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Engineering

네트워크 기능 가상화를 이용한 무인 항공기에 인터넷 프로토콜 전화 통신 서비스 자동 배포

doi: 10.3791/60425 Published: November 26, 2019
* These authors contributed equally

Summary

설명된 프로토콜의 목적은 두 가지입니다: 가상화된 네트워크 기능을 실행하고 사용하는 기본 구조를 제공하는 계산 엔터티로서 무인 항공기를 사용하여 네트워크 기능 가상화 환경을 구성하는 것입니다. 이러한 환경은 공중 차량을 통해 기능적 인터넷 프로토콜 전화 통신 서비스의 자동 배포를 지원합니다.

Abstract

네트워크 기능 가상화(NFV) 패러다임은5세대 모바일 네트워크 개발의 핵심 기술 중 하나입니다. 이 기술은 추상화 계층을 통해 이러한 기능의 소프트워화를 허용하는 가상화 기술을 사용하여 네트워크 기능 및 서비스 제공에 대한 하드웨어 의존도를 줄이는 것을 목표로 합니다. 이러한 맥락에서, 제한된 지리적 영역에 걸쳐 비용 효율적인 NFV 작업을 가능하게 할 수있는 유연한 플랫폼을 제공하기 위해 무인 항공기 (UAV)의 잠재력을 탐구하는 것에 대한 관심이 증가하고 있습니다.

UAV 플랫폼에서 NFV 기술을 활용하는 실질적인 타당성을 입증하기 위해, 작은 UAV 세트가 지원하는 컴퓨팅 리소스를 공급하는 오픈 소스 기술을 기반으로 기능적인 NFV 환경을 설정하는 프로토콜이 제공됩니다. 적당히 복잡한 네트워크 서비스의 배포. 그런 다음 프로토콜은 구성된 NFV 환경의 용량을 활용하여 상호 연결된 UAV 네트워크를 통해 인터넷 프로토콜(IP) 전화 통신 서비스의 자동화된 배포를 지원하는 데 필요한 다양한 단계를 자세히 설명합니다. 실험 결과는 배포 후 서비스의 적절한 작동을 보여 줍니다. 프로토콜은 특정 유형의 네트워크 서비스(예: IP 전화 통신)에 중점을 두지만 설명된 단계는 다른 유형의 네트워크 서비스를 배포하는 일반적인 지침으로 사용될 수 있습니다. 한편, 프로토콜 설명은 NFV 환경을 설정하는 구체적인 장비 및 소프트웨어(예: 특정 단일 보드 컴퓨터 및 오픈 소스 소프트웨어)를 고려합니다. NFV 환경 및 서비스 배포의 특정 구성 측면은 프로토콜에 설명된 것과 관련하여 변형이 발생할 수 있지만 다른 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼의 활용도는 실현 가능할 수 있습니다.

Introduction

모바일 통신의 새로운 시대(가장 일반적으로5번째 이동 세대 또는 5G로 알려진)에서 가장 탐내는 목표 중 하나는 1차 통신 인프라를 사용할 수 없는 상황(예: 비상 사태)에서 강력한 정보 기술 서비스를 제공할 수 있도록 하는 것입니다. 이러한 맥락에서, UAV는 내재된 다재다능함으로 인해 연구 커뮤니티로부터 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 이러한 장치를 다양한 서비스 제공의 초석으로 사용하는 수많은 작품이 있습니다. 예를 들어, 문헌은 멀티미디어 서비스를 수용할 수 있는 공중 통신 인프라를 구축하기 위해 이들 디바이스의 용량을분석한 1,2,3. 또한, 사전 연구는 여러 UAV 간의 협력이 감시4,협업 수색 및 구조5,6,7,8,또는 농업9와같은 다른 통신 서비스의 기능을 확장 할 수있는 방법을 보여 주었다.

한편, NFV 기술은 5G 핵심 원동력 중 하나로서 통신 사업자 들 내에서 큰 의미를 얻었습니다. NFV는 네트워크 기능의 소프트워화를 통해 특수 하드웨어에 대한 네트워크 어플라이언스의 현재 의존성을 완화함으로써 통신 인프라에 대한 패러다임 변경을 나타냅니다. 이를 통해 새로운 유형의 통신 서비스를 유연하고 민첩하게 배포할 수 있습니다. 이를 위해, 유럽전기표준연구소(ETSI)는 NFV 아키텍처프레임워크(10)를정의하는 사양 그룹을 형성하였다. 또한 ETSI는 현재 ETSI NFV 아키텍처 프레임워크의 정의에 부합하는 NFV 관리 및 오케스트레이션(MANO) 소프트웨어 스택 개발을 담당하는 오픈 소스 마노(OSM) 그룹11을호스팅하고 있습니다.

앞서 언급한 모든 고려 사항을 고려할 때, UAV와 NFV 기술 간의 시너지 융합은 현재 새로운 네트워크 응용 프로그램 및 서비스 개발에서 연구되고 있습니다. 이는 이러한 유형의 시스템14,15,16의장점을 지적하고, 이러한 융합의 과제와 그 누락된 측면을 식별하고, 이 주제에 대한 미래 연구 라인을강조하고,오픈 소스 기술을 기반으로 한 선구적인 솔루션을 제시하는 문헌의 여러 연구 작품에 의해 설명된다.

특히 NFV 기술을 UAV 분야에 통합하면 구분된 지리적 영역(예: IP 전화 통신 서비스)에 걸쳐 네트워크 서비스 및 애플리케이션을 신속하고 유연하게 배포할 수 있습니다. 이 접근 방식에 따라 컴퓨팅 플랫폼을 페이로드(예: 소형 단일 보드 컴퓨터)로 전송하여 특정 위치에 여러 UAV를 배포할 수 있습니다. 이러한 컴퓨팅 플랫폼은 MANO 플랫폼의 제어하에 네트워크 서비스 및 응용 프로그램의 인스턴스화를 지원하여 배포 영역에 프로그래밍 가능한 네트워크 인프라(즉, NFV 인프라)를 제공합니다.

이 장점에도 불구하고 이 뷰를 실현하면 NFV 오케스트레이션 서비스가 UAV에 가상 기능을 배포할 수 있도록 기존 NFV 소프트웨어 스택을 사용하여 이러한 컴퓨팅 플랫폼을 NFV 인프라로 적절하게 통합하는 등 신중하게 해결해야 하는 일련의 근본적인 과제가 제시됩니다. 이를 운반하는 UAV가 전형적으로 페이로드 장비의 크기, 중량 및 컴퓨팅 용량 측면에서 제한을 제시할 수 있기 때문에, 컴퓨팅 플랫폼에서 제공하는 전산 자원의 측면에서 제약조건; UAV에 가상 함수를 적절하게 배치합니다(즉, 특정 가상 기능을 배포할 최적의 UAV 후보를 선택) VNF의 수명 주기를 관리하기 위해 UAV와의 제어 통신의 유지 관리(예: 이동성 및 배터리 제약으로 인한 네트워크 통신의 잠재적으로 간헐적인 가용성에도 불구하고); 배터리 소모로 인해 UAV의 제한된 작동 시간; 배터리 소모로 인해 UAV를 교체해야 할 때 가상 기능의 마이그레이션이 이루어질 수 있습니다. 이러한 이점과 과제는 UAV 플랫폼에서 네트워크 기능 및 서비스의 자동화된 배포를 지원할 수 있는 NFV 시스템의 설계와 이 설계의 실질적인 타당성 검증을 포함하는 전작18,19에 자세히 설명되어 있습니다.

이 맥락에서 이 백서는 NFV 표준 및 오픈 소스 기술을 사용하여 UAV 네트워크를 통해 적당히 복잡한 네트워크 서비스를 자동화할 수 있는 프로토콜을 설명하는 데 중점을 둡니다. 프로토콜의 상이한 단계를 설명하기 위해, 노갈레스 등19에 제시된 실험의 재정교화는 IP 전화 통신 서비스의 배포로 구성된다. 이 작업의 재현성을 돕기 위해 실제 비행은 제시된 절차에서 선택 사항으로 간주되며 지상의 UAV 장치로 성능 결과를 얻을 수 있습니다. 관심 있는 독자는 통제된 실험실 환경에서도 프로토콜 실행을 복제하고 검증할 수 있어야 합니다.

그림 1은 이 절차를 위해 설계된 네트워크 서비스를 보여 줍니다. 이 네트워크 서비스는 특정 소프트워화 장치(NFV 패러다임 내에서 가상 네트워크 기능 또는 VNF로 분류)의 구성으로 구축되었으며 UAV 주변의 사용자에게 IP 전화 통신 서비스의 기능을 제공합니다. 서비스를 구성하는 VNF는 다음과 같이 정의됩니다.

  • 액세스 포인트 VNF(AP-VNF): 이 VNF는 최종 사용자 장비(예: 이 실험에서 IP 전화)에 Wi-Fi 액세스 포인트를 제공합니다.
  • IP 전화 통신 서버 VNF(IP-전화-서버-VNF): 음성 통화를 설정하고 종료하기 위해 IP 전화 간에 교환되는 통화 신호 메시지를 관리합니다.
  • 도메인 이름 시스템 VNF(DNS-VNF): 이 VNF는 일반적으로 IP 전화 통신 서비스에 필요한 이름 확인 서비스를 제공합니다.
  • 액세스 라우터 VNF(AR-VNF): IP 폰과 통신 사업자 도메인 간의 트래픽 교환(즉, 이 실험에서 통화 신호)을 지원하는 네트워크 라우팅 기능을 제공합니다.
  • 코어 라우터 VNF(CR-VNF): 통신 사업자 도메인의 네트워크 라우팅 기능을 제공하여 운영자 별 서비스(예: IP 전화 통신 서버) 및 외부 데이터 네트워크에 대한 액세스를 제공합니다.

또한 그림 1은 실험에 사용되는 물리적 장치, 상호 연결되는 방법 및 장치에 대한 VNF의 특정 할당을 제공합니다.

Protocol

1. 실험에 대한 사전 요구 조건

  1. OSM(오픈 소스 MANO) 프로젝트에서 제공하는 관리 및 오케스트레이션(MANO) 소프트웨어 스택을 설치합니다. 특히 이 실험에서는 운영 체제(64비트 변형 이미지), 두 개의 중앙 처리 장치(CPU), 8GB 랜덤 액세스 메모리(RAM), 40GB 스토리지 디스크 및 인터넷에 액세스할 수 있는 단일 네트워크 인터페이스와 같은 OSM 커뮤니티에서 지정한 요구 사항을 충족하는 단일 서버 컴퓨터 또는 VM(가상 머신)에서 실행할 수 있는 OSM 릴리스 420을사용합니다. OSM 릴리스 4를 설치하는 절차는 OSM 커뮤니티21에서제공하는 온라인 설명서에서 확인할 수 있습니다.
  2. OSM 릴리스 4를 준수하는 VIM(가상 인프라 관리자)의 기능을 제공하는 클라우드 컴퓨팅 플랫폼을 설정합니다. 이 실험에 대 한, OpenStack 릴리스 Ocata22 사용, 운영 체제로 우분투와 VM에서 실행 16.04 운영 체제로, 4 CPU, 16 기가바이트 RAM, 그리고 200 기가 바이트 스토리지 디스크. 실험에서 VIM은 운영 체제로 우분투 16.04, CPU 8개, RAM 128GB RAM 및 4TB 스토리지 디스크로 각각 두 대의 하이 프로파일 서버 컴퓨터로 통합된 NFV 인프라(NFVI)를 관리합니다. 클라우드 컴퓨팅 플랫폼을 설정하는 방법에 대한 모든 정보는 OpenStack 설명서23에포함된 설치 가이드에 포함되어 있습니다. 이 클라우드 플랫폼을 핵심 클라우드 플랫폼이라고 합니다.
  3. UAV를 위한 추가 클라우드 컴퓨팅 플랫폼을 설정하는 것을 UAV 클라우드 플랫폼이라고 합니다.
    1. 이 플랫폼은 OpenStack 릴리스 Ocata를 기반으로 VIM을 갖추고 있는지 확인합니다. 이 경우 VIM 설치에 사용되는 리소스는 운영 체제로 우분투 16.04, CPU 2개, RAM 6GB, 저장 디스크 100GB 및 외부 Wi-Fi USB 어댑터입니다.
    2. 이 클라우드 플랫폼에 통합된 NFVI는 단일 고정 컴퓨팅 서버(운영 체제로 우분투 16.04, CPU 8개, RAM 8GB RAM, 128GB 스토리지 디스크 및 외부 Wi-Fi USB 어댑터)와 3대의 단일 보드 컴퓨터(SBC)로 구성됩니다. 후자는 UAV에서 쉽게 온보온할 수 있는 하드웨어 플랫폼을 제공합니다. 이러한 장치를 계산 노드로 사용하여 UAV 클라우드 플랫폼을 설정하는 절차는 섹션 3을 참조하십시오.
  4. 각 SBC에 배터리 전원 공급 장치 하드웨어가 상단에 부착되어 있어 UAV가 휴대할 때에도 이러한 장치의 작동을 보장합니다.
    참고: 실험에서 네트워크 서비스의 제공은 UAV를 갖는 것에 의존하지 않기 때문에 1.5 단계는 선택 사항입니다. 또한, SBC는 UAV의 페이로드로서 운반되며, IP 전화 통신 서비스의 적절한 작동에 필요한 네트워크 통신이 SBC에 의해 제공되고, Wi-Fi 어댑터를 통해, 그리고 1.4단계에서 언급한 전원 공급 장치에 의해 전원 공급 장치가 제공되기 때문에 다른 추가 연결(예: 이더넷 또는 USB)이 필요하지 않습니다.
  5. 고정 액세서리를 통해 각 SBC를 UAV의 페이로드로 부착합니다. 이 실험에서는 SBC에서 제공하는 컴퓨팅 유닛을 전송하기 위해 3개의 상용 UAV를 선택했습니다.
  6. IEEE 802.11b 무선 통신 표준을 지원하는 VoIP(무선 음성 오버 IP) 전화 2대를 선택하십시오. 이 모델은 Wi-Fi를 통해 무선 통신을 제공합니다. 또는 Linphone24 또는 Jitsi25와같은 소프트폰 응용 프로그램을 사용하여 음성 통화를 실행할 수 있습니다.
  7. 실험 요구 사항으로, 의 가용성을 확인: a) OSM 소프트웨어 스택과 각 VIM 간의 계층-3 통신은 본 실험을 위해 개발된 네트워크 서비스의 오케스트레이션 배포를 가능하게 하기 위해, b) 계층-3 통신 각 클라우드 플랫폼의 OSM과 VNF 간에 VNF 구성 절차를 지원하고 c) 모든 VIM에서 실행되는 VNF 간의 계층 3 통신을 통해 네트워크 서비스의 적절한 기능을 가능하게 합니다.
  8. 실험을 수행하는 데 필요한 모든 콘텐츠는 공개 실험 저장소 http://vm-images.netcom.it.uc3m.es/JoVE/제공된다.

2. 에뮬레이션을 통해 소프트워화 장치의 기능 검증

참고: 실험의 네트워크 서비스의 적절한 동작을 증명하기 위해(도 1참조) 현실적인 배포 조건하에서, Linux컨테이너(26) 및 ns-327에 기초한 목적별 에뮬레이션 플랫폼이 사용되었다. 이 플랫폼은 멀티 홉 공중 링크를 에뮬레이트하고 이러한 링크의 특성을 정의할 수 있습니다(예: 무선 통신 링크 의 길이, 데이터 패킷 손실 패턴, 무선 통신에 사용되는 무선 기술 등). 따라서, 프로토콜의 이 섹션은 에뮬레이션 플랫폼을 통해 현실적인 무선 통신 링크 조건 하에서 IP 전화 통신 서비스의 적절한 작동을 확인하기 위해 따라야 할 단계를 설명한다.

  1. 실험 리포지토리에서 에뮬레이션 플랫폼을 다운로드합니다. 이 플랫폼은 KVM 가상화 기술28을준수하는 "uav-nfv-jove-experiment.qcow"라는 가상 머신으로 사용할 수 있습니다. 이 컴퓨터에는 네트워크 서비스를 에뮬레이트하는 미리 만들어진 템플릿과 그림 1에 제시된 다중 UAV 시나리오와 해당 템플릿을 실행할 수 있는 관리자 권한이 있는 사용자가 포함되어 있습니다.
    참고 : 기본적으로, 다음 단계는 에뮬레이션 플랫폼 가상 머신이 시작될 때 자동으로 실행됩니다 : a) 가상 환경은 네트워크 에뮬레이션을 사용하도록 구성됩니다 (즉, 네트워크 인터페이스, Linux bridges29); b) 테스트베드의 다양한 물리적 구성 요소(즉, UAV 클라우드 플랫폼을 위한 SBC 및 고정 컴퓨팅 서버, 코어 클라우드 플랫폼용 컴퓨팅 서버)를 나타내는 Linux 컨테이너가 생성됩니다. c) IP 전화 통신 서비스의 다른 VNF에서 제공하는 기능(예: 액세스 포인트, 라우터, DNS 서비스 및 IP 전화 통신 서버)은 해당 에뮬레이트된 SBC 및 컴퓨팅 서버를 통해 Linux 컨테이너로 배포됩니다.
  2. 유효성 검사 프로세스 전에 ns-3 시뮬레이터를 사용하여 에뮬레이트된 다중 홉 항공 네트워크를 설정하여 서로 다른 네트워크 참가자 간의 연결을 활성화합니다. 이 절차는 그림 1에 묘사된 시나리오에서 일어나는 사실적인 무선 통신을 에뮬레이트합니다(즉, 서비스에서 제공되는 두 개의 Wi-Fi 액세스 포인트에서 제공하는 UAV 클라우드 플랫폼의 노드와 무선 네트워크 간의 데이터 교환을 가능하게 하는 Wi-Fi 애드혹 네트워크).
    1. 다중 홉 항공 네트워크를 만듭니다. 이를 위해 multi-hop-aerial-net.sh sudo sh/home/jovevm/스크립트/멀티 홉-공중 net.sh> 멀티 홉-공중-net-trace.log 2&1 & 이 명령은 지정된 로그 파일의 시뮬레이션 추적을 묘사하여 오류 발생 시 디버깅을 활성화합니다.
    2. 네트워크가 성공적으로 만들어졌는지 확인합니다. 이를 위해 Linux 컨테이너 "IP-phone-a" 및 "IP-phone-b"(그림 1에서 AP-VNF에 연결하는 최종 사용자 장비로 설명됨)가 다중 홉 항공 네트워크를 통해서만 액세스할 수 있는 DHCP 서비스를 통해 IP 주소를 얻었는지 확인합니다. 에뮬레이션 컴퓨터 내에서 실행되는 Linux 컨테이너의 상태와 IP 주소는 명령 lxc 목록을사용하여 확인할 수 있습니다.
  3. IP 전화 통화를 설정하는 데 필요한 신호 메시지를 처리하기 위해 에뮬레이트된 네트워크 서비스의 용량을 확인합니다. 이를 위해 " IP-phone-a"와 "IP-phone-b" Linux 컨테이너 모두 "SIPp"도구(30)를설치했습니다. "SIPp"는 언급된 신호 메시지를 생성하는 IP 전화를 에뮬레이트하고, IP 전화 통신 서버로 보내고, 응답을 처리하여 후자의 올바른 작동을 확인하는 기능을 제공합니다.
    1. "SIPp" 도구를 실행하여 IP-전화 통신-서버-VNF에 신호 메시지를 생성하고 전송하는 두 컨테이너모두에서 스크립트 test-signaling.sh 실행합니다.
    2. 이전 단계의 실행에 의해 제공되는 시나리오 화면을 확인합니다. "200" 응답의 수신은 IP-전화-서버-VNF의 적절한 기능을 보여줍니다.
  4. 네트워크 서비스가 IP 전화 통신 통화 중에 생성된 데이터 트래픽을 처리할 수 있는지 확인합니다. 이렇게 하려면 흐름 스케줄링 "Trafic"도구(31)가 "IP-phone-a" 및 "IP-phone-b" Linux 컨테이너에 설치됩니다.
    1. Trafic의 서버 에이전트를 시작 하려면 다음 명령을 실행: lxc exec IP-전화-b sh called-party.sh.
    2. 그런 다음 다음 명령을 실행하여 Trafic의 클라이언트 에이전트를 시작하고 네트워크 통계를 얻습니다: lxc exec IP-phone-a sh caller.sh. 음성 통화를 에뮬레이트하는 데이터 트래픽은 60s 이후 종료됩니다. 스크립트에는 확인 메시지와 음성 트래픽과 관련된 가장 중요한 성능 메트릭이 표시됩니다.
    3. 획득한 메트릭을 확인하고 IP 전화 통신 서비스가 대화형 음성 대화를 효과적으로 지원할 수 있는지 확인합니다. 이렇게 하려면 대표 결과에 대한 섹션에 포함된 정보를 참조하십시오.

3. UAV 클라우드 플랫폼 구축

  1. 경량 VNF를 실행하기 위해 가상화 기판을 제공할 수 있는 SBC 모델을 선택합니다. 실험 중에 사용되는 SBC 장치의 기술 사양은 CPU 4개, RAM 1GB 및 32GB 스토리지 디스크입니다. 또한 각 SBC에는 이더넷 인터페이스, 통합 Wi-Fi 인터페이스 및 외부 Wi-Fi USB 어댑터의 세 가지 네트워크 인터페이스가 있습니다.
  2. SBC가 이후에 UAV 클라우드 플랫폼에 통합될 수 있도록 준비합니다.
    1. 설치 우분투 메이트32 16.04.6 운영 체제로, 오픈 스택 설치 패키지는이 리눅스 배포판에 포함 되어 주어진.
    2. OpenStack 설명서33에 표시된 대로 필요한 패키지를 설치하고 구성하여 SBC가 UAV 클라우드 플랫폼의 컴퓨팅 노드 역할을 할 수 있도록 합니다. 이전 가이드에 따라 OpenStack 패키지의 구성에서 Linux 컨테이너를 사용할 수 있습니다. 컨테이너 가상화는 일반적으로 소형 UAV에서 온보온할 수 있는 장치의 리소스 제약 조건으로 인해 사용됩니다.
    3. SBC에서 다운로드 하 고 rpi-networking-configuration.sh 스크립트를실행 합니다. 이 스크립트를 사용하면 SBC의 무선 통신뿐만 아니라 무선 인터페이스에 연결된 가상 네트워크를 만들 수 있도록 필요한 구성을 사용할 수 있습니다.
    4. UAV 클라우드 플랫폼 VIM을 실행하는 호스트에서 실험 리포지토리 내에서 사용할 수 있는 스크립트 VIM-networking-configuration.sh다운로드하여 실행합니다. 이 스크립트는 VIM의 무선 통신 설정을 감독하여 SBC와 정보 교환을 가능하게 합니다.
      참고: 네트워킹이 잘 구성되고 VIM이 SBC와 연결되면 VIM은 VNF를 실행가능한 컴퓨팅 장치로 UAV 클라우드 플랫폼에 자동으로 통합합니다.
  3. 각 SBC에 대해 OpenStack 가용성 영역을 만듭니다. 이렇게 하면 실험의 각 경량 VNF를 적절한 UAV 장치에 배포할 수 있습니다. 이렇게 하려면 VIM에서 제공하는 웹 그래픽 사용자 인터페이스에 관리자 자격 증명을 사용하여 로그인하고, 관리자시스템 > 호스트 집계 탭에서 가용성 영역을 만들고, 각 가용성 영역을 편집하여 적절한 호스트(즉, UAV 클라우드 플랫폼에 통합된 각 SBC)를 추가합니다.
  4. UAV 클라우드 플랫폼의 올바른 설정을 확인합니다. 이렇게 하려면 이전 단계와 동일한 로그인으로 관리자 > 시스템 > 시스템 정보 탭에 액세스하고 컴퓨팅 서비스 및 네트워크 에이전트 섹션을 클릭하여 표시된 항목의 상태가 "살아 있다" 및 "UP"인지 확인합니다.

4. 실험 구성

  1. AP-VNF, DNS-VNF, IP-전화-서버-VNF, AR-VNF 및 CR-VNF : IP 전화 통신 서비스의 다른 구성 요소를 구현하는 VNF 이미지를 다운로드합니다. 이러한 이미지는 실험 리포지토리에서 다운로드할 수 있습니다.
  2. VNF 이미지를 해당 통신 VIM(즉, AP-VNF 및 DNS-VNF를 UAV 클라우드 플랫폼 VIM에) 및 VoIP-VNF를 코어 클라우드 플랫폼 VIM에 업로드합니다. 이렇게 하려면 각 VIM에서 관리자 자격 증명을 사용하여 제공하는 웹 그래픽 사용자 인터페이스에 로그인하고 관리자의 이미지 만들기 단추를 클릭하고 시스템 > 이미지 탭을 클릭하고 표시된 양식을 사용하여 이미지를 만들고 적절한 이미지를 선택합니다. 이 프로세스는 이전 단계에서 다운로드된 각 이미지에 대해 해당 VIM에서 수행됩니다.
  3. 실험 리포지토리에서 실험의 VNF 설명자(VNF)를 다운로드합니다. 이러한 설명자는 VNF의 운영 요구 사항을 설명하는 템플릿과 VNF 자체 호스팅을 담당하는 가용성 영역을 나타내는 배치 정책을 제공합니다. NFV 설명자에 대한 자세한 내용은 OSM34의정보 모델에서 확인할 수 있습니다.
  4. VNFD를 업로드합니다. 웹 브라우저를 사용하여 OSM 그래픽 사용자 인터페이스에 액세스하고 관리자 자격 증명으로 로그인합니다. 그런 다음 VNF 패키지를 VNF 패키지 탭으로 끌어 놓습니다.
  5. 실험 리포지토리에서 NSD(네트워크 서비스 설명자)를 다운로드합니다. 이 설명자는 서비스를 포함하는 VNF와 해당 VNF가 상호 연결되는 방법을 지정하는 템플릿입니다.
  6. NSD를 업로드합니다. NSD를 OSM 그래픽 사용자 인터페이스의 NS 패키지 탭으로 끌어놓습니다.
  7. OSM의 그래픽 사용자 인터페이스를 사용하여 UAV 클라우드 플랫폼 VIM 및 핵심 클라우드 플랫폼 VIM에 대한 VIM 계정을 추가합니다. 이렇게 하려면 관리자 자격 증명으로 VIM 계정 탭에 액세스하고 단추 + 새 VIM을 클릭하고 요청된 정보로 표시된 양식을 작성합니다. 두 VIM모두에 대해 이 작업을 반복합니다.

5. 실험 실행

  1. 네트워크 서비스를 배포합니다. OSM 그래픽 사용자 인터페이스의 NS 패키지 탭에서 4.6 단계에서 업로드된 NSD의 NS 인스턴스화 단추를 클릭합니다. 그런 다음 NS를 구성하는 각 VNF를 배포하는 데 사용되는 VIM을 나타내는 표시된 양식을 채웁니다. 또한 OSM은 VNF에 표시된 배치 정책을 처리하여 각 VNF를 호스팅하는 가용성 영역(즉, 테스트베드의 계산 단위)이 있는 VIM을 지정합니다. 이 실험에서는 그림 1에나와 있는 대로 VNF가 계산 단위에 배치됩니다.
    참고: 다른 방법으로 OSM은 직접 사용자 상호 작용을 가능하게 하는 명령줄 인터페이스를 제공합니다. 이 실험을 재현하는 사용자는 그래픽 인터페이스 대신 이 명령줄 인터페이스를 사용하여 이 프로토콜에 정의된 다양한 단계, 특히 VNF 또는 NS 설명자를 온보딩하는 것과 관련된 단계를 실행하고 네트워크 서비스를 이용합니다.
  2. OSM 그래픽 사용자 인터페이스가 네트워크 서비스 배포의 성공을 표시할 때까지 기다립니다.
    참고: 네트워크 서비스의 작동은 UAV의 비행과는 완전히 독립적입니다: UAV가 비행중이거나 표면의 배터리 소모를 절약할 때 IP 전화 통신 서비스를 제공할 수 있습니다. 따라서 5.3 단계는 선택 사항입니다.
  3. UAV를 벗습니다. 모바일 어플리케이션에 로그인하여 각 UAV의 비행을 제어하여 중간 높이에서 안정적으로 유지하고 표면에 가까운 모터의 회전으로 인한 난류를 방지합니다.
  4. 각 IP 전화가 통화를 수행할 수 있도록 준비합니다.
    1. 무선 VoIP 전화를 네트워크 서비스에서 제공하는 각 액세스 포인트에 연결합니다. 이를 위해 메뉴 > 무선 > SSID 탭에서 SSID(서비스세트 식별자)를지정하고 메뉴 > 무선 > 네트워크 모드 섹션에서 인프라 모드를 선택합니다. 마지막으로 메뉴Net 설정 > 네트워크 모드 탭에서 동적 호스트 구성 프로토콜(DHCP)을 통해 네트워킹 구성을 선택합니다.
    2. IP 전화 통신 서버와 시그널링 메시지를 적절히 교환할 수 있도록 세션 개시 프로토콜(SIP) 매개 변수를 구성합니다. 이 컨텍스트에서 메뉴 > SIP 설정 탭에 액세스하고 레지스트라 > 레지스트라 및 프록시 서버 > 프록시 IP 탭에서 IP 전화 통신 서버 VNF("dronesVoIP.net")의 호스트 이름을 지정합니다. 또한 사용자 계정 > 전화 번호 및 사용자 계정 > 사용자 이름 섹션에서 사용자 이름(예: 발신자 A)을 소개하는 사용자 계정을 만듭니다.
    3. 호출할 사용자의 정보를 제공하는 IP 전화 중 하나의 전화번호부에 항목을 만듭니다. 이렇게 하려면 메뉴 > 전화 번호부 > 항목 추가 탭을 선택하고 다음과 같이 디스플레이에 표시되는 요청된 매개 변수를 입력합니다. 사용자 정보 = 발신자-B; 호스트 IP = dronesVoIP.net; 포트 = 5060. 마지막으로 P2P(피어 투 피어)와 비교하여 "프록시" 옵션을선택합니다.
  5. 상대방에게 전화를 시작합니다. 이렇게 하려면 IP 전화의 메뉴 > 전화 번호부 > 검색 옵션을 사용하여 호출된 파티를 선택합니다. 그런 다음 통화 버튼을 누릅니다. 다른 IP 전화가 울리기 시작하면 통화 버튼으로 수신 전화를 수락합니다.

6. 실험 결과를 수집하는 절차

  1. 상용 노트북을 무선 AP 중 하나에 연결하고 ping 명령줄 도구를 180s 동안 다른 AP에 연결된 휴대폰의 IP 주소에 실행합니다. IP 주소는 AP와 연결이 설정되면 IP 전화의 메뉴 > 정보 > IP 주소 옵션에서 확인할 수 있습니다.
  2. 실행 중인 AP VNF 중 하나에서 tcpdump 명령줄 도구를 실행하여 IP 호출 중에 교환된 트래픽을 캡처합니다. 이 트래픽을 실행 시 명령줄 도구의 쓰기 플래그를 활성화하고 파일 이름을 지정하는 파일에 저장합니다.
  3. 새 IP 전화 통화를 수행합니다. 원하는 기간(예: 1분)에 대한 호출을 유지합니다. 그런 다음 IP 전화 중 하나의 끊기 버튼을 누르면 통화를 종료합니다.
  4. 추가 처리를 위해 tcpdumpping 도구에서 생성된 파일을 유지합니다. 대표 결과를 참조하십시오.

Representative Results

실제 VoIP 호출이 실행되는 실험 을 실행하는 동안 얻은 데이터를 기반으로 이 정보를 수집하기 위한 프로토콜에 의해 표시된 단계를 따르는 그림 2는 두 최종 사용자 장비 항목(즉, 상품 랩톱 및 IP 전화) 간에 측정된 종단 간 지연의 누적 분포 기능을 나타냅니다. 이 사용자 장비는 배포된 네트워크 서비스의 AP VNF를 통해 상호 연결된 두 장치를 나타냅니다. 종단 간 지연 측정의 80% 이상이 60ms 미만이었으며, 그 중 어느 것도 음성 통화 실행을 위한 적절한 지연 메트릭을 보장하는 150ms보다 높지 않았습니다.

그림 3은 DNS 및 SIP 신호 메시지의 교환을 보여 줍니다. 이러한 메시지는 IP 전화 통신 서버의 사용자 중 한 명(즉, IP 전화가"tcpdump"도구가 실행되는 AP VNF에 연결된 사용자)의 등록및 음성 통화의 확립에 해당합니다.

마지막으로 그림 4와 그림 5는 통화 중에 캡처된 데이터 트래픽을 보여 준다. 특히, 제1은 통화 중에 무선 전화 중 하나에 의해 송수신되고 수신되는 음성 패킷의 일정한 스트림을 나타내고, 후자는 1ms보다 낮은 평균 값으로 전진 방향으로 지터를 나타낸다.

지연 수치(종단 간 지연 및 지터)에 대한 실험에서 얻은 결과는 국제전기통신연합-전기통신 표준화 섹터(ITU-T)35에의해 지정된 권고사항을 만족시켰다. 이에 따라 음성 통화는 결함없이 좋은 음질로 진행되었습니다. 이 실험은 NFV 기술과 UAV를 사용하여 기능적 IP 전화 통신 서비스를 배포하는 실질적인 타당성을 입증했습니다.

Figure 1
그림 1: VNF, 실행되는 엔터티 및 IP 전화 통신 서비스 제공에 필요한 가상 네트워크를 설명하는 네트워크 서비스의 개요입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: 종단 간 지연. AP VNF에 연결된 최종 사용자 장비에 제공되는 종단 간 지연을 표현합니다. 이를 위해, 종단 간 지연의 누적 분포 함수는"ping"명령줄 도구를 사용하여 얻어진 측정된 RTT 샘플로부터 계산되었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3: 사용자 등록 및 통화 신호 메시지입니다. IP 전화 통신 서버에 사용자를 등록하고 음성 통화의 실행을 지원하는 멀티미디어 세션을 생성 및 종료하기 위해 교환된 시그널링 트래픽(DNS 및 SIP)의 그림. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4: 음성 패킷의 스트림입니다. AP VNFs 중 하나에서 측정된 통화 중에 교환된 음성 트래픽을 표현합니다(약어: RX = 수신, RX = 전송, RTP = 실시간 전송 프로토콜). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5: 통화 중 네트워크 지터의 진화. 한 전화기에서 다른 전화기로 전달 방향으로 전송된 음성 패킷에 의해 경험된 지터를 표현합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

이 실험에서 가장 중요한 측면 중 하나는 UAV 플랫폼과 가상화 기술 및 NFV 표준을 사용하는 것입니다. NFV는 네트워크 기능의 하드웨어 종속성을 분리하는 것을 목표로 하는 새로운 패러다임을 제시하여 소프트워화를 통해 이러한 기능을 제공할 수 있도록 합니다. 따라서, 실험은 프로토콜에 지정된 하드웨어 장비의 사용에 의존하지 않는다. 또는 UAV의 크기와 전송 용량에 부합하고 Linux 컨테이너를 지원하는 한 단일 보드 컴퓨터의 다양한 모델을 선택할 수 있습니다.

하드웨어 선택의 이러한 유연성에도 불구하고 실험의 재현성을 위해 제공되는 모든 콘텐츠는 오픈 소스 기술의 사용을 지향합니다. 이러한 맥락에서 구성 측면과 소프트웨어 도구는 Linux를 운영 체제로 사용하도록 조절됩니다.

한편, 실험은 적당히 복잡한 네트워크 서비스를 제공하기 위해 두 개의 서로 다른 컴퓨팅 플랫폼(즉, UAV 클라우드 플랫폼 및 코어 클라우드 플랫폼)의 상호 운용을 고려한다. 그러나 이 방법은 엄격하게 필요하지 않으며 UAV 클라우드 플랫폼만 관련된 시나리오를 지원하기 위해 프로토콜을 따를 수 있습니다.

또한 제공되는 솔루션은 잠재적으로 리소스가 제한된 하드웨어 플랫폼을 가상화 컨테이너(예: 사물 인터넷 또는 IoT)를 실행하는 데 필요한 용량으로 사용할 수 있는 다른 환경에서 사용될 수 있습니다. 환경)을 참조하십시오. 어쨌든, 이 솔루션이 다양한 환경과 그 잠재적 적응에 적용되기 위해서는 사례별로 신중한 연구가 필요합니다.

마지막으로, 제시된 결과는 실험실 환경과 UAV 장치를 접지하거나 제한적이고 잘 정의된 비행 계획을 따르는 것으로 얻어졌다는 점에 유의해야 합니다. 실외 배포와 관련된 다른 시나리오는 UAV의 비행 안정성에 영향을 미치는 조건을 도입하여 IP 전화 통신 서비스의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

Disclosures

저자는 공개 할 것이 없다.

Acknowledgments

이 작품은 부분적으로 유럽 H2020 5GRANGE 프로젝트 (보조금 계약 777137)에 의해 지원되었다, 그리고 5GCIty 프로젝트에 의해 (TEC2016-76795-C6-3-R) 스페인 경제 및 경쟁력부에 의해 투자. 루이스 F. 곤잘레스의 작품은 부분적으로 유럽 H2020 5GinFIRE 프로젝트 (보조금 계약 732497)에 의해 지원되었다.

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

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네트워크 기능 가상화를 이용한 무인 항공기에 인터넷 프로토콜 전화 통신 서비스 자동 배포
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Nogales, B., Vidal, I., Sanchez-Aguero, V., Valera, F., Gonzalez, L. F., Azcorra, A. Automated Deployment of an Internet Protocol Telephony Service on Unmanned Aerial Vehicles Using Network Functions Virtualization. J. Vis. Exp. (153), e60425, doi:10.3791/60425 (2019).More

Nogales, B., Vidal, I., Sanchez-Aguero, V., Valera, F., Gonzalez, L. F., Azcorra, A. Automated Deployment of an Internet Protocol Telephony Service on Unmanned Aerial Vehicles Using Network Functions Virtualization. J. Vis. Exp. (153), e60425, doi:10.3791/60425 (2019).

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