Summary
Açıklanan protokolün amacı iki yönlüdür: sanallaştırılmış ağ işlevlerini yürütmek ve kullanmak için temel yapıyı sağlayan hesaplamalı varlıklar olarak insansız hava araçları kullanarak bir ağ işlevleri sanallaştırma ortamını yapılandırmak bu ortam hava araçları üzerinde işlevsel bir internet protokolü telefon hizmeti otomatik dağıtım desteklemek için.
Abstract
Ağ Fonksiyonu Sanallaştırma (NFV) paradigması,5 nesil mobil ağların geliştirilmesinde en önemli sağlayan teknolojilerden biridir. Bu teknoloji, bir soyutlama katmanı üzerinde bu işlevlerin yumuşak warization sağlayan sanallaştırma teknikleri kullanarak ağ işlevleri ve hizmetlerinin sağlanmasında donanım bağımlılığını azaltmayı amaçlamaktadır. Bu bağlamda, insansız hava araçlarının (İhA) sınırlı coğrafi bölgeler üzerinde uygun maliyetli NFV operasyonlarını mümkün kılan esnek bir platform sunma potansiyelini keşfetmeye yönelik ilgi artmaktadır.
İhA platformlarında NFV teknolojilerini kullanmanın pratik fizibilitesini göstermek için, açık kaynak teknolojilerine dayalı işlevsel bir NFV ortamı nı kurmak için bir protokol sunulur ve bu ortam, bir dizi küçük İhA'nın destekleyen hesaplama kaynaklarını sağladığı orta derecede karmaşık ağ hizmetlerinin dağıtımı. Daha sonra protokol, yapılandırılan NFV ortamının kapasitelerinden yararlanarak, birbirine bağlı İhA'lardan oluşan bir ağ üzerinden bir internet protokolü (IP) telefon hizmetinin otomatik olarak dağıtılmasını desteklemek için gereken farklı adımları ayrıntılarıyla anlatır. Deneme sonuçları, hizmetin dağıtımından sonra düzgün çalışmasını gösterir. Protokol belirli bir ağ hizmeti türüne (örneğin, IP telefon) odaklansa da, açıklanan adımlar diğer ağ hizmetlerini dağıtmak için genel bir kılavuz olarak hizmet verebilir. Öte yandan, protokol açıklaması, NFV ortamını (örn. belirli tek kartlı bilgisayarlar ve açık kaynak kodlu yazılımlar) kurmak için somut donanım ve yazılımları dikkate alır. NFV ortamının belirli yapılandırma yönü ve hizmet dağıtımı protokolde açıklananlarla ilgili varyasyonlar sunsa da, diğer donanım ve yazılım platformlarının kullanımı uygulanabilir olabilir.
Introduction
Mobil iletişimin yeni çağında (en yaygın olarak 5mobil nesil veya 5G olarak bilinir) en çok imrenilen hedeflerden biri, birincil telekomünikasyon altyapısının kullanılamadığı durumlarda (örneğin, acil bir durum nedeniyle) sağlam bilgi teknolojisi hizmetleri sunabilmektir. Bu bağlamda, İhA'lar kendi doğal çok yönlülük nedeniyle araştırma topluluğunun artan ilgi alıyorsanız. Bu cihazları çok çeşitli hizmetlerin sağlanması için bir mihenk taşı olarak kullanan çok sayıda eser vardır. Örneğin, literatür multimedya hizmetleri1,2,3karşılamak için bir hava iletişim altyapısı oluşturmak için bu cihazların kapasitesini analiz etti. Ayrıca, önceki araştırmalar, çeşitli İhA'lar arasındaki işbirliğinin gözetim4,işbirlikçi arama ve kurtarma5,6,7,8veya tarım salalarının9gibi farklı iletişim hizmetlerinin işlevselliğini nasıl genişletebileceğini göstermiştir.
Öte yandan, NFV teknolojisi 5G anahtar etkinleştiriciler biri olarak telekom operatörleri arasında büyük önem kazanmıştır. NFV, ağ işlevlerinin yumuşaklaştırılması yoluyla ağ cihazlarının özel donanıma olan mevcut bağımlılığını hafifleterek telekomünikasyon altyapısına ilişkin paradigmatik bir değişimi temsil etmektedir. Bu, yeni iletişim hizmetleri türlerinin esnek ve çevik bir şekilde dağıtılmasını sağlar. Bu amaçla, Avrupa Telekomünikasyon Standartları Enstitüsü (ETSI) NFV mimari çerçeve10tanımlamak için bir belirtim grubu oluşturdu. Ayrıca, ETSI şu anda ETSI NFV mimari çerçeve tanımı ile uyumlu bir NFV Yönetim ve Orkestrasyon (MANO) yazılım yığını geliştirmekten sorumlu olan Açık Kaynak Mano (OSM) grup11'ibarındırır.
Yukarıda belirtilen tüm hususlar göz önüne alındığında, İhA'lar ve NFV teknolojileri arasındaki sinerjik yakınsama şu anda yeni ağ uygulamaları ve hizmetlerinin geliştirilmesinde incelenmektedir. Bu sistemlerin bu tür avantajları işaret literatürde çeşitli araştırma çalışmaları ile gösterilmiştir14,15,16, Bu yakınsama ve eksik yönlerini zorlukları belirlemek, bu konuda gelecekteki araştırma hatları vurgulamak17, ve açık kaynak teknolojilerine dayalı öncü çözümler mevcut.
Özellikle, NFV teknolojilerinin İhA arenasına entegrasyonu, ağ hizmetlerinin ve uygulamalarının sınırlı coğrafi bölgeler (örneğin, bir IP telefon hizmeti) üzerinde hızlı ve esnek bir şekilde dağıtılmasını sağlar. Bu yaklaşımı takiben, bilgi işlem platformlarını yük olarak (örn. küçük boyutlu tek tahtalı bilgisayarlar) taşıyarak belirli bir konum üzerinde bir dizi İhA dağıtılabilir. Bu bilgi işlem platformları, bir MANO platformunun kontrolü altında ağ hizmetlerinin ve uygulamalarının anlık olarak sağlanmasını destekleyen, dağıtım alanı üzerinde programlanabilir bir ağ altyapısı (yani bir NFV altyapısı) sağlayacaktır.
Faydalarına rağmen, bu görünümün gerçekleştirilmesi, bir NFV düzenleme hizmetinin İhA'lara sanal işlevler dağıtabilmesi için, bu bilgi işlem platformlarının bir NFV altyapısı olarak uygun şekilde entegrasyonu, mevcut bir NFV yazılım yığını nı kullanarak dikkatle ele alınması gereken bir dizi temel zorluk sunar; bunları taşıyan İhA'lar genellikle yük ekipmanlarının boyutu, ağırlığı ve bilgi işlem kapasitesi açısından sınırlamalar sunabileceğinden, bilgi işlem platformları tarafından sağlanan hesaplama kaynakları açısından kısıtlamalar; Sanal işlevlerin İhA'lara uygun şekilde yerleştirilmesi (örneğin, belirli bir sanal işlevi dağıtmak için en iyi İhA adayının seçilmesi); VNF'lerin yaşam döngüsünü yönetmek için, onlarla ağ iletişiminin aralıklı olarak kullanılabilirliğine rağmen (örneğin, mobilite ve pil kısıtlamaları nedeniyle) kontrol iletişiminin sürdürülmesi; İhA'ların pil tüketimi nedeniyle sınırlı çalışma süresi; ve bir İhA pil yorgunluğu nedeniyle değiştirilmesi gerektiğinde sanal fonksiyonların geçişi. Bu avantajlar ve zorluklar önceki çalışmada ayrıntılı18,19 Bir NFV sisteminin tasarımı ağ fonksiyonları ve UAV platformlarında hizmetlerin otomatik dağıtım destek yeteneğine sahip yanı sıra bu tasarımın pratik fizibilite doğrulama içerir.
Bu bağlamda, bu makalede, NFV standartları ve açık kaynak teknolojilerini kullanan bir İhA ağı üzerinden orta derecede karmaşık ağ hizmetlerinin otomatik olarak dağıtılmasını sağlayacak bir protokol açıklanmaktadır. Protokolün farklı adımlarını göstermek için, Nogales ve ark.19'da sunulan bir denemenin yeniden ayrıntılı bir ayrıntısı sunulur ve bir IP telefon hizmetinin dağıtılmasından oluşur. Bu çalışmanın tekrarlanabilirliğine yardımcı olmak için, sunulan prosedürde gerçek uçuş isteğe bağlı olarak kabul edilir ve sahadaki İhA cihazları ile performans sonuçları elde edilir. İlgilenen okuyucular, kontrollü bir laboratuvar ortamında bile protokolün uygulanmasını çoğaltabilir ve doğrulayabilmeli.
Şekil 1, bu yordam için tasarlanmış ağ hizmetini göstermektedir. Bu ağ hizmeti, belirli softwarization birimlerinin bir bileşimi olarak oluşturulmuştur (Sanal Ağ Fonksiyonları veya VNFs olarak NFV paradigması içinde kategorize) ve İhA'ların çevresindeki kullanıcılara bir IP telefon hizmeti işlevselliğini sağlar. Hizmeti oluşturan VNF aşağıdaki gibi tanımlanır:
- Erişim Noktası VNF (AP-VNF): Bu VNF, son kullanıcı donanımlarına (örneğin, bu denemedeki IP telefonlar) Bir Wi-Fi erişim noktası sağlar.
- IP telefon sunucusu VNF (IP-telefon-server-VNF): Bir sesli aramayı kurmak ve sonlandırmak için IP telefonlar arasında değiş tokuş edilen çağrı sinyalmesajlarını yönetmekten sorumludur.
- Alan Adı Sistemi VNF (DNS-VNF): Bu VNF, genellikle IP telefon hizmetlerinde gerekli olan bir ad çözümleme hizmeti sağlar.
- Access router VNF (AR-VNF): IP telefonları ve telekomünikasyon operatörü etki alanı arasındaki trafik alışverişini (örneğin, bu denemede sinyal izasyonunu) destekleyen ağ yönlendirme işlevleri sağlar.
- Çekirdek yönlendirici VNF (CR-VNF): telekomünikasyon operatörü etki alanında ağ yönlendirme işlevleri sağlayarak operatöre özel hizmetlere (yani IP telefon sunucusuna) ve harici veri ağlarına erişim sağlar.
Ayrıca, Şekil 1 deney için kullanılan fiziksel aygıtları, nasıl birbirine bağlı olduklarını ve VNF'lerin aygıtlara özel dağılımını sunar.
Protocol
1. Deney için önceki gerekli koşullar
- Açık Kaynak MANO (OSM) projesi tarafından sağlanan Yönetim ve Orkestrasyon (MANO) yazılım yığınını yükleyin. Özellikle, bu deneme, tek bir sunucu bilgisayarında veya OSM topluluğu tarafından belirtilen gereksinimleri yerine getiren sanal makinede (VM) yürütülebilen OSM Release FOUR20'yikullanır: Ubuntu 16.04 işletim sistemi (64 bit varyant görüntü), iki merkezi işlem birimi (CPU), 8 GB rasgele erişim belleği (RAM), 40 GB depolama diski ve Internet erişimi olan tek bir arayüz ağı. OSM Release FOUR'u teknik detaylarıyla birlikte yükleme yordamı, OSM topluluğu tarafından sağlanan çevrimiçi belgelerde mevcuttur21.
- OSM Release FOUR ile uyumlu bir sanal altyapı yöneticisinin (VIM) işlevlerini sağlayan bir bulut bilgi işlem platformu oluşturun. Bu deneme için, OpenStack sürümü Ocata22, işletim sistemi, dört CPU, 16 GB RAM ve 200 GB depolama diski olarak Ubuntu 16.04 ile vm çalışan kullanılır. Denemede, VIM, her biri Ubuntu 16.04 işletim sistemi, sekiz CPU, 128 GB RAM ve 4 TB depolama diski içeren iki yüksek profilli sunucu bilgisayartarafından entegre edilmiş bir NFV altyapısını (NFVI) yönetir. Bir bulut bilgi işlem platformu kurmak için nasıl tüm bilgiler OpenStack belgeleri23dahil yükleme kılavuzunda yer almaktadır. Bu bulut platformu çekirdek bulut platformu olarak adlandırılır.
- İhA'lar için ek bir bulut bilgi işlem platformu kurmak, İhA bulut platformu olarak adlandırılır.
- Bu platformun OpenStack sürümü Ocata'ya dayalı bir VIM özelliğine sahip olduğundan emin olun. Bu durumda, VIM kurulumu tarafından kullanılan kaynaklar işletim sistemi olarak Ubuntu 16.04, iki CPU, 6 GB RAM, 100 GB depolama diski ve harici bir Wi-Fi USB bağdaştırıcısıdır.
- Bu bulut platformunda entegre edilen NFVI, tek bir sabit bilgi işlem sunucusu (işletim sistemi olarak Ubuntu 16.04, sekiz CPU, 8 GB RAM, 128 GB depolama diski ve harici bir Wi-Fi USB bağdaştırıcısı) ve üç tek kartlı bilgisayardan (SBC) oluşur. İkincisi kolayca bir İhA onboard olabilir bir donanım platformu sağlar. İşlem düğümleri olarak bu aygıtlarla bir İhA bulut platformu kurma yordamı için Bölüm 3'e bakın.
- Her SBC'yi, bir İhA tarafından taşınan, hareket halindeyken bile bu birimlerin çalışmasını sağlamak için üstte (HAT) bağlı bir pil gücü kaynağı donanımı ile donatın.
NOT: Denemedeki ağ hizmetinin sağlanması İhA'lara sahip olmaya bağlı olmadığından adım 1.5 isteğe bağlıdır. Buna ek olarak, SBC'ler İhA'ların yükü olarak taşınır ve ip telefon hizmetinin düzgün çalışması için gerekli ağ iletişimleri SBC'ler tarafından Wi-Fi adaptörleri aracılığıyla sağlandığı ndan ve güç kaynağı adım 1.4'te belirtilen güç kaynağı HAT tarafından sağlandığı için başka ek bağlantı (örn. Ethernet veya USB) gerekmez. - Sabitleme aksesuarı aracılığıyla her SBC'yi bir İhA'nın yükü olarak takın. Bu deneyde, SBC'ler tarafından sunulan işlem birimlerini taşımak için üç ticari İhA seçildi.
- IEEE 802.11b kablosuz iletişim standardını destekleyen iki kablosuz kablosuz sesli IP (VoIP) telefonu seçin; Bu model Wi-Fi üzerinden kablosuz iletişim sağlar. Alternatif olarak, sesli arama Linphone24 veya Jitsi25gibi softphone uygulamaları kullanılarak yürütülebilir.
- Deneysel bir gereklilik olarak, kullanılabilirliği emin olun: a) osm yazılım yığını ve HER VIM arasında katman-3 iletişim bu deneme için geliştirilen ağ hizmetinin düzenlenmiş dağıtım etkinleştirmek için, b) katman-3 iletişim VNF yapılandırma yordamlarını desteklemek için her bulut platformunda OSM ve VNF'ler arasında ve c) ağ hizmetinin düzgün çalışmasını sağlamak için her VIM'de çalışan VNF'ler arasındaki katman-3 iletişimi.
- Denemeyi gerçekleştirmek için gereken tüm içerik, http://vm-images.netcom.it.uc3m.es/JoVE/ genel deney deposundasağlanır.
2. Öykünme yoluyla softwarization birimlerinin işlevselliğini doğrulamak
NOT: Deneyin ağ hizmetinin uygun işleyişini kanıtlamak için (bkz. Şekil 1)gerçekçi dağıtım koşulları altında, Linux kapları26 ve ns-327'ye dayalı amaca özel bir öykünme platformu kullanılmıştır. Bu platform, çoklu atlamalı hava bağlantılarının taklit edilmesine ve bu bağlantıların özelliklerinin tanımlanmasına olanak tanır (örn. kablosuz iletişim bağlantılarının uzunluğu, veri paketi kayıplarının deseni, kablosuz iletişimde kullanılan radyo teknolojisi, vb.). Bu nedenle, protokolün bu bölümü, öykünme platformu üzerinden gerçekçi kablosuz iletişim bağlantısı koşulları altında IP telefon hizmetinin uygun çalışmasını doğrulamak için izlenecek adımları açıklar.
- Öykünme platformını deneme deposundan indirin. Platform sanal makine olarak kullanılabilir, adlı "uav-nfv-jove-experiment.qcow", KVM sanallaştırma teknolojisi ile uyumlu28. Bu makine, Şekil 1'de sunulan ağ hizmetini ve çoklu İhA senaryosunu taklit eden önceden oluşturulmuş bir şablon ve bu şablonu yürütebilen yönetici ayrıcalıklarına sahip bir kullanıcı içerir.
NOT: Varsayılan olarak, öykünme platformu sanal makine başlatıldığında aşağıdaki adımlar otomatik olarak yürütülür: a) sanal ortam ağ öykünmesini (yani ağ arabirimleri, Linuxköprüleri 29)etkinleştirmek için yapılandırılır; b) test yatağının farklı fiziksel bileşenlerini (örneğin, SBC'ler ve İhA bulut platformu için sabit bilgi işlem sunucusu ve çekirdek bulut platformu için bilgi işlem sunucusu) temsil eden Linux Kapları oluşturulur; ve c) IP telefon hizmetinin farklı VNF'leri (yani erişim noktaları, yönlendiriciler, DNS hizmeti ve IP telefon sunucusu) tarafından sağlanan işlevler, ilgili taklit Edilmiş SBC'ler ve bilgi işlem sunucuları üzerinden Linux Konteynerleri olarak dağıtılır. - Doğrulama işleminden önce, farklı ağ katılımcıları arasındaki bağlantıyı etkinleştirmek için ns-3 simülatörü kullanarak taklit edilmiş bir çoklu atlamalı hava ağı kurun. Bu yordam, Şekil 1'de gösterilen senaryoda yer alan gerçekçi kablosuz iletişimleri taklit edecektir (örneğin, UAV bulut platformunun düğümleri ile hizmette sağlanan iki Wi-Fi erişim noktası tarafından sunulan kablosuz ağlar arasında veri alışverişini sağlayan Wi-Fi geçici ağ).
- Multi-hop hava ağını oluşturun. Bu amaçla, aşağıdaki komutu kullanarak multi-hop-aerial-net.sh komut dosyası (öykünme platformu makine içinde kullanılabilir) yürütmek: sudo sh /home/jovevm/scripts/multi-hop-aerial-net.sh > multi-hop-aerial-net-trace.log 2>&1 &. Bu komut, hata durumunda hata ayıklama yı etkinleştirmek için belirtilen günlük dosyasındaki simülasyon izini betimlemesi.
- Ağın başarıyla oluşturulıp oluşturulmadığını denetleyin. Bu amaçla, Linux Containers "IP-phone-a" ve "IP-phone-b" (Şekil 1'de AP-VNF'ye bağlanan son kullanıcı donanımı olarak gösterilmiştir) DHCP hizmeti aracılığıyla yalnızca çoklu atlama lı hava ağı üzerinden erişilebilen bir IP adresi elde edip etmediğini doğrulayın. Öykünme makinesi içinde yürütülen Linux konteynerinin durumu ve IP adresleri lxc komutu kullanılarakkontrol edilebilir.
- IP telefon görüşmesini ayarlamak için gereken sinyal iletilerini işlemek için taklit edilmiş ağ hizmetinin kapasitesini doğrulayın. Bu amaçla hem "IP-phone-a" hem de "IP-phone-b" Linux kapları "SIPp"aracını 30'ayüklemiştir. "SIPp", söz konusu sinyal mesajlarını oluşturan bir IP telefonu taklit etme, bunları bir IP telefon sunucusuna gönderme ve ikincisinin doğru çalışmasını doğrulamak için yanıtı işleme işlevi sağlar.
- KOMUT dosyasını, IP-telefon sunucusu-VNF'ye sinyal mesajları oluşturmak ve göndermek için "SIPp" aracını çalıştıran her iki kapsayıcıda da test-signaling.sh çalıştırın.
- Önceki adımın yürütülmesiyle sağlanan senaryo ekranını denetleyin. "200" yanıtının alınması, IP-telefon sunucusu-VNF'nin uygun işleyişini gösterir.
- Ağ hizmetinin BIR IP telefon görüşmesi sırasında oluşturulan veri trafiğini işleyebilir doğrulayın. Bunu yapmak için, akış zamanlama "Trafic" aracı31 "IP-phone-a" ve "IP-phone-b" Linux kaplarında yüklenir.
- Trafic sunucu aracısını başlatmak için aşağıdaki komutu çalıştırın: lxc exec IP-phone-b sh called-party.sh.
- Sonra, Trafic istemci aracısını başlatmak ve ağ istatistikleri almak için aşağıdaki komutu yürütmek: lxc exec IP-phone-a sh caller.sh. Sesli aramayı taklit eden veri trafiği 60'lı yıllar sonra sonlandırılır. Komut dosyası, ses trafiğiyle ilgili bir onay iletisi ve en önemli performans ölçümlerini görüntüler.
- Elde edilen ölçümleri kontrol edin ve IP telefon hizmetinin etkileşimli sesli konuşmayı etkili bir şekilde destekleyip destekleyebiliyor olduğunu doğrulayın. Bunu yapmak için, temsilci sonuçları bölümünde yer alan bilgilere bakın.
3. İhA'lar bulut platformu inşaatı
- Hafif VNF'leri çalıştırmak için sanallaştırma alt katmanını sağlayabilecek SBC modelini seçin. Deneme sırasında kullanılan SBC aygıtlarının teknik özellikleri şunlardır: dört CPU, 1 GB RAM ve 32 GB depolama diski. Ayrıca, her SBC'nin üç ağ arabirimi vardır: Ethernet arabirimi, entegre bir Wi-Fi arabirimi ve harici bir Wi-Fi USB bağdaştırıcısı.
- SGT'leri daha sonra İhA bulut platformuna entegre edilecek şekilde hazırlayın.
- OpenStack yükleme paketleri bu Linux dağıtımıdahil göz önüne alındığında, işletim sistemi olarak Ubuntu Mate32 16.04.6 yükleyin.
- SBC'lerin UAV bulut platformunun bilgi işlem düğümleri olarak hareket etmesine izin vermek için OpenStack belgeleri33'te belirtildiği şekilde gerekli paketleri yükleyin ve yapılandırın. Önceki kılavuzu n ardından, OpenStack paketlerinin yapılandırmasında Linux kapsayıcılarının kullanımını etkinleştirin. Kapsayıcı sanallaştırmagenellikle küçük boyutlu İhA'larda yerleşik olabilir aygıtların kaynak kısıtlamaları nedeniyle kullanılır.
- SBC'de, deneme deposunda bulunan komut dosyasını rpi-networking-configuration.shindirin ve çalıştırın. Bu komut dosyası, SBC'lerin kablosuz iletişiminin yanı sıra kablosuz arabirimlere bağlı sanal ağların oluşturulmasına izin vermek için gerekli yapılandırmayı da sağlar.
- Komut dosyasını VIM-networking-configuration.sh,deneme deposunda bulunan, UAV bulut platformu VIM'yi çalıştıran ana bilgisayarda indirin ve çalıştırın. Bu komut dosyası, SBC'lerle bilgi alışverişini etkinleştirmek için VIM'in kablosuz iletişiminin ayarlanmasını denetler.
NOT: Ağ iyi yapılandırıldığında ve VIM SBC'lerle bağlantı kurduğunda, VIM bunları otomatik olarak VNF'leri yürütebilen hesaplama birimleri olarak İhA bulut platformuna entegre eder.
- SBC'lerin her biri için bir OpenStack kullanılabilirlik bölgesi oluşturun. Bu, deneyin hafif VNF'lerinin her birinin uygun bir İhA ünitesinde dağıtılmasına olanak sağlar. Bunu yapmak için, YÖNETICI kimlik bilgileriyle VIM tarafından sağlanan web grafik kullanıcı arabiriminde oturum açın, Administrator > System > Host Aggregates sekmesinde kullanılabilirlik bölgeleri oluşturun ve uygun ana bilgisayar eklemek için her kullanılabilirlik bölgesini düzenleyin (örn. her SBC İhA bulut platformuna entegre).
- İhA bulut platformunun doğru kurulumuna doğrulayın. Bunu yapmak için, önceki adımdakiyle aynı oturum açma ile Administrator > System > System Information sekmesine erişin ve görüntülenen öğelerin durumunun "Alive" ve "UP" olup olmadığını kontrol etmek için Bilgi İşlem Hizmeti ve Ağ Aracıları bölümünü tıklatın.
4. Denemenin yapılandırılması
- IP telefon hizmetinin farklı bileşenlerini uygulayan VNF görüntülerini indirin: AP-VNF, DNS-VNF, IP-telefon-server-VNF, AR-VNF ve CR-VNF. Bu görüntüler deneme deposundan indirilebilir.
- VNF görüntülerini muhabirleri VIM'ye (örneğin, AP-VNF ve DNS-VNF' yi UAV bulut platformu VIM'ye) ve VoIP-VNF'yi çekirdek bulut platformu VIM'ye yükleyin. Bunu yapmak için, yönetici kimlik bilgileriyle her VIM tarafından sağlanan web grafik kullanıcı arabiriminde oturum açın, Administrator > System > Images sekmesinin Resim Oluştur düğmesini tıklayın ve görüntülenen formu kullanarak ve uygun görüntüyü seçerek bir resim oluşturun. Bu işlem, önceki adımda indirilen her görüntü için ilgili VIM'de yapılır.
- Deneme deposundan deneyin VNF tanımlayıcılarını (VNFDs) indirin. Bu tanımlayıcılar, bir VNF'nin operasyonel gereksinimlerini açıklayan şablonların yanı sıra VNF'nin kendisini barındırmadan sorumlu kullanılabilirlik bölgesini gösteren yerleşim ilkelerini de sağlar. NFV tanımlayıcıları hakkında daha fazla bilgi OSM34bilgi modelibulunabilir.
- VNFD'leri yükleyin. OSM grafik kullanıcı arabirimine erişmek için bir web tarayıcısı kullanın ve yönetici kimlik bilgileriyle oturum açın. Ardından VNFD'leri sürükleyin ve VNF Paketleri sekmesine bırakın.
- Ağ hizmetleri tanımlayıcısını (NSD) deneme deposundan indirin. Bu tanımlayıcı, hizmeti oluşturan VNF'leri ve bu VNF'lerin nasıl birbiriyle bağlantılı olduğunu belirten bir şablondur.
- NSD'yi yükleyin. NSD'yi OSM grafik kullanıcı arabiriminin NS Paketleri sekmesine sürükleyin ve bırakın.
- OSM'nin grafik kullanıcı arabirimini kullanarak, UAV bulut platformu VIM ve çekirdek bulut platformu VIM için bir VIM hesabı ekleyin. Bunu yapmak için, yönetici kimlik bilgileri ile VIM hesapları sekmesine erişin, düğme + Yeni VIM tıklayın ve istenen bilgilerle görüntülenen formu doldurun. Her iki VIP için de bu eylemi yineleyin.
5. Denemenin yürütülmesi
- Ağ hizmetini dağıtın. OSM grafik kullanıcı arabiriminin NS paketleri sekmesinden, adım 4.6'da yüklenen NSD'nin Instantiate NS düğmesine tıklayın. Ardından, NS'i oluşturan her VNF'yi dağıtmak için kullanılacak VIM'i gösteren görüntülenen formu doldurun. Buna ek olarak, OSM, vnfds belirtilen yerleşim politikaları işleme hangi kullanılabilirlik bölgesi (yani, bizim test yatağında bir bilgi işlem birimi) her VNF barındırma sorumlu olduğunu belirtmek için sorumludur. Bu deney için VNF'ler Şekil 1'degösterildiği gibi bilgi işlem birimlerine yerleştirilir.
NOT: Alternatif bir yöntem olarak, OSM doğrudan kullanıcı etkileşimi sağlayan bir komut satırı arabirimi sağlar. Bu denemeyi çoğaltan bir kullanıcı, grafik arabirimi yerine bu komut satırı arabirimini, özellikle bir VNF veya NS tanımlayıcısının onboarding ile ilgili adımları ve ağ hizmeti. - OSM grafik kullanıcı arabiriminin ağ hizmeti dağıtımındaki başarıyı gösterene kadar bekleyin.
NOT: Ağ hizmetinin çalışması İhA'ların uçuşundan tamamen bağımsızdır: İhA'lar uçarken veya bir yüzeye tünemiş pil tüketiminden tasarruf ederken IP telefon hizmeti sağlanabilir. Böylece, adım 5.3 isteğe bağlıdır. - İhA'ları çıkar. Mobil uygulamaya giriş yapın ve her İhA'nın uçuşunu kontrol ederek bir ara yükseklikte sağlam bir şekilde koruyun ve motorların yüzeye yakın dönmesinden kaynaklanan türbülansı önleyebilirsiniz.
- Aramayı gerçekleştirmek için IP telefonların her birini hazırlayın.
- Kablosuz bir VoIP telefonunu ağ hizmeti tarafından sunulan erişim noktalarının her birine bağlayın. Bunun için Menü > Kablosuz > SSID sekmesinde SSID(Servis Kümesi Tanımlayıcısı)seçeneğini belirtin ve Menü > Kablosuz > Ağ Modu bölümünde Altyapı modunu seçin. Son olarak, Menü > Net Ayarlar > Ağ Modu sekmesinde Dinamik Ana Bilgisayar Yapılandırma Protokolü (DHCP) aracılığıyla ağ yapılandırmasını seçin.
- IP telefon sunucusu ile uygun sinyal iletileri alışverişini sağlamak için Oturum Başlatma Protokolü (SIP) parametrelerini yapılandırın. Bu bağlamda, Menü > SIP Ayarları sekmesine erişin ve Registrar > Registrar IP ve Proxy Server > Proxy IP sekmelerinde IP telefon sunucusu VNF'nin ("dronesVoIP.net") ana bilgisayar adını belirtin. Ayrıca, Kullanıcı Hesabı > Telefon Numarası ve Kullanıcı Hesabı > Kullanıcı Adı bölümlerinde kullanıcının adını (örn. arayan-A) tanıtan bir kullanıcı hesabı oluşturun.
- Çağrılacak kullanıcının bilgilerini sağlayan IP telefonlardan birinin telefon defterine bir giriş oluşturun. Bunu yapmak için Menü > Phonebook > Giriş Ekle sekmesini seçin ve ekranda aşağıdaki gibi görünen istenen parametreleri doldurun: Görüntü adı = caller-B; Kullanıcı Bilgileri = arayan-B; Ana bilgisayar IP = dronesVoIP.net; Bağlantı noktası = 5060. Son olarak, P2P 'ye (eşler arası) karşı "Proxy" seçeneğiniseçin.
- Diğer tarafa çağrıyı başlatın. Bunu yapmak için, IP telefonun Menü > Telefon Rehberi > Arama seçeneğini kullanarak çağrılan tarafı seçin. Ardından arama düğmesine basın. Diğer IP telefon çalmaya başladığında, gelen aramayı arama düğmesiyle kabul edin.
6. Deneysel sonuçları toplama prosedürü
- Bir emtia dizüstü bilgisayarını kablosuz AP'lerden birine bağlayın ve ping komut hattı aracını 180'li s sırasında diğer AP'ye bağlı telefonun IP adresine çalıştırın. IP adresi, AP ile bağlantı kurulduktan sonra IP telefonun Menü > Bilgi > IP adresi seçeneğinde kontrol edilebilir.
- IP araması sırasında değiştirilen trafiği yakalamak için çalışan AP VNF'lerinden birinde tcpdump komut satırı aracını çalıştırın. Bu trafiği, yürütme sırasında komut satırı aracının yazı bayrağını etkinleştiren ve dosyanın adını belirten bir dosyaya kaydedin.
- Yeni bir IP telefon görüşmesi gerçekleştirin. Aramayı istenilen süre için koruyun (örn. 1 dk). Ardından, IP telefonlardan birinin kapat düğmesine basarak aramayı sonlandırın.
- Daha fazla işleme için tcpdump ve ping araçları tarafından oluşturulan dosyaları tutun. Temsilci Sonuçlarına bakın.
Representative Results
Gerçek bir VoIP çağrısının yürütüldüğü denemenin yürütülmesi sırasında elde edilen verilere dayanarak ve bu bilgileri toplamak için protokoltarafından belirtilen adımları izleyerek Şekil 2, iki son kullanıcı ekipmanı öğesi (yani bir emtia dizüstü bilgisayarı ve IP telefon) arasında ölçülen uçtan uca gecikmenin kümülatif dağıtım işlevini göstermektedir. Bu kullanıcı donanımı, dağıtılan ağ hizmetinin AP VNF'leri aracılığıyla birbirine bağlı iki aygıtı temsil eder. Uçtan uca gecikme ölçümlerinin %80'inden fazlası 60 ms'in altındaydı ve hiçbiri 150 ms'den yüksek değildi, bu da sesli aramanın yürütülmesi için uygun gecikme ölçümlerini garanti ediyordu.
Şekil 3, DNS ve SIP sinyal mesajlarının değişimini göstermektedir. Bu mesajlar, IP telefon sunucusundaki kullanıcılardan birinin (yani IP telefonu AP VNF'ye bağlı olan kullanıcının "tcpdump" aracının çalıştığı yerdeki) kaydına ve sesli aramanın oluşturulmasına karşılık gelir.
Son olarak, Şekil 4 ve Şekil 5 arama sırasında yakalanan veri trafiğini gösterir. Özellikle, ilki arama sırasında kablosuz telefonlardan biri tarafından iletilen ve alınan sürekli ses paketini temsil ederken, ikincisi ortalama değeri 1 ms'den düşük olan ileri yöndeki gerginliği göstermektedir.
Gecikme rakamları (uçuça gecikme ve gerginlik) için deneyde elde edilen sonuçlar, Uluslararası Telekomünikasyon Birliği - Telekomünikasyon Standardizasyon Sektörü (ITU-T) tarafından belirlenen önerileri karşılar35. Buna göre, sesli arama hiçbir aksaklık ve iyi ses kalitesi ile ilerledi. Bu deneme, işlevsel bir IP telefon hizmeti dağıtmak için NFV teknolojileri ve İhA'lar kullanmanın pratik fizibilitesini doğrulamaktadır.
Şekil 1: VNF'leri, yürütüldikleri varlıkları ve IP telefon hizmetinin sağlanması için gereken sanal ağları gösteren ağ hizmetine genel bakış. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Uç-uç gecikme. AP VNF'lere bağlı son kullanıcı donanımına sunulan uçtan uca gecikmenin gösterimi. Bu amaçla, "ping" komut satırı aracı ile elde edilen ölçülen RTT örneklerinden uçtan uca gecikmenin kümülatif dağılım fonksiyonu hesaplanmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Kullanıcı kaydı ve çağrı sinyal mesajları. Bir kullanıcıyı IP telefon sunucusuna kaydetmek ve sesli aramanın yürütülmesini destekleyen multimedya oturumunu oluşturmak ve sonlandırmak için değiştirilen sinyal trafiğinin (DNS ve SIP) çizimi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Ses paketleri akışı. Arama sırasında değiştirilen ses trafiğinin temsili, AP VNF'lerinden birinde ölçülür. (Kısaltmalar: RX = almak, RX = iletme, RTP = gerçek zamanlı taşıma protokolü). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Arama sırasında ağ gerginliğinin evrimi. Bir telefondan diğerine ileri yönde iletilen ses paketleritarafından yaşanan jitter temsili. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Discussion
Bu deneyin en önemli yönlerinden biri sanallaştırma teknolojilerinin ve NFV standartlarının İhA platformları ile kullanılmasıdır. NFV, ağ işlevlerinin donanım bağımlılığını ayırmayı amaçlayan yeni bir paradigma sunarak bu işlevlerin yumuşak savaşla sağlanmasını sağlar. Buna göre, deneme protokolde belirtilen donanım donanımının kullanımına bağlı değildir. Alternatif olarak, İhA'ların boyutları ve taşıma kapasitesiyle uyumlu oldukları ve Linux kapsayıcılarını destekledikleri sürece, tek kartlı bilgisayarların farklı modelleri seçilebilir.
Donanım seçimi açısından bu esnekliğe rağmen, denemenin tekrarlanabilirliği için sağlanan tüm içerik açık kaynak teknolojilerinin kullanımına yöneliktir. Bu bağlamda, yapılandırma yönleri ve yazılım araçları linux'un işletim sistemi olarak kullanılmasına koşullandırılmış.
Öte yandan, deney, orta derecede karmaşık bir ağ hizmeti sağlamak için iki farklı hesaplama platformunun (yani İhA bulut platformu ve çekirdek bulut platformu) etkileşimini dikkate alır. Ancak, bu kesinlikle gerekli değildir ve protokol yalnızca İhA bulut platformu dahil olduğu senaryoları desteklemek için izlenebilir.
Buna ek olarak, sunulan çözüm, kaynak kısıtlı donanım platformlarının sanallaştırma kapsayıcılarını yürütmek için gerekli kapasiteyle kullanılabildiği diğer ortamlarda (örn. Nesnelerin İnterneti veya IoT, ortamları). Her halükarda, bu çözümün farklı ortamlara uygulanabilirliği ve olası uyarlamaları, ayrı ayrı dikkatli bir çalışma gerektirir.
Son olarak, sunulan sonuçların laboratuvar ortamında ve İhA cihazlarının topraklanmış veya sınırlı ve iyi tanımlanmış bir uçuş planı nın ardından elde edildiği unutulmamalıdır. Dış mekan konuşlandırmalarını içeren diğer senaryolar, İhA'ların uçuş istikrarını ve dolayısıyla IP telefon hizmetinin performansını etkileyen koşullara neden olabilir.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma kısmen Avrupa H2020 5GRANGE projesi (hibe anlaşması 777137) ve İspanya Ekonomi ve Rekabet Bakanlığı tarafından finanse edilen 5GCIty projesi (TEC2016-76795-C6-3-R) tarafından desteklenmiştir. Luis F. Gonzalez'in çalışmaları Kısmen Avrupa H2020 5GinFIRE projesi (hibe anlaşması 732497) tarafından desteklenmiştir.
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).
