所述协议的目标是双重的:使用无人驾驶飞行器将网络功能虚拟化环境配置为计算实体,提供执行虚拟化网络功能和使用的基础结构这种环境支持在空中车辆上自动部署功能性的互联网协议电话服务。
网络功能虚拟化(NFV)范式是第五代移动网络发展的关键支持技术之一。该技术旨在通过使用虚拟化技术,在抽象层上对这些功能进行软war化,从而减少在提供网络功能和服务方面对硬件的依赖。在这方面,人们越来越有兴趣探索无人驾驶飞行器(无人机)的潜力,以提供一个灵活的平台,以便能够在划定的地理区域内实现具有成本效益的NFV业务。
为了证明在无人机平台中利用NFV技术的实际可行性,提出了一种基于开源技术的实用NFV环境的协议,其中一组小型无人机提供支持的计算资源。部署中等复杂的网络服务。然后,该协议详细说明了支持通过互连 UAV 网络自动部署 Internet 协议 (IP) 电话服务所需的不同步骤,利用了配置的 NFV 环境的容量。实验结果演示了服务在部署后的正确操作。尽管协议侧重于特定类型的网络服务(即 IP 电话),但所述步骤可以作为部署其他类型的网络服务的一般指南。另一方面,协议描述考虑了设置 NFV 环境的具体设备和软件(例如,特定的单板计算机和开源软件)。其他硬件和软件平台的利用可能是可行的,尽管 NFV 环境和服务部署的特定配置方面可能会与协议中所述的平台存在差异。
在移动通信新时代(最常见的第5代移动或 5G)中,最令人垂涎的目标之一是在主要电信基础设施可能不可用的情况下(例如,由于紧急情况)提供可靠的信息技术服务。在这方面,无人机由于其固有的多功能性,越来越受到研究界的重视。有许多作品使用这些设备作为提供各种服务的基石。例如,文献分析了这些设备的能力,以建立一个空中通信基础设施,以适应多媒体服务1,2,3。此外,先前的研究还表明,若干无人机之间的合作如何扩展不同通信服务的功能,如监视4、协同搜救5、6、7、8或农业综合企业9。
另一方面,作为5G关键推动因素之一,NFV技术在电信运营商中具有十分重要的意义。NFV 通过网络功能的软战争化,减轻了网络设备目前对专用硬件的依赖,从而代表了电信基础设施的范式变化。这使得新型通信服务能够灵活、灵活地部署。为此,欧洲电信标准协会(ETSI)成立了一个规范小组来定义NFV架构框架10。此外,ETSI 目前托管开源马诺 (OSM) 组11,该组负责开发与 ETSI NFV 体系结构框架定义一致的 NFV 管理和编排 (MANO) 软件堆栈。
鉴于上述所有考虑,目前正在研究开发新型网络应用和服务时无人机与NFV技术之间的协同融合。文献中的几篇研究著作说明了这一点,这些研究著作指出了这些类型的系统14、15、16的优点,指出了这种趋同的挑战及其缺失的方面,强调了未来关于这一主题17的研究路线,并展示了基于开源技术的先驱解决方案。
特别是,NFV 技术集成到无人机领域,能够快速灵活地在划定的地理区域(例如 IP 电话服务)上部署网络服务和应用程序。按照这种方法,可以在特定位置部署大量无人机,将计算平台作为有效负载(例如小型单板计算机)进行传输。这些计算平台将在部署区域提供可编程的网络基础设施(即 NFV 基础结构),支持在 MANO 平台控制下实例化网络服务和应用程序。
尽管这样做有好处,但实现这一观点带来了一系列需要认真解决的基本挑战,例如,使用现有的 NFV 软件堆栈将这些计算平台作为 NFV 基础结构进行适当集成,以便 NFV 业务流程服务可以在 UAV 上部署虚拟功能;计算平台提供的计算资源方面的限制,因为运输它们的无人机通常可能存在有效负载设备的大小、重量和计算能力方面的限制;将虚拟函数正确放置在无人机上(即选择最佳无人机候选项以部署特定的虚拟函数);维护与无人机的控制通信,以便管理 VAV 的生命周期,尽管与无人机的网络通信可能间歇性可用(例如,由于移动性和电池限制);无人机因电池消耗而有限的运行时间;以及由于电池耗尽而需要更换无人机时虚拟功能的迁移。这些好处和挑战在以前的工作18,19中详细介绍,其中包括一个NFV系统的设计,该系统能够支持在UAV平台上自动部署网络功能和服务,以及验证这一设计的实际可行性。
在此背景下,本文重点介绍了一种协议,以便使用 NFV 标准和开源技术在无人机网络上自动部署中等复杂的网络服务。为了说明议定书的不同步骤,介绍了在Nogales等人19中提出的一个实验的重新阐述,包括部署IP电话服务。为了辅助这项工作的可重复性,在所呈现的程序中,实际飞行被认为是可选的,并且地面上的无人机设备可以获得性能结果。感兴趣的读者应该能够复制和验证协议的执行,即使在受控的实验室环境中也是如此。
图 1说明了为此过程设计的网络服务。此网络服务由特定的软waranan 单元(在 NFV 范例中归类为虚拟网络功能或 VNF)组成,并为 UAV 附近的用户提供 IP 电话服务的功能。构成服务的 VNF 定义如下:
此外,图 1还介绍了用于实验的物理设备、它们如何互连以及 VNF 到设备的特定分配。
此实验的最重要方面之一是在 UAV 平台中使用虚拟化技术和 NFV 标准。NFV 提出了一种新模式,旨在分离网络功能的硬件依赖性,从而通过软war.因此,实验不依赖于协议中指定的硬件设备的使用。或者,可以选择不同型号的单板计算机,只要它们与 UAV 的尺寸和传输能力一致,并且它们支持 Linux 容器。
尽管在硬件选择方面具有这种灵活性,但为实验的可重复性提供的所有内容都面向开源技术的使用。在此上下文中,配置方面和软件工具习惯于使用 Linux 作为操作系统。
另一方面,实验考虑了两个不同计算平台(即UAV云平台和核心云平台)的互操作,以提供中等复杂的网络服务。但是,这不是严格需要的,并且可以遵循协议来支持仅涉及 UAV 云平台的方案。
此外,提供的解决方案可能用于其他环境,其中资源受限的硬件平台可能具有执行虚拟化容器所需的容量(例如,物联网或物联网、环境)。无论如何,这种解决方案是否适用于不同的环境及其潜在的适应,都需要在个案基础上进行仔细研究。
最后,应当指出,所提交的结果是在实验室环境中取得的,是无人机装置接地或遵循有限和明确定义的飞行计划后取得的。涉及室外部署的其他方案可能会引入影响无人机飞行稳定性的条件,从而影响 IP 电话服务的性能。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了欧洲H2020 5GRANGE项目(赠款协议777137)以及西班牙经济和竞争力部资助的5GCIty项目(TEC2016-76795-C6-3-R)的部分支持。Luis F. Gonzalez 的工作部分得到欧洲 H2020 5GinFIRE 项目(赠款协议 732497)的支持。
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 |