Цель описанного протокола двояка: настроить среду виртуализации сетевых функций с использованием беспилотных летательных аппаратов в качестве вычислительных объектов, обеспечивающих базовую структуру для выполнения виртуализированных сетевых функций и использования этой среде для поддержки автоматизированного развертывания функциональной службы телефонной связи интернет-протокола на воздушных транспортных средствах.
Парадигма виртуализации сетевых функций (NFV) является одной из ключевых благоприятных технологий в развитии мобильных сетей5-го поколения. Эта технология направлена на снижение зависимости от оборудования в предоставлении сетевых функций и услуг с помощью методов виртуализации, которые позволяют софтваризации этих функций по сравнению с слоем абстракции. В этом контексте растет интерес к изучению потенциала беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для создания гибкой платформы, способной обеспечить рентабельное управление НФВ в разграниченных географических районах.
Чтобы продемонстрировать практическую целесообразность использования технологий NFV на платформах БПЛА, представлен протокол для создания функциональной среды NFV на основе технологий с открытым исходным кодом, в которой набор небольших БПЛА поставляют вычислительные ресурсы, поддерживающие развертывание умеренно сложных сетевых служб. Затем в протоколе подробно описаны различные шаги, необходимые для поддержки автоматизированного развертывания службы телефонии интернет-протокола (IP) по сети взаимосвязанных БПЛА, используя возможности настроенной среды NFV. Результаты экспериментов свидетельствуют о надлежащей работе службы после ее развертывания. Хотя в протоколе основное внимание уделяется определенному типу сетевого обслуживания (т.е. IP-телефонии), описанные шаги могут служить общим руководством для развертывания других типов сетевых служб. С другой стороны, в описании протокола рассматривается конкретное оборудование и программное обеспечение для настройки среды NFV (например, конкретные однобортные компьютеры и программное обеспечение с открытым исходным кодом). Использование других аппаратных и программных платформ может быть осуществимо, хотя конкретный аспект конфигурации среды NFV и развертывание службы могут представлять различия в отношении тех, которые описаны в протоколе.
Одна из самых желанных целей в новую эру мобильной связи (наиболее известная как5-е мобильное поколение или 5G) заключается в том, чтобы иметь возможность предоставлять надежные услуги в области информационных технологий в ситуациях, когда первичная телекоммуникационная инфраструктура может быть недоступна (например, в связи с чрезвычайной ситуацией). В этом контексте БПЛА все большее внимание уделяется научному сообществу в связи с присущей им универсальностью. Существует множество работ, которые используют эти устройства в качестве краеугольного камня для предоставления широкого спектра услуг. Например, в литературе проанализирована способность этих устройств для создания инфраструктуры воздушной связи для размещения мультимедийных услуг1,2,3. Кроме того, предыдущие исследования показали, как сотрудничество между несколькими БПЛА может расширить функциональность различных услуг связи, таких как наблюдение4, совместный поиск и спасение5,6,7,8, или агробизнеса9.
С другой стороны, технология NFV приобрела большое значение в операторах связи как один из ключевых возможностей 5G. NFV представляет собой парадигматическое изменение в отношении телекоммуникационной инфраструктуры путем облегчения нынешней зависимости сетевой техники от специализированного оборудования за счет софтваризации сетевых функций. Это позволяет гибко и гибко развертывать новые типы коммуникационных служб. С этой целью Европейский институт стандартов телекоммуникаций (ETSI) сформировал группу спецификаций для определения архитектурной структуры NFV10. Кроме того, ETSI в настоящее время хостов с открытым исходным кодом Mano (OSM) группа11, которая отвечает за разработку NFV управления и оркестровки (MANO) программного обеспечения стек в соответствие с определением архитектурной основы ETSI NFV.
С учетом всех вышеупомянутых соображений в настоящее время изучается синергическая конвергенция бПЛА и технологий NFV при разработке новых сетевых приложений и услуг. Это иллюстрируется несколькими научно-исследовательскими работами в литературе, которые указывают на преимущества этих типов систем14,15,16, определить проблемы этой конвергенции и ее недостающие аспекты, выделить будущие исследования линий по этой теме17, и настоящее пионером решений, основанных на технологиях с открытым исходным кодом.
В частности, интеграция технологий NFV в арену БПЛА позволяет быстро и гибко развертывать сетевые услуги и приложения в разграниченных географических районах (например, услуга IP-телефонии). Следуя этому подходу, ряд БПЛА может быть развернут в определенном месте, перевозя вычислительные платформы в виде полезной нагрузки (например, малогабаритные одноместные компьютеры). Эти вычислительные платформы обеспечат программируемую сетевую инфраструктуру (т.е. инфраструктуру NFV) над областью развертывания, поддерживая мгновенное воспроизведение сетевых служб и приложений под контролем платформы MANO.
Несмотря на преимущества, реализация этой точки зрения представляет собой набор фундаментальных проблем, которые необходимо тщательно решать, таких как соответствующая интеграция этих вычислительных платформ в качестве инфраструктуры NFV, используя существующий стек программного обеспечения NFV, так что служба оркестровки NFV может развертывать виртуальные функции на БПЛА; ограничения с точки зрения вычислительных ресурсов, предоставляемых вычислительными платформами, поскольку беспилотные летательные аппараты, перевозящие их, обычно могут представлять ограничения с точки зрения размера, веса и вычислительной мощности оборудования полезной нагрузки; правильное размещение виртуальных функций на БПЛА (т.е. выбор лучшего кандидата Накра для развертывания конкретной виртуальной функции); поддержание контрольной связи с БПЛА в целях управления жизненным циклом ВНФ, несмотря на потенциально прерывистую доступность сетевых коммуникаций с ними (например, вызванных ограничениями подвижности и аккумуляторов); ограниченное время работы БПЛА из-за их потребления батареи; и миграция виртуальных функций, когда БПЛА необходимо заменить из-за усталости батареи. Эти преимущества и проблемы подробно описаны в предыдущей работе18,19, которая включает в себя разработку системы NFV, способной поддерживать автоматизированное развертывание сетевых функций и услуг на платформах БПЛА, а также проверку практической осуществимости этой конструкции.
В этом контексте в настоящем документе основное внимание уделяется описанию протокола, позволяющего автоматизированно развертывать умеренно сложные сетевые службы по сети БПЛА с использованием стандартов NFV и технологий с открытым исходным кодом. Для иллюстрации различных этапов протокола представлена перепланировка эксперимента, представленного в Nogales et al.19, состоящего из развертывания службы IP-телефонии. Для воспроизводимости этой работы реальный полет считается факультативным в представленной процедуре, а результаты работы получены с помощью БПЛА на земле. Заинтересованные читатели должны иметь возможность реплицировать и проверять выполнение протокола, даже в контролируемой лабораторной среде.
На рисунке 1 иллюстрируется сетевой сервис, предназначенный для этой процедуры. Эта сетевая служба построена как состав конкретных единиц softwarization (классифицируется в парадигме NFV как виртуальные сетевые функции, или VNFs) и обеспечивает функциональность службы IP-телефонии для пользователей в непосредственной близости от БПЛА. ВНФ, составляющий услугу, определяется следующим образом:
Кроме того, на рисунке 1 представлены физические устройства, используемые для эксперимента, как они взаимосвязаны, и конкретное распределение VNF для устройств.
Одним из наиболее важных аспектов этого эксперимента является использование технологий виртуализации и стандартов NFV с платформами БПЛА. NFV представляет новую парадигму, направленную на разъединение аппаратной зависимости от функций сети, тем самым позволяя предоставлять эти функциональные возможности через softwarization. Соответственно, эксперимент не зависит от использования оборудования, указанного в протоколе. Кроме того, могут быть выбраны различные модели однобортных компьютеров, если они соответствуют габаритам и транспортной емкости БПЛА и поддерживают контейнеры Linux.
Несмотря на такую гибкость с точки зрения выбора оборудования, весь контент, предусмотренный для воспроизводимости эксперимента, ориентирован на использование технологий с открытым исходным кодом. В этом контексте аспекты конфигурации и программные средства обусловлены использованием Linux в качестве операционной системы.
С другой стороны, эксперимент предусматривает взаимодействие двух различных вычислительных платформ (наоборот, облачной платформы БПЛА и основной облачной платформы) для обеспечения умеренно сложного сетевого сервиса. Однако в этом нет необходимости, и протокол может быть продолжен для поддержки сценариев, в которых участвует только облачная платформа БПЛА.
Кроме того, представленное решение потенциально может быть использовано в других средах, где аппаратные платформы с ограниченными ресурсами могут быть доступны с необходимым потенциалом для выполнения контейнеров виртуализации (например, Интернет вещей или IoT, среды). В любом случае применимость этого решения к различным средам и его потенциальная адаптация потребует тщательного изучения на индивидуальной основе.
Наконец, следует отметить, что представленные результаты были получены в лабораторных условиях и с помощью устройств БПЛА, заземленных или следующих ограниченному и четко определенному плану полета. Другие сценарии, связанные с развертыванием на открытом воздухе, могут вводить условия, влияющие на стабильность полета БПЛА и, следовательно, на производительность службы IP-телефонии.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была частично поддержана европейским проектом H2020 5GRANGE (грантовое соглашение 777137) и проектом 5GCIty (TEC2016-76795-C6-3-R), финансируемым испанским министерством экономики и конкурентоспособности. Работа Луиса Ф. Гонсалеса была частично поддержана европейским проектом H2020 5GinFIRE (грантовое соглашение 732497).
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 |