Formålet med den beskrevne protokol er dobbelt: at konfigurere en netværksfunktion virtualiseringsmiljø ved hjælp af ubemandede luftfartøjer som beregningsenheder, der leverer den underliggende struktur til at udføre virtualiserede netværksfunktioner og til at bruge dette miljø til at understøtte automatiseret udrulning af en funktionel internetprotokol telefonitjeneste over luft køretøjerne.
Network funktion Virtualization (NFV) paradigme er en af de vigtigste støtteteknologier i udviklingen afden 5 gene ration af mobile netværk. Denne teknologi har til formål at mindske afhængigheden af hardware i levering af netværksfunktioner og tjenester ved hjælp af virtualiserings teknikker, der tillader softwarisering af disse funktionaliteter over et abstraktionslag. I denne sammenhæng er der stigende interesse for at udforske potentialet i ubemandede luftfartøjer (UAV’er) for at tilbyde en fleksibel platform, som kan muliggøre omkostningseffektive NFV-operationer over afgrænsede geografiske områder.
For at demonstrere de praktiske muligheder for at udnytte NFV-teknologierne i UAV-platforme præsenteres en protokol for at oprette et funktionelt NFV-miljø baseret på open source-teknologier, hvor et sæt små UAV’er leverer de beregningsressourcer, der understøtter implementeringen af moderat komplekse netværkstjenester. Derefter beskriver protokollen de forskellige trin, der er nødvendige for at understøtte automatiseret udrulning af en IP-telefonitjeneste (Internet Protocol) via et netværk af indbyrdes forbundne UAV’er, som udnytter kapaciteten i det konfigurerede NFV-miljø. Eksperimenter resultater demonstrere den korrekte drift af tjenesten efter dens indsættelse. Selv om protokollen fokuserer på en bestemt type netværkstjeneste (dvs. IP-telefoni), kan de beskrevne trin tjene som en generel vejledning i at implementere andre typer netværkstjenester. På den anden side betragter protokol beskrivelsen beton udstyr og software til at opsætte NFV-miljøet (f. eks. specifikke computere med enkelt bord og open source-software). Det kan være muligt at udnytte andre hardware-og software platforme, selv om det specifikke konfigurations aspekt af NFV-miljøet og tjeneste udrulningen kan medføre variationer i forhold til dem, der er beskrevet i protokollen.
Et af de mest eftertragtede mål inden for den nye æra af mobil kommunikation (oftest kendt somden 5. mobile generation eller 5g) er at kunne levere robuste informationsteknologi tjenester i situationer, hvor den primære telekommunikationsinfrastruktur muligvis ikke er tilgængelig (f. eks. på grund af en nødsituation). I denne sammenhæng får UAV’er stigende opmærksomhed fra forskersamfundet på grund af deres iboende alsidighed. Der er talrige værker, der bruger disse enheder som en hjørnesten for levering af et stort udvalg af tjenester. For eksempel har litteraturen analyseret kapaciteten af disse enheder til at bygge en luft kommunikationsinfrastruktur til at rumme multimedietjenester1,2,3. Desuden har forudgående forskning vist, hvordan samarbejdet mellem flere UAV’er kan udvide funktionaliteten af forskellige kommunikationstjenester som overvågning4, samarbejde eftersøgning og redning5,6,7,8eller Agribusiness9.
På den anden side har NFV-teknologien fået stor betydning inden for teleoperatørerne som en af de 5G-nøgle katalysatorer. NFV repræsenterer en paradigmatisk ændring med hensyn til telekommunikationsinfrastrukturen ved at lindre den nuværende afhængighed af netværksapparater på specialiseret hardware gennem softwarisering af netværkets funktionaliteter. Dette muliggør en fleksibel og smidig udrulning af nye typer kommunikationstjenester. Til dette formål dannede det Europæiske Standardiseringsinstitut for telekommunikation (ETSI) en specifikations gruppe, der skulle definere NFV Architectural Framework10. Desuden er ETSI i øjeblikket vært for open source Mano (OSM) gruppe11, som er ansvarlig for at udvikle en NFV Management and Orchestration (Mano) software stack i overensstemmelse med definitionen af ETSI NFV arkitektoniske ramme.
På baggrund af alle ovennævnte betragtninger undersøges den synergiske konvergens mellem UAVs-og NFV-teknologierne i øjeblikket i udviklingen af nye netapplikationer og-tjenester. Dette illustreres af flere forskningsarbejder i litteraturen, der påpeger fordelene ved disse typer af systemer14,15,16, identificere udfordringerne i denne konvergens og dens manglende aspekter, fremhæve fremtidige forskningslinjer om dette emne17, og præsentere pioner løsninger baseret på open source-teknologier.
Især integrationen af NFV-teknologierne i UAV-arenaen muliggør en hurtig og fleksibel udbredelse af netværkstjenester og applikationer over afgrænsede geografiske områder (f. eks. en IP-telefonitjeneste). Efter denne fremgangsmåde kan en række UAV’er implementeres over et bestemt sted ved at transportere beregnings platforme som nyttelast (f. eks. små enkelt bestyrelses computere). Disse databehandlingsplatforme vil give en programmerbar netværksinfrastruktur (dvs. en NFV-infrastruktur) over udrulnings området og understøtte instantiationen af netværkstjenester og applikationer under kontrol af en MANO-platform.
Uanset fordelene, realiseringen af denne opfattelse præsenterer en række grundlæggende udfordringer, der skal håndteres omhyggeligt, såsom en passende integration af disse beregnings platforme som en NFV infrastruktur, ved hjælp af en eksisterende NFV softwarestak, således at en NFV orkestrering tjeneste kan implementere virtuelle funktioner på UAVs; begrænsningerne med hensyn til de beregningsressourcer, som beregnings platformene giver, da de UAVs, der transporterer dem, typisk kan udgøre begrænsninger med hensyn til nyttelast udstyrs størrelse, vægt og databehandlingskapacitet; den korrekte placering af de virtuelle funktioner på UAVs (dvs. vælge den bedste UAV kandidat til at implementere en bestemt virtuel funktion); opretholdelse af kontrol kommunikationen med UAV’er med henblik på at forvalte VNFs-livscyklussen på trods af den potentielt intermitterende tilgængelighed af netværkskommunikation med dem (f. eks. på grund af mobilitet og batteri begrænsninger) den begrænsede driftstid for UAV’er på grund af deres batteriforbrug; og migrering af de virtuelle funktioner, når en UAV skal udskiftes på grund af dens batteri udmattelse. Disse fordele og udfordringer er beskrevet i tidligere arbejde18,19 , der omfatter udformningen af en NFV system i stand til at støtte automatiseret udrulning af netfunktioner og tjenester på UAV-platforme, samt validering af den praktiske gennemførlighed af dette design.
I denne sammenhæng fokuserer dette dokument på at beskrive en protokol, der muliggør automatiseret udrulning af moderat komplekse netværkstjenester over et netværk af UAV’er ved hjælp af NFV-standarderne og open source-teknologierne. For at illustrere de forskellige trin i protokollen præsenteres en ny udformning af et eksperiment i Nogales et al.19 , som består i indsættelsen af en IP-telefonitjeneste. For at støtte reproducerbarhed af dette arbejde, Real flyvning anses som frivillig i den præsenterede procedure, og ydeevneresultater opnås med UAV enheder på jorden. Interesserede læsere bør være i stand til at replikere og validere udførelsen af protokollen, selv i et kontrolleret laboratorium miljø.
Figur 1 illustrerer den netværkstjeneste, der er udviklet til denne procedure. Denne netværkstjeneste er bygget som en sammensætning af specifikke softwariseringsenheder (kategoriseret i NFV-paradigmet som virtuelle netværksfunktioner eller VNFs) og giver funktionaliteten af en IP-telefonitjeneste til brugere i nærheden af UAVs. Den VNF komponere tjenesten er defineret som følger:
Desuden viser figur 1 de fysiske enheder, der anvendes til eksperimentet, hvordan de er indbyrdes forbundne, og den specifikke allokering af vnfs til enheder.
Et af de vigtigste aspekter af dette eksperiment er brugen af virtualiseringsteknologier og NFV standarder med UAV-platforme. NFV præsenterer et nyt paradigme, der har til formål at afkoble hardware afhængighed af netværkets funktionaliteter, hvilket gør det muligt at leve op til disse funktionaliteter gennem softwarisering. Eksperimentet afhænger derfor ikke af anvendelsen af det hardware udstyr, der er specificeret i protokollen. Alternativt kan der vælges forskellige modeller af computere med en enkelt bestyrelse, så længe de er i overensstemmelse med Uav’s dimensioner og transportkapacitet, og de understøtter Linux-containere.
Uanset denne fleksibilitet med hensyn til hardware udvælgelse er alt det indhold, der er indeholdt i eksperimentets reproducerbarhed, orienteret mod brugen af open source-teknologier. I denne sammenhæng er konfigurations aspekterne og softwareværktøjerne betinget af brugen af Linux som operativsystem.
På den anden side betragter eksperimentet samarbejdet mellem to forskellige databehandlingsplatforme (dvs. UAV Cloud-platformen og Core Cloud-platformen) for at levere en moderat kompleks netværkstjeneste. Dette er dog ikke strengt nødvendigt, og protokollen kan følges for at støtte scenarier, hvor kun UAV Cloud-platformen er involveret.
Desuden kunne den præsenterede løsning potentielt bruges i andre miljøer, hvor ressource begrænsede hardwareplatforme kan være tilgængelige med den nødvendige kapacitet til at udføre virtualiserings beholdere (f. eks. tingenes internet eller IoT, miljøer). Under alle omstændigheder vil anvendeligheden af denne løsning på forskellige miljøer og dens potentielle tilpasninger kræve en omhyggelig undersøgelse i hvert enkelt tilfælde.
Endelig skal det bemærkes, at de forelagte resultater er opnået i et laboratoriemiljø og med UAV-enhederne jordet eller efter en begrænset og veldefineret flyveplan. Andre scenarier, der involverer udendørs installationer kan indføre betingelser, der påvirker stabiliteten af flyvningen af UAVs, og dermed udførelsen af IP-telefonitjeneste.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev delvist støttet af det europæiske Horisont 2020-projekt (tilskudsaftale 777137) og af 5GCIty-projektet (TEC2016-76795-C6-3-R) finansieret af det spanske økonomi-og konkurrence ministerium. Luis F. Gonzalez ‘ arbejde blev delvist støttet af det europæiske Horisont 2020-projekt (» tilskudsaftale 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 |