פריסה אוטומטית של שירות טלפוניה בפרוטוקול אינטרנט בכלי רכב לא מאוישים באמצעות וירטואליזציה של פונקציות רשת
Summary
מטרת הפרוטוקול המתואר היא כפולה: כדי לקבוע תצורה של סביבת וירטואליזציה של פונקציות רשת באמצעות כלי רכב לא מאוישים כישויות חישוביות המספקות את המבנה הבסיסי לביצוע פונקציות רשת וירטואליזציה ולשימוש סביבה זו כדי לתמוך בפריסה האוטומטית של שירות טלפוניה בפרוטוקול אינטרנט פונקציונלי דרך כלי הרכב האוויריים.
Abstract
הפרדיגמה של וירטואליזציה של פונקציות רשת (NFV) היא אחד המפתחות המאפשרים טכנולוגיות בפיתוח שלהדור ה -5 של רשתות סלולריות. טכנולוגיה זו שואפת להפחית את התלות בחומרה במתן פונקציות ושירותים ברשת באמצעות טכניקות וירטואליזציה המאפשרות לsoftwarization של פונקציות אלה בשכבת הפשטה. בהקשר זה, קיים עניין גובר בחקירת הפוטנציאל של כלי רכב מאוישים (מל טים) להציע פלטפורמה גמישה המסוגלת לאפשר פעולות NFV חסכוניות על פני אזורים גיאוגרפיים מופרדים.
כדי להדגים את הכדאיות המעשית של ניצול טכנולוגיות NFV בפלטפורמות מזל ט, פרוטוקול מוצג כדי להגדיר סביבת NFV תפקודית המבוססת על טכנולוגיות קוד פתוח, שבו קבוצה של מטוסים קטנים מספקים את המשאבים החישוביים התומכים פריסה של שירותי רשת מורכבים בינוניים. לאחר מכן, הפרוטוקול מפרט את השלבים השונים הדרושים לתמיכה בפריסה האוטומטית של שירות טלפוניה בפרוטוקול אינטרנט (IP) ברשת של מטוסים מחוברים ביניהם, מינוף הקיבולות של סביבת NFV שהוגדרה. תוצאות הניסויים מדגימות את הפעולה התקינה של השירות לאחר פריסתו. למרות שהפרוטוקול מתמקד בסוג מסוים של שירות רשת (כלומר, טלפוניית IP), השלבים המתוארים עשויים לשמש כמדריך כללי לפריסת סוג אחר של שירותי רשת. מצד שני, תיאור הפרוטוקול מתייחס לציוד ולתוכנה מבטון כדי להגדיר את סביבת NFV (לדוגמה, מחשבי לוח יחיד ספציפיים ותוכנות קוד פתוח). הניצול של פלטפורמות חומרה ותוכנה אחרות עשוי להיות אפשרי, למרות שהיבט התצורה הספציפי של סביבת NFV ופריסת השירות עשויים להציג וריאציות ביחס לאלה המתוארות בפרוטוקול.
Introduction
אחת המטרות הנחשק ביותר בעידן החדש של התקשורת הניידת (הידועה ביותר בתור הדור הניידה -5 או 5g) היא להיות מסוגלת לספק שירותי טכנולוגיית מידע חזקים במצבים שבהם תשתית הטלקומוניקציה הראשית אינה יכולה להיות זמינה (למשל, עקב מקרה חירום). בהקשר זה, החברה מקבלים את תשומת הלב הגוברת מקהילת המחקר בשל רב-תכליתיות הטבועה בהם. ישנן עבודות רבות המשתמשות במכשירים אלה כאבן פינה למתן מגוון רחב של שירותים. למשל, הספרות ניתחו את היכולת של התקנים אלה כדי לבנות תשתית תקשורת אווירית להכיל שירותי מולטימדיה1,2,3. יתרה מזאת, המחקר הקודם הראה כיצד שיתוף הפעולה בין כמה מטוסים, יכול להאריך את הפונקציונליות של שירותי תקשורת שונים כגון מעקב4, חיפוש שיתופי והצלה5,6,7,8, או חקלאות9.
מצד שני, הטכנולוגיה NFV רכשה משמעות רבה בתוך מפעילי הטלקום כאחד המפתחות 5G מפתח. הפונקציה NFV מייצגת שינוי פרדיגמטי בנוגע לתשתית הטלקומוניקציה על-ידי הקלה על התלות הנוכחית של מכשירי רשת בחומרה מיוחדת באמצעות הsoftwarization של פונקציות הרשת. פעולה זו מאפשרת פריסה גמישה ומגמישה של סוגים חדשים של שירותי תקשורת. למטרה זו, הקימו מכון לתקני הטלקומוניקציה האירופי (ETSI) קבוצת מפרט להגדרת המסגרת האדריכלית של NFV10. בנוסף, ETSI מארחת כיום את הקבוצה קוד פתוח (OSM)11, שהוא אחראי על פיתוח מחסנית Nfv ניהול ו תזמור (מנו) החברה מיושר עם ההגדרה של המסגרת האדריכלית ETSI nfv.
בהתחשב בכל השיקולים הנ ל, ההתכנסות הסינרגיה בין מטוסים וטכנולוגיות NFV לומדים כעת בפיתוח יישומים ושירותים חדשניים של הרשת. הדבר מומחש על ידי מספר עבודות מחקר בספרות המצביעות על היתרונות של סוגים אלה של מערכות14,15,16, לזהות את האתגרים של ההתכנסות הזאת ואת ההיבטים החסרים שלה, להדגיש קווי מחקר עתידיים בנושא זה17, ולהציג פתרונות פיוניר בהתבסס על טכנולוגיות קוד פתוח.
במיוחד, השילוב של טכנולוגיות NFV לתוך הזירה מזל ט מאפשר פריסה מהירה וגמישה של שירותי רשת ויישומים על אזורים גיאוגרפיים מופרדים (למשל, שירות טלפוניה IP). בעקבות גישה זו, ניתן לפרוס מספר מל טים על מיקום מסוים, ולהעביר את פלטפורמות המחשוב כתוכן המנה (למשל, מחשבי לוח יחיד בגודל קטן). פלטפורמות מחשוב אלה יספקו תשתית רשת ניתנת לתיכנות (כלומר, תשתית NFV) באזור הפריסה, התומכת ביצירת מופעים של שירותי רשת ויישומים תחת שליטתה של פלטפורמת מנו.
על אף היתרונות, מימוש השקפה זו מציג מערכת של אתגרים בסיסיים שצריך לטפל בהם בקפידה, כגון השילוב המתאים של פלטפורמות מחשב אלה כתשתית NFV, באמצעות מחסנית תוכנה קיימת של NFV, כך ששירות תזמור NFV יכול לפרוס פונקציות וירטואליות ב-מל טים; האילוצים במונחים של המשאבים החישוביים המסופקים על-ידי פלטפורמות המחשוב, מאחר שהעברת המקורות האלה עשויה להציג בדרך כלל מגבלות מבחינת גודל, משקל וקיבולת מיחשוב של ציוד התוכן; המיקום הנכון של הפונקציות הווירטואליות ב-“מל טים” (כלומר, בחירת מועמד מזל ט הטוב ביותר לפריסת פונקציה וירטואלית מסוימת); תחזוקת התקשורת של הבקרה עם ה-מל טים כדי לנהל את מחזור החיים של ה-VNFs למרות הזמינות הפוטנציאלית של תקשורת רשת עמם (למשל, כתוצאה ממגבלות ניידות וסוללה); זמן הפעולה המוגבל של המל-טים עקב צריכת הסוללה שלהם; והגירה של הפונקציות הווירטואליות כאשר צריך להחליף את המל ט עקב מיצוי הסוללה. יתרונות ואתגרים אלה מפורטים בעבודה הקודמת18,19 הכולל את העיצוב של מערכת nfv מסוגל לתמוך הפריסה האוטומטית של פונקציות הרשת ושירותים על פלטפורמות מזל ט, כמו גם את האימות של הכדאיות המעשית של עיצוב זה.
בהקשר זה, נייר זה מתמקד בתיאור פרוטוקול כדי לאפשר את הפריסה האוטומטית של שירותי רשת מורכבים בינוניים ברשת של מטוסים באמצעות תקני NFV וטכנולוגיות קוד פתוח. כדי להמחיש את השלבים השונים של הפרוטוקול, מוצג מחדש של ניסוי המוצג Nogales ואח ‘19 מוצגת, המורכבת מפריסת שירות טלפוניה IP. כדי לסייע ליכולת הפעולה הזאת, הטיסה האמיתית נחשבת כאופציונלית בהליך המוצג, ותוצאות הביצועים מתקבלות עם מכשירי מזל ט על הקרקע. קוראי מתעניינים צריכים להיות מסוגלים לשכפל ולאמת את הביצוע של הפרוטוקול, אפילו בסביבת מעבדה מבוקרת.
איור 1 מדגים את שירות הרשת המיועד לפרוצדורה זו. שירות רשת זה בנוי כהרכב של יחידות softwarization ספציפיות (מסווגות בתוך הפרדיגמה של NFV כפונקציות רשת וירטואלית, או VNFs) ומספק את הפונקציונליות של שירות טלפוניה IP למשתמשים בקרבת מטוסים. ה-VNF ההלחנה של השירות מוגדרים כדלקמן:
- נקודת גישה VNF (AP-VNF): זה VNF מספק גישה Wi-Fi לציוד למשתמש הקצה (כלומר, טלפונים IP בניסוי זה).
- שרת טלפוניה IP VNF (IP-טלפוניה-שרת-VNF): היא אחראית לניהול הודעות איתות שיחה הוחלפו בין טלפונים IP כדי ליצור ולסיים שיחת קול.
- מערכת שם דומיין VNF (DNS-VNF): זה VNF מספק שירות זיהוי שמות, אשר בדרך כלל נחוץ בשירותי טלפוניה IP.
- נתב גישה VNF (AR-VNF): מספק פונקציות ניתוב רשת, תמיכה בחילופי תעבורה (כלומר, השיחה איתות בניסוי זה) בין טלפונים IP לבין התחום של מפעיל הטלקומוניקציה.
- נתב הליבה VNF (CR-VNF): מספק פונקציות ניתוב רשת בתחום מפעיל הטלקומוניקציה, המציע גישה לשירותים ספציפיים למפעיל (כלומר, שרת טלפוניה IP) ורשתות נתונים חיצוניים.
בנוסף, איור 1 מציג את המכשירים הפיזיים המשמשים לניסוי, כיצד הם מחוברים ביניהם וההקצאה הספציפית של vnfs להתקנים.
Protocol
Representative Results
Discussion
אחד ההיבטים החשובים ביותר של ניסוי זה הוא השימוש בטכנולוגיות וירטואליזציה ובתקני NFV עם פלטפורמות מזל ט. NFV מציג פרדיגמה חדשה במטרה לזיווג את התלות בחומרה של הרשת פונקציונליות, ובכך מאפשר את האספקה של פונקציונליות אלה דרך softwarization. בהתאם לכך, הניסוי אינו תלוי בשימוש בציוד החומרה המצוין בפרוטוקול. לחילופין, ניתן לבחור מודלים שונים של מחשבי לוח בודדים, כל עוד הם בקנה אחד עם הממדים וקיבולת ההובלה של מטוסים ותומכים במכולות לינוקס.
על אף הגמישות הזאת במונחים של בחירת החומרה, כל התוכן המסופק עבור האפשרות החדשה של הניסוי מכוון לעבר השימוש בטכנולוגיות קוד פתוח. בהקשר זה, היבטי התצורה וכלי התוכנה ממוזגים לשימוש בלינוקס כמערכת ההפעלה.
מצד שני, הניסוי מחשיב את הפעילות ההדדית של שתי פלטפורמות חישוביות שונות (דהיינו, פלטפורמת הענן של המל ט ופלטפורמת הענן המרכזית) כדי לספק שירות רשת מורכב בינוני. עם זאת, אין צורך לעשות זאת באופן מדויק, וניתן לעקוב אחר הפרוטוקול כדי לתמוך בתרחישים שבהם מעורב רק פלטפורמת הענן של המל ט.
בנוסף, הפתרון המוצג עשוי לשמש בסביבות אחרות, בהן פלטפורמות חומרה מוגבלת למשאבים עשויות להיות זמינות עם היכולת הדרושה לביצוע מכולות וירטואליזציה (לדוגמה, האינטרנט של דברים, או הרבה, סביבות). בכל מקרה, תחולתה של פתרון זה לסביבות שונות ולעיבודים הפוטנציאליים שלה ידרוש מחקר קפדני באופן מקרי לחלוטין.
לבסוף, יש לציין כי התוצאות המוצגות התקבלו בסביבת מעבדה ועם מכשירי המזל ט מבוססים או בעקבות תוכנית טיסה מוגבלת ומוגדרת היטב. תרחישים אחרים הכרוכים בפריסות חוצות עשויים להציג תנאים המשפיעים על יציבות הטיסה של מטוסים, ומכאן הביצועים של שירות טלפוניה IP.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו הייתה נתמכת באופן חלקי על ידי פרויקט H2020 5GRANGE האירופי (גרנט הסכם 777137), ועל ידי פרויקט 5GCIty (TEC2016-76795-C6-3-R) ממומן על ידי משרד הכלכלה הספרדי תחרותיות. העבודה של לואיס פ. גונזלס נתמכת באופן חלקי על ידי פרויקט H2020 5GinFIRE האירופי (גרנט הסכם 732497).
Materials
| 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, 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, 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. , 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. , 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. , 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. , 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). , 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). , (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. , 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). , (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)
- . 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).
