォームと呼ばれます。
- このプラットフォームが OpenStack リリース Ocata に基づく VIM を備えていることを確認します。この場合、VIMのインストールで使用されるリソースは、オペレーティングシステムとしてのUbuntu 16.04、2つのCPU、6 GB RAM、100 GBストレージディスク、および外部Wi-Fi USBアダプタです。
- このクラウド プラットフォームに統合された NFVI は、単一の固定コンピューティング サーバー (オペレーティング システムとしての Ubuntu 16.04、8 つの CPU、8 GB RAM、128 GB ストレージ ディスク、および外部 Wi-Fi USB アダプター) と 3 台のシングル ボード コンピューター (SBC) で構成されています。後者は、UAV で簡単にオンボーリングできるハードウェア プラットフォームを提供します。これらのデバイスをコンピューティング ノードとして UAV クラウド プラットフォームをセットアップする手順については、セクション 3 を参照してください。
- 各 SBC にバッテリ電源ハードウェアを取り付け(HAT)、UAV によって運ばれ、動いているときにもこれらのユニットの動作を保証します。
メモ:実験でのネットワーク サービスの提供は UAV の提供に依存しないため、手順 1.5 は省略可能です。さらに、SBC は UAV のペイロードとして運ばれ、IP テレフォニー サービスの適切な動作に必要なネットワーク通信は SBC によって Wi-Fi アダプタを介して提供され、電源は手順 1.4 で説明した電源 HAT によって提供されるため、他の追加接続 (イーサネットや USB など) は必要ありません。 - 固定アクセサリを使用して、各 SBC を UAV のペイロードとしてアタッチします。この実験では、SBC が提供するコンピューティング ユニットを転送するために、3 つの商用 UAV を選択しました。
- IEEE 802.11b ワイヤレス通信規格をサポートする 2 台のワイヤレス ボイス オーバー IP(VoIP)電話を選択します。このモデルは、Wi-Fi経由で無線通信を提供します。別の方法として、音声通話は Linphone24や Jitsi25などのソフトフォン アプリケーションを使用して実行できます。
- 実験要件として、a) OSM ソフトウェア スタックと各 VIM 間のレイヤ 3 通信を使用して、この実験用に開発されたネットワーク サービスのオーケストレーション展開を可能にする b) レイヤ 3 通信の可用性を確認します。各クラウド プラットフォームの OSM と VNF 間で VNF 構成手順をサポートし、c) 各 VIM で実行されている VNF 間のレイヤ 3 通信を使用して、ネットワーク サービスの適切な機能を有効にします。
- 実験の実行に必要なすべてのコンテンツは、公開実験リポジトリhttp://vm-images.netcom.it.uc3m.es/JoVE/で提供されます。
2. エミュレーションによるソフトワージレーションユニットの機能の検証
注:実験のネットワークサービスの適切な動作を証明するために(図1を参照)、Linuxコンテナ26およびns-327に基づく専用エミュレーションプラットフォームが使用されました。このプラットフォームでは、マルチホップ航空リンクをエミュレートし、それらのリンクの特性を定義することができます(例えば、無線通信リンクの長さ、データパケット損失のパターン、無線通信で使用される無線技術など)。したがって、プロトコルのこのセクションでは、エミュレーション プラットフォームを介して現実的な無線通信リンク条件下で IP テレフォニー サービスの適切な動作を検証するために実行する手順について説明します。
- 実験リポジトリからエミュレーション プラットフォームをダウンロードします。プラットフォームは、KVM仮想化技術28に準拠した「uav-nfv-jove-experiment.qcow」という名前の仮想マシンとして利用できます。このマシンには、ネットワーク サービスと図 1に示すマルチ UAV シナリオをエミュレートする事前作成済みのテンプレートと、そのテンプレートを実行できる管理者特権を持つユーザーが含まれています。
注: デフォルトでは、エミュレーション・プラットフォーム仮想マシンの開始時に、以下のステップが自動的に実行されます: a) 仮想環境がネットワーク・エミュレーションを使用可能にするように構成されている (つまり、ネットワーク・インターフェース、Linux ブリッジ29)。b) テストベッドのさまざまな物理コンポーネント (つまり、UAV クラウド プラットフォーム用の SBC と固定コンピューティング サーバー、およびコア クラウド プラットフォーム用のコンピューティング サーバー) を表す Linux コンテナーが作成されます。および c) IP テレフォニー サービスのさまざまな VNF (アクセス ポイント、ルーター、DNS サービス、および IP テレフォニー サーバー) によって提供される機能は、対応するエミュレートされた SBC およびコンピューティング サーバー上に Linux コンテナーとして展開されます。 - 検証プロセスの前に、ns-3シミュレータを使用してエミュレートされたマルチホップ空中ネットワークを設定し、異なるネットワーク参加者間の接続を有効にします。この手順では、図 1に示すシナリオで行われる現実的なワイヤレス通信 (つまり、UAV クラウド プラットフォームのノードと、サービスで提供される 2 つの Wi-Fi アクセス ポイントによって提供されるワイヤレス ネットワーク間のデータ交換を可能にする Wi-Fi アドホック ネットワーク) をエミュレートします。
- マルチホップ空中ネットワークを作成します。この目的のために、次のコマンドを使用してmulti-hop-aerial-net.shスクリプト (エミュレーション プラットフォーム マシン内で使用可能)を実行します。このコマンドは、指定されたログ ファイルにシミュレーション トレースを表示し、エラーが発生した場合のデバッグを有効にします。
- ネットワークが正常に作成されたかどうかを確認します。この目的のために、Linux コンテナの "IP-phone-a" と "IP-phone-b" (AP-VNFに接続するエンド ユーザ機器として図 1 を参照) が、マルチホップ空中ネットワークを介してのみアクセス可能な DHCP サービスを介して IP アドレスを取得しているかどうかを確認します。エミュレーション マシン内で実行される Linux コンテナのステータスとその IP アドレスは、lxc listコマンドを使用して確認できます。
- エミュレートされたネットワーク サービスの容量を確認して、IP テレフォニー コールのセットアップに必要なシグナリング メッセージを処理します。この目的のために、"IP-phone-a" と "IP-phone-b" Linux コンテナの両方が "SIPp" ツール30をインストールしています。"SIPp" は、前述のシグナリング メッセージを作成する IP 電話をエミュレートし、IP テレフォニー サーバーに送信し、応答を処理して後者の正しい動作を確認する機能を提供します。
- 両方のコンテナでスクリプト test-signaling.shを実行し、"SIPp" ツールを実行して IP テレフォニー サーバ VNF にシグナリング メッセージを生成および送信します。
- 前のステップの実行で提供されるシナリオ画面を確認します。「200」応答の受信は、IP-テレフォニー・サーバ-VNF の適切な機能を示します。
- IP テレフォニー呼び出し中に生成されたデータ トラフィックをネットワーク サービスが処理できることを検証します。これを行うために、フロースケジューリング「Trafic」ツール31は、「IP-phone-a」および「IP-phone-b」Linuxコンテナにインストールされる。
- 次のコマンドを実行して Trafic のサーバ エージェントを起動しますcalled-party.sh。
- 次に、次のコマンドを実行して Trafic のクライアント エージェントを起動し、ネットワーク統計情報を取得しますcaller.sh。音声コールをエミュレートするデータ トラフィックは、60 s の後に終了します。このスクリプトは、音声トラフィックに関する確認メッセージと最も重要なパフォーマンス メトリックを表示します。
- 取得したメトリックを確認し、IP テレフォニー サービスが対話型音声会話を効果的にサポートできることを確認します。これを行うには、代表的な結果に関するセクションに含まれる情報を参照してください。
3. UAVクラウドプラットフォーム構築
- 軽量 VNF を実行する仮想化基板を提供できる SBC のモデルを選択します。実験中に使用される SBC デバイスの技術仕様は、4 つの CPU、1 GB RAM、および 32 GB のストレージ ディスクです。さらに、各 SBC には、イーサネット インターフェイス、統合 Wi-Fi インターフェイス、および外部 Wi-Fi USB アダプターの 3 つのネットワーク インターフェイスがあります。
- その後、UAV クラウド プラットフォームに統合されるように SBC を準備します。
- OpenStack インストールパッケージがこの Linux ディストリビューションに含まれていることを考えると、Ubuntu Mate32 16.04.6 をオペレーティングシステムとしてインストールします。
- OpenStack ドキュメント33に示すように、必要なパッケージをインストールして設定し、SBC が UAV クラウド プラットフォームのコンピューティング ノードとして機能できるようにします。前のガイドに続いて、OpenStack パッケージの設定で Linux コンテナーの使用を有効にします。コンテナーの仮想化は、通常、小規模な UAV でオンボーリングできるデバイスのリソースの制約のために使用されます。
- SBC で、実験リポジトリ内で使用可能なスクリプトrpi-networking-configuration.shをダウンロードして実行します。このスクリプトを使用すると、SBC のワイヤレス通信と、ワイヤレス インターフェイスに接続された仮想ネットワークの作成に必要な構成が有効になります。
- UAV クラウド プラットフォーム VIM を実行しているホストで、実験リポジトリ内で利用可能なスクリプトVIM-networking-configuration.shをダウンロードして実行します。このスクリプトは、ViM のワイヤレス通信を設定して SBC との情報交換を可能にすることを監督します。
注: ネットワーキングが適切に設定され、VIM が SBC と接続されると、VIM はそれらを VNF を実行できる計算ユニットとして UAV クラウド プラットフォームに自動的に統合します。
- 各 SBC の OpenStack アベイラビリティーゾーンを作成します。これにより、実験の各軽量 VNF を適切な UAV ユニットに展開できます。これを行うには、VIM が提供する Web グラフィカル ユーザー インターフェイスに管理者の資格情報を使用してログインし、[管理者] > [システム] > [ホスト集約]タブで可用性ゾーンを作成し、各アベイラビリティー ゾーンを編集して適切なホスト (つまり、各 SBC を UAV クラウド プラットフォームに統合) を追加します。
- UAV クラウド プラットフォームの正しい設定を確認します。これを行うには、前の手順と同じログインで[管理者] > [システム] > [システム情報]タブにアクセスし、[コンピューティング サービスとネットワーク エージェント]セクションをクリックして、表示される項目の状態が "Alive" と "UP" であることを確認します。
4. 実験の設定
- IP テレフォニー サービスのさまざまなコンポーネント(AP-VNF、DNS-VNF、IP-テレフォニー サーバ VNF、AR-VNF、および CR-VNF)を実装する VNF イメージをダウンロードします。これらの画像は、実験リポジトリからダウンロードできます。
- VNF イメージを対応する VIM(AP-VNF および DNS-VNF を UAV クラウド プラットフォーム VIM に)、VoIP-VNF をコア クラウド プラットフォーム VIM にアップロードします。これを行うには、管理者の資格情報を使用して各VIMが提供するWebグラフィカル・ユーザー・インターフェースにログインし、「管理者」>「システム」>「イメージ」タブの「イメージを作成」ボタンをクリックし、表示されたフォームを使用して画像を作成し、適切な画像を選択します。 このプロセスは、前のステップでダウンロードされた各イメージに対応するVIMで行われます。
- 実験リポジトリから実験の VNF 記述子 (VNFD) をダウンロードします。これらの記述子は、VNF の運用要件を記述するテンプレートと、VNF 自体のホスティングを担当するアベイラビリティー ゾーンを示す配置ポリシーを提供します。NFV 記述子の詳細については、OSM34の情報モデルを参照してください。
- VNfD をアップロードします。次に、VNFD を[VNF パッケージ]タブにドラッグ アンド ドロップします。
- 実験リポジトリからネットワーク サービス記述子 (NSD) をダウンロードします。この記述子は、サービスを構成する VNF と、それらの VNF の相互接続方法を指定するテンプレートです。
- NSD をアップロードします。NSDをOSMグラフィカル・ユーザー・インターフェースの「NSパッケージ」タブにドラッグ・アンド・ドロップします。
- OSM のグラフィカル・ユーザー・インターフェースを使用して、UAV クラウド・プラットフォーム VIM およびコア・クラウド・プラットフォーム VIM 用の VIM アカウントを追加します。これを行うには、管理者の資格情報を使用してVIMアカウントタブにアクセスし、ボタン+ 新規VIMをクリックして、表示されたフォームに要求された情報を入力します。両方の VIM に対してこのアクションを繰り返します。
5. 実験の実行
- ネットワーク サービスを展開します。OSM グラフィカル・ユーザー・インターフェースの「NS パッケージ」タブで、ステップ 4.6 でアップロードした NSD の「NSインスタンス化」ボタンをクリックします。次に、表示されたフォームに入力し、NSを構成する各VNFの展開に使用されるVIMを示します。さらに、OSM は、VNFD に示された配置ポリシーを処理して、各 VNF のホスティングを担当するアベイラビリティーゾーン (テストベッドのコンピューティング ユニット) を指定します。この実験では、図 1に示すように、VNF をコンピューティングユニットに配置します。
注: 別の方法として、OSM は直接ユーザーとの対話を可能にするコマンドラインインターフェイスを提供します。この実験を再現するユーザは、グラフィカルインタフェースの代わりにこのコマンドラインインタフェースを使用して、このプロトコルで定義されたさまざまなステップ、特にVNFまたはNS記述子のオンボーディングに関連するステップを実行し、ネットワーク サービス。 - OSM グラフィカル・ユーザー・インターフェースがネットワーク・サービスのデプロイメントの成功を示すまで待ちます。
注: ネットワーク サービスの運用は、UAV のフライトとは完全に独立しています: IP テレフォニー サービスは、UAV が飛行中または表面に止まっているバッテリ消費を節約しているときに提供できます。したがって、ステップ 5.3 はオプションです。 - UAVを離陸します。モバイルアプリケーションにログインし、各UAVの飛行を制御して、中間の高さでそれを安定的に維持し、表面に近いモータの回転によって引き起こされる乱流を避けます。
- 各 IP 電話を準備してコールを実行します。
- ワイヤレス VoIP 電話を、ネットワーク サービスが提供する各アクセス ポイントに接続します。この目的のために、メニュー/ワイヤレス/SSIDタブでSSID(サービスセット識別子)を指定し、メニュー/ワイヤレス/ネットワークモードセクションでインフラストラクチャモードを選択します。 最後に、[メニュー] > [ネット設定] > [ネットワーク モード]タブで、動的ホスト構成プロトコル(DHCP) を使用してネットワーク構成を選択します。
- IP テレフォニー サーバーとのシグナリング メッセージの適切な交換を有効にするには、セッション開始プロトコル(SIP) パラメーターを構成します。このコンテキストでは、[メニュー] > [SIP 設定]タブにアクセスし、[レジストラー] > [レジストラー IP およびプロキシ サーバー]タブで IP テレフォニー サーバー VNF ("dronesVoIP.net") のホスト名を指定します。さらに、[ユーザー アカウント] > [電話番号]セクションと [ユーザー アカウント] > [ユーザー名] セクションで、ユーザーの名前 (発信者 A など) を紹介するユーザー アカウントを作成します。
- 呼び出されるユーザーの情報を提供する IP 電話の 1 つの電話帳にエントリを作成します。これを行うには、[メニュー] > [電話帳] > [エントリの追加]タブを選択し、次のように表示される要求されたパラメーターを入力します。ユーザー情報 = 呼び出し元 B;ホスト IP = dronesVoIP.net。ポート = 5060。最後に、P2P (ピアツーピア) に対して "プロキシ" オプションを選択します。
- 相手への通話を開始します。これを行うには、IP 電話のメニュー>電話帳/検索オプションを使用して、着信側を選択します。次に、通話ボタンを押します。他の IP 電話が呼び出し音を鳴らしたら、着信ボタンを使用して着信を受け入れます。
6. 実験結果を収集する手順
- コモディティ ラップトップをワイヤレス AP の 1 つに接続し、pingコマンド ライン ツールを 180 s の間に他の AP に接続されている電話機の IP アドレスに実行します。IP アドレスは、AP との接続が確立されたら、IP フォンの[メニュー] > [情報] > [IP アドレス]オプションで確認できます。
- 実行中の AP VNF の 1 つでtcpdumpコマンド ライン ツールを実行して、IP コール中に交換されたトラフィックをキャプチャします。このトラフィックをファイルに保存して、実行時にコマンド ライン ツールの書き込みフラグを有効にし、ファイルの名前を指定します。
- 新しい IP テレフォニー コールを実行します。目的の期間 (例えば、1 分) の呼び出しを維持します。次に、いずれかの IP 電話のハングアップ ボタンを押して、コールを終了します。
- tcpdumpおよびpingツールによって生成されたファイルは、さらに処理するために保持します。代表的な結果を参照してください。
Representative Results
実際の VoIP 呼び出しが実行され、プロトコルによって示された手順に従ってこの情報を収集する実験の実行中に得られたデータに基づいて、図 2は、2 つのエンドユーザー機器項目 (つまり、コモディティ ラップトップと IP 電話) の間で測定されるエンドツーエンド遅延の累積分布関数を示しています。このユーザ機器は、展開されたネットワーク サービスの AP VNF を介して相互接続された 2 つのデバイスを表します。エンドツーエンド遅延測定の 80% 以上が 60 ミリ秒を下回り、いずれも 150 ミリ秒を超えるものではなく、音声通話の実行に適切な遅延メトリックが保証されています。
図 3は、DNS および SIP シグナリング メッセージの交換を示しています。これらのメッセージは、IP テレフォニー サーバー内のユーザーの 1 人 (つまり、IP 電話が"tcpdump"ツールが実行されている AP VNF に接続されているユーザー) の登録と、音声通話の確立に対応します。
最後に、図 4と図 5は、呼び出し中にキャプチャされたデータ トラフィックを示しています。特に、最初のパケットはコール中にワイヤレス電話の 1 つで送受信される音声パケットの一定のストリームを表し、後者は平均値が 1 ミリ秒未満の前方方向のジッタを示します。
遅延数値(エンドツーエンド遅延およびジッタ)の実験で得られた結果は、国際電気通信連合-電気通信標準化セクター(ITU-T)35によって指定された勧告を満たす。したがって、音声通話は不具合がなく、音質も良好で進行しました。この実験では、NFV テクノロジと UAV を使用して機能 IP テレフォニー サービスを展開する実用的な実現可能性を検証しました。
図 1: ネットワーク サービスの概要について、VNF、VNF が実行されるエンティティ、および IP テレフォニー サービスの提供に必要な仮想ネットワークについて説明します。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:エンドツーエンドの遅延AP VNF に接続されているエンド ユーザ機器に提供されるエンドツーエンド遅延の表現。この目的のために、エンドツーエンド遅延の累積分布関数は、 "ping" コマンド ライン ツールで取得した測定された RTT サンプルから計算されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 3: ユーザー登録およびコール シグナリング メッセージIP テレフォニー サーバーにユーザーを登録し、音声通話の実行をサポートするマルチメディア セッションを作成および終了するために交換されたシグナリング トラフィック (DNS と SIP) の図。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 4: 音声パケットのストリームAP VNF の 1 つで測定されたコール中に交換される音声トラフィックの表現(省略形: RX = 受信、RX = 送信、RTP = リアルタイム転送プロトコル)。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 5: 通話中のネットワーク ジッタの進化一方の電話機からもう一方の電話機への転送方向の送信音声パケットによって発生するジッタの表現。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
Discussion
この実験の最も重要な側面の 1 つは、UAV プラットフォームでの仮想化テクノロジと NFV 標準の使用です。NFVは、ネットワーク機能のハードウェア依存性を切り離すことを目的とした新しいパラダイムを提示し、ソフトワー化を通じてこれらの機能を提供することを可能にします。したがって、実験は、プロトコルで指定されたハードウェア機器の使用に依存しません。また、UAV の寸法と輸送容量に沿って Linux コンテナをサポートしている限り、単一ボード コンピュータの異なるモデルを選択することもできます。
ハードウェアの選択に関してこの柔軟性にもかかわらず、実験の再現性のために提供されるすべてのコンテンツは、オープンソース技術の使用に向けされています。このコンテキストでは、構成の側面とソフトウェア ツールは、オペレーティング システムとして Linux を使用するように条件付けされます。
一方、実験では、2 つの異なる計算プラットフォーム (UAV クラウド プラットフォームとコア クラウド プラットフォーム) の相互運用を考慮して、中程度に複雑なネットワーク サービスを提供します。ただし、これは厳密には必要なく、UAV クラウド プラットフォームのみが関与するシナリオをサポートするためにプロトコルに従う可能性があります。
さらに、提示されたソリューションは、リソースに制約のあるハードウェア プラットフォームが仮想化コンテナ (モノのインターネット、IoT など) を実行するために必要な容量で利用できる可能性がある他の環境で使用される可能性があります。環境)。いずれにせよ、このソリューションを異なる環境に適用し、その潜在的な適応は、ケースバイケースで慎重に検討する必要があります。
最後に、提示された結果は、実験室環境で得られたものであり、UAVデバイスが接地または、限定的かつ定義された飛行計画に従っていることに留意すべきです。屋外展開に関連するその他のシナリオでは、UAV の飛行の安定性に影響を与える条件が発生し、IP テレフォニー サービスのパフォーマンスが低下する可能性があります。
Disclosures
著者たちは何も開示する必要はない。
Acknowledgments
この作業は、欧州のH2020 5GRANGEプロジェクト(補助金契約777137)と、スペイン経済競争力省が出資する5GCItyプロジェクト(TEC2016-76795-C6-3-R)によって部分的に支援されました。ルイス・F・ゴンザレスの仕事は、ヨーロッパのH2020 5GinFIREプロジェクト(補助金契約732497)によって部分的にサポートされました。
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).
