Målet med den beskrevne protokollen er todelt: å konfigurere et nettverk funksjoner virtualisering miljø ved hjelp av ubemannet antenne kjøretøyer som beregningsorientert enheter som gir den underliggende strukturen for å utføre virtualiserte nettverksfunksjoner og å bruke Dette miljøet for å støtte den automatiserte distribusjonen av en funksjonell tjeneste for Internett-protokoller over antenne kjøretøyene.
Det nettverk funksjonen Virtualization (NFV) paradigmet er ettall av nøkkelen muliggjør teknologiene inne utviklingen av det 5th generasjon av transportabel nettverk. Denne teknologien tar sikte på å minske avhengigheten av maskinvare i tilbudet av nettverksfunksjoner og tjenester ved hjelp av virtualisering teknikker som gjør at softwarization av disse funksjonene over en abstraksjon lag. I denne sammenheng er det økende interesse i å utforske potensialet i ubemannede luftfartøy (UAVs) for å tilby en fleksibel plattform som kan muliggjøre kostnadseffektiv NFV operasjoner over avgrenset geografiske områder.
Å demonstrere det praktisk gjennomførbarhet av bruker NFV teknologiene inne UAV plattform, en protokollen er forevist sette opp en funksjonell NFV omgivelsene basert på åpen kilde teknologiene, i hvilket en sette av liten UAVs levere det regneark ressursene det oppbacking distribusjon av moderat komplekse nettverkstjenester. Deretter protokollen detaljene de ulike trinnene som trengs for å støtte automatisert distribusjon av en Internet Protocol (IP) telefoni tjeneste over et nettverk av sammenkoblede UAVs, utnytte kapasiteten til det konfigurerte NFV-miljøet. Eksperimentering resultater demonstrere forsvarlig drift av tjenesten etter distribusjonen. Selv om protokollen fokuserer på en bestemt type nettverkstjeneste (dvs. IP-telefoni), kan de beskrevne trinnene fungere som en generell veiledning for å distribuere andre typer nettverkstjenester. På den annen side, protokollen beskrivelsen vurderer konkret utstyr og programvare for å sette opp NFV miljøet (f. eks bestemte enkelt bord datamaskiner og åpen kildekode-programvare). Bruk av andre maskinvare-og programvareplattformer kan være mulig, selv om det spesifikke konfigurasjons aspektet ved NFV-miljøet og tjeneste distribusjonen kan vise variasjoner i forhold til de som er beskrevet i protokollen.
En av de mest ettertraktede mål innen den nye æra av mobil kommunikasjon (mest kjent som den 5th mobile generasjon eller 5G) er å kunne gi robust informasjonsteknologi tjenester i situasjoner der den primære infrastruktur for telekommunikasjon ikke kan være tilgjengelig (f. eks på grunn av en nødssituasjon). I denne sammenhengen er UAVs får økende oppmerksomhet fra forskningsmiljøet på grunn av deres iboende allsidighet. Det er mange verker som bruker disse enhetene som en hjørnestein for levering av et stort utvalg av tjenester. For eksempel har litteraturen analysert kapasiteten til disse enhetene for å bygge en antenne kommunikasjon infrastruktur for å imøtekomme multimedia Services1,2,3. Videre har tidligere undersøkelser vist hvordan samarbeidet mellom flere UAVs kan utvide funksjonaliteten til ulike kommunikasjonstjenester som overvåkning4, samarbeids søk og redning5,6,7,8eller agribusiness9.
På den annen side har NFV-teknologien fått stor betydning i teleoperatørene som en av de 5G-viktige Enablers. NFV representerer en paradigmatiske endring i forbindelse med infrastruktur for telekommunikasjon ved å lindre dagens avhengighet av nettverksenheter på spesialisert maskinvare gjennom softwarization av nettverksfunksjonaliteten. Dette gjør det mulig med en fleksibel og smidig distribusjon av nye typer kommunikasjonstjenester. Til dette formålet, den europeiske Telecommunications Standards Institute (ETSI) dannet en spesifikasjon gruppe for å definere NFV arkitektoniske rammeverket10. I tillegg ETSI nå vert for Open Source Mano (OSM) gruppe11, som er ansvarlig for å utvikle en NFV Management og ORCHESTRATION (Mano) programvare stabel på linje med DEFINISJONEN av ETSI NFV arkitektoniske rammeverket.
Gitt alle de nevnte betraktninger, er den synergisk konvergens mellom UAVs og NFV teknologier for tiden studert i utviklingen av romanen nettverksapplikasjoner og tjenester. Dette illustreres av flere forskningsarbeider i litteraturen som påpeker fordelene med disse typer systemer14,15,16, identifisere utfordringene i denne konvergens og dens manglende aspekter, markere fremtidige forsknings linjer på dette emnet17, og presentere Pioneer løsninger basert på åpen kildekode-teknologier.
Spesielt integreringen av NFV teknologiene inn i UAV Arena muliggjør det rask og fleksibel oppstillingen av nettverk tjenestene og søknadene over avgrenset geografisk arealer (e.g., en IP telefon service). Etter denne tilnærmingen, en rekke UAVs kan distribueres over et bestemt sted, transport databehandlingsplattformer som nyttelast (f. eks liten størrelse enkelt bord datamaskiner). Disse databehandlings plattformene vil gi en programmerbar nettverksinfrastruktur (dvs. en NFV-infrastruktur) over distribusjons området, som støtter oppretting av nettverkstjenester og applikasjoner under kontroll av en MANO-plattform.
Til tross for fordelene, presenterer realisering av denne visningen et sett av grunnleggende utfordringer som må nøye adressert, for eksempel riktig integrering av disse databehandlingsplattformer som en NFV infrastruktur, ved hjelp av en eksisterende NFV programvare stabel, slik at en NFV orchestration tjenesten kan distribuere virtuelle funksjoner på UAVs; begrensningene i forhold til beregningsorientert ressurser som tilbys av databehandlingsplattformer, som UAVs transportere dem kan vanligvis presentere begrensninger i forhold til størrelse, vekt, og databehandling kapasitet av nyttelast utstyr; det lated plasseringen av det virkelig funksjonene onto UAVs (i.e., velger det best UAV kandidaten å oppstille en detalj virkelig funksjonen); vedlikehold av kontroll kommunikasjonen med UAVs for å kunne håndtere livssyklusen til VNFs til tross for den potensielt uregelmessige tilgjengeligheten av nettverkskommunikasjon med dem (f.eks. forårsaket av mobilitet og batteri begrensninger); UAVs begrensede Driftstid på grunn av batteriets forbruk; og det Migration av det virkelig funksjonene når en UAV nødvendig å bli erstattet på grunn av dens akkumulator utmattelse. Disse fordeler og angripe er detaljert inne foregående arbeide18,19 det inkluderer planen av en NFV system dugelig av hjelper det automatisert oppstillingen av nettverk funksjonene og tjenestene opp på UAV plattform, likeledes idet godkjenningen av det praktisk gjennomførbarhet av denne tegning.
I denne sammenhengen fokuserer dette papiret på å beskrive en protokoll for å muliggjøre automatisert distribusjon av moderat komplekse nettverkstjenester over et nettverk av UAVs ved hjelp av NFV-standardene og åpen kildekode-teknologier. For å illustrere de ulike trinnene i protokollen, blir det presentert en re-utarbeidelse av et eksperiment som presenteres i Nogales et al.19 , som består av distribusjonen av en IP-telefoni-tjeneste. Å hjelpe reproduserbarheten av denne arbeide, virkelig flyreise er betraktet som idet frivillig inne det forevist fremgangsmåte, og gjennomførelse resultater er oppnådd med det UAV anordninger på bakken. Interesserte lesere bør være i stand til å gjenskape og validere gjennomføringen av protokollen, selv i et kontrollert laboratorium miljø.
Figur 1 illustrerer nettverkstjenesten som er utformet for denne prosedyren. Denne nettverkstjenesten er bygd som en sammensetning av spesifikke softwarization enheter (kategorisert i NFV-paradigmet som Virtual Network functions, eller VNFs) og gir funksjonaliteten til en IP-telefoni tjeneste til brukere i nærheten av UAVs. VNF som komponerer tjenesten, er definert på følgende måte:
I tillegg viser figur 1 de fysiske enhetene som brukes for eksperimentet, hvordan de er sammenkoblet, og den bestemte fordelingen av VNFs til enheter.
Ettall av de fleste betydelig aspektene av denne eksperiment er bruken av virtualization teknologiene og NFV standarder med UAV plattform. NFV presenterer et nytt paradigme sikte på å koble maskinvaren avhengighet av nettverket funksjonalitet, og dermed muliggjør levering av disse funksjonene gjennom softwarization. Eksperimentet er derfor ikke avhengig av bruken av maskinvareutstyret som er angitt i protokollen. Alternativt kan ulike modeller av enkelt bord datamaskiner velges, så lenge de er i tråd med dimensjonene og transportkapasiteten til UAVs og de støtter Linux-beholdere.
Til tross for denne fleksibiliteten når det gjelder maskinvarevalg, er alt innholdet som er gitt for reproduserbarheten til eksperimentet, orientert mot bruken av åpen kildekode-teknologi. I denne sammenhengen er konfigurasjons aspektene og programvare verktøyene betinget av bruk av Linux som operativsystem.
På den andre side, forsøket vurderer det interoperasjon av to annerledes databehandling plattform (i.e., det UAV Cloud plattform og kjernen skyplattform) å skaffe en moderat innviklet nettverk service. Imidlertid, denne er ikke strengt behøvde, og protokollen det kan en føle etter å oppbacking filmmanuskriptet i hvilket bare det UAV Cloud plattform er involvert.
I tillegg kan den presenterte løsningen potensielt brukes i andre miljøer, der maskinvareplattformer med ressurs begrensninger kan være tilgjengelige med den nødvendige kapasiteten til å utføre virtualisering beholdere (for eksempel tingenes Internet t eller IoT, og miljøer). I alle fall vil anvendelsen av denne løsningen til ulike miljøer og dens potensielle tilpasninger krever en grundig studie i et sak-til-sak grunnlag.
Til slutt bør det bemerkes at resultatene presentert har blitt innhentet i et laboratorium miljø og med UAV enheter jordet eller etter en begrenset og veldefinert fly plan. Andre scenarier som involverer utendørs distribusjoner kan innføre forhold som påvirker stabiliteten av flyturen av UAVs, og dermed ytelsen til IP-telefoni tjenesten.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble delvis støttet av European H2020 5GRANGE prosjektet (Grant avtalen 777137), og av 5GCIty prosjektet (TEC2016-76795-C6-3-R) finansiert av den spanske departementet for økonomi og konkurranseevne. Arbeidet til Luis F. Gonzalez ble delvis støttet av European H2020 5GinFIRE prosjektet (gi avtalen 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 |