このプロトコルの目的は、VPNベースのオーバーレイネットワークアーキテクチャを通じて、5G実験インフラストラクチャをマルチサイトNFVエコシステムに柔軟に組み込むことです。さらに、このプロトコルは、NFV対応の小型航空機によるマルチサイト垂直サービス展開を含む、統合の有効性を検証する方法を定義します。
ネットワーク機能仮想化(NFV)は、モバイルネットワーク の第5世代、つまり5Gの主要なイネーブラーの1つと見なされてきました。このパラダイムは、通信および垂直サービスを展開する特殊なハードウェアへの依存を減らすことができます。この目的のために、ネットワーク機能をソフトワライズし、開発を簡素化し、展開時間とコストを削減するために仮想化技術に依存しています。この文脈では、カルロス3世デ・マドリード、テレフォニカ、IMDEAネットワークス・インスティテュートは、5G技術に焦点を当てたオープンネットワークイノベーションセンターである5TONIC内にNFVエコシステムを開発し、分散されたNFVインフラストラクチャ全体で複雑で現実の実験シナリオを作成することを可能にしました。この記事では、5TONIC をベースにしたマルチサイト NFV エコシステムに新しいリモート NFV サイトを組み込むために定義されたプロトコルを示し、既存のインフラストラクチャと新しく組み込まれたインフラストラクチャの両方の要件、オーバーレイ ネットワーク アーキテクチャを介した接続性、および新しいサイトを含めるために必要な手順について説明します。このプロトコルは、外部サイトを5TONIC NFVエコシステムに組み込むことによって例示される。その後、プロトコルは、サイト統合の成功を検証するために必要な検証手順を詳述します。これには、小型無人航空機(SUV)を備えたリモートNFVインフラストラクチャを使用したマルチサイト垂直サービスの展開が含まれます。これは、分散型実験シナリオを可能にするプロトコルの可能性を示す役割を果たします。
第5世代のモバイルネットワーク(5G)の導入は、10年の初めから通信業界に革命を起こすことを暗示しており、通信事業者は5G傘1,2の下で開発された新しいネットワーキングサービスとアプリケーションのはるかに厳しい仕様に対処することを要求しています。.これらの新しい仕様には、データレートの増加、ワイヤレス伝送の遅延の改善、運用コストの削減などがありますが、これらに限定されません。この新世代の改善の基盤となる技術の中で、ネットワーク機能仮想化3(NFV)は、その主要なイネーブラーの一つとなっています。NFV は、データセンター内のサーバー コンピュータなどの汎用物理機器を代わりに使用して、従来は専用ハードウェアで中継するネットワーク機能をソフトワレーゼーションする能力を提供します。この新しいパラダイムにより、通信事業者と垂直産業は、ネットワーク機能とサービスをソフトウェアコンポーネントのセットとして展開し、サービスの導入と保守の両方のコストを削減し、ネットワークインフラストラクチャの弾力性を大幅に向上させることができます。このアプローチにより、ほとんどのネットワークおよび垂直固有の機能に専用の (通常は複雑で再利用可能な) デバイスを使用する必要が軽減または排除され、運用の自動化のレベルが大幅に高く、より密度の高い、導入コストとメンテナンス コストを削減できます。
NFV環境が提供できるすべての利点を考慮すると、通信分野の関係者の多くがNFV環境で新しいサービスアイデアのテストにますます関与しているのは当然です。この文脈では、テレフォニカとIMDEAネットワーク研究所は、5G技術に焦点を当てたオープンな研究とイノベーションの研究室である5TONIC4を作成しました。マドリード(スペイン)に拠点を置くこの研究所は、5Gサービスの開発と検証を促進するために、研究やパートナーのために利用可能な技術の広い範囲を持っています。特に、この研究室には、開発者がETSI準拠のNFVエコシステム5上で新しいNFVベースのアプリケーションとサービスを展開し、テストすることができる実験的なNFVプラットフォームがあります。したがって、設計の選択と技術提案に関する実験的な結論は、実稼働ネットワークよりもはるかに柔軟な現実的な環境で導き出すことができます。このプラットフォームは、複数の外部サイトにわたる実験活動をサポートするように設計されており、明確に定義されたプロトコルを使用して5TONICに柔軟に相互接続することができます。
5TONIC NFVエコシステムに採用されている技術的なソリューションは、ETSIホストのオープンソースMANO(OSM)ソフトウェア6を使用して実装された単一のNFVオーケストレーターの利用を考慮する。これは、ネットワーク サービス (NS) のライフサイクルの管理と調整を担当する要素です。これらのサービスは、NFVプラットフォームに統合された任意のサイトに展開できる仮想化ネットワーク/垂直機能(VNF)の構成として構築することができます。5TONIC NFVエコシステムの設計は、H2020 5GINFIREプロジェクト7,8の文脈で行われ、ヨーロッパとブラジルの8つの垂直特異的実験インフラで、競争的なオープンコールプロセスを通じて選択された25以上の実験の実行をサポートするためにプラットフォームが使用され、後者はトランスオーシャンリンクを介して接続されています。さらに、プラットフォームを活用して、スペインの全国規模で分散NFVテストベッドを構築し、スペインの5GCityプロジェクト9、10内の実験活動を支援しました。最近では、プラットフォームにブラジルのサイトが統合され、ブラジルとヨーロッパの間で確立された研究とイノベーション協力の文脈での共同デモ活動を支援する(すなわち、5GRANGEプロジェクト11,12)。最後に、インフラストラクチャは、5G-VINNI プロジェクト13、14の範囲でサード パーティの実験をサポートするために使用されています。図 1 に、NFV プラットフォームの地理的分布を確認できます。
独自のNFVインフラストラクチャをホストする関心のある組織は、5TONICステアリングボードの承認を受けて5TONIC NFVエコシステムに柔軟に接続し、分散エコシステム内のテスト対象プロバイダーとなり、共同実験とデモンストレーション活動に参加することができます。このためには、OSMソフトウェアスタックに準拠したVIM(仮想インフラストラクチャ・マネージャ)を搭載する必要があります。5TONIC NFV オーケストレーターは、特定のサービス展開に関連するサイトの VIM と対話し、ネットワーク サービスを構成する VNF のインスタンス化と相互接続に必要なコンピューティング、ストレージ、ネットワーク リソースの割り当てと設定を調整し、そのライフサイクルをオンボーディングから最終的な廃棄まで制御します。
5TONIC NFV エコシステムは、相互接続されたサイト内での制御とデータ トラフィックの交換を管理するために、仮想プライベート ネットワーク(VPN)に基づくオーバーレイ ネットワーク アーキテクチャを使用します。このアプローチは、5TONIC エコシステムに統合された外部サイトへの PKI ベースの安全なアクセスを提供し、OSM ソフトウェア スタックとテストベッドに分散された異なる VIM 間で NFV 制御情報を交換するとともに、すべての VNF の管理と構成に必要な情報の交換を可能にします。さらに、このオーバーレイ ネットワークは、異なるサイトに展開される VNF 間でのデータ トラフィックの分散をサポートします。
このホワイト ペーパーでは、外部サイトを NFV エコシステムに組み込むプロトコルについて詳しく説明します。このプロトコルは、エコシステムが単一のNFVオーケストレーターによって管理され、中央サイトに設置され、外部サイトはオーケストレーターソフトウェアスタックに準拠したVIMソリューションを備えているものとします。提案されたプロトコルは、NFVサイトと垂直固有のインフラストラクチャの柔軟な組み込みで、実験生態系のリソースのポートフォリオをインクリメントすることができます。これにより、単一のNFVオーケストレーターの制御下で、複数のサイトにわたる新規ネットワークおよび垂直サービスのテストと検証が可能な分散MANOプラットフォームを作成できます。プロトコルの内部動作を説明するために、このプロセスは、外部NFVサイトを現在の5TONIC NFVエコシステムに追加し、外部サイトと5TONICで必要なコンポーネントを説明し、統合プロセス中に取られるすべての手順を例示する。 図 2 は、中央サイトと他の外部インフラストラクチャ間の VPN 接続を使用して、ネットワーク サービスを展開できる 5TONIC プラットフォームに新しい NFV ベースのテストベッドを接続した、統合の目的の概要を示しています。
さらに、このプロトコルの有効性を示すために、5TONICエコシステムとNFV対応小型無人航空機(SUV)を備えた外部サイトを使用して、シンプルな垂直サービスの展開が行われます。垂直サービスの設計は、この論文の説明目的のために簡略化されたVidalら9で提示された実験に触発されました。 図3 は、遠隔地でのスマートな農業活動を支援することを目的としたサービスの概要を示しています。このサービスは、SUVを使用して、作物場に散在する気象センサーによって生成されたデータを収集し、普及させるスマートファーミングサービスプロバイダーを考慮しています。簡潔にするために、この論文で紹介する実験では、温度、湿度、および圧力の測定を提供できる単一のSUAVとセンサを考慮しています。実験では、外部 NFV サイトは、SuAV 上で VNF として展開されている Wi-Fi アクセス ポイントをホストします。このVNFはセンサーへのネットワーク アクセス接続を提供し、感知されたデータをゲートウェイ機能に転送します。後者は、地上機器(ミニITXコンピュータ)にVNFとして配備されます。センサーからゲートウェイ機能へのデータの普及は、メッセージ キュー テレメトリ トランスポート (MQTT) プロトコル15に基づくパブリッシュ/サブスクライブアプローチに従います。ゲートウェイ機能は、Ma流入16 オープンソースプラットフォームに基づいて、NFVエコシステムの中央サイトでVNFとして利用可能になるモノのインターネット(IoT)サーバーに向けてデータを処理し、普及させます。最後に、このシナリオでは、3GPP 以外の携帯ネットワークでインターネット接続が提供されるリモート領域を想定しています。したがって、このサービスには、2 つの追加 VNF が含まれています: 1) アクセス ルータ VNF、非 3GPP アクセス ネットワーク17に接続された 3 GPP ユーザー機器のユーザー プレーン プロトコル スタックを実装します。2) アクセス ルータと IoT サーバ VNF 間の情報転送をサポートする、5G コア ネットワークのベースライン実装。この目的のために、5GコアVNFは、3GPP17で定義される非3GPPインターワーキング機能およびユーザプレーン関数のユーザプレーンの簡略化された実装を提供する。
最後に、 図 4 は、プロトコルの開発中に関係する最も関連性の高いプロセスを表し、その論理相互接続と、その実行を担当するエンティティを示しています。
前述のプロトコルの最も重要な側面の 1 つは、地理的な場所の観点から(リモート サイトとのネットワーク通信の帯域幅と遅延がサポートしている限り)、NFV エコシステムに新しい計算インフラストラクチャを組み込む優れた柔軟性です。VPN ベースのオーバーレイ ネットワーク アーキテクチャを通じて、リモート サイトを NFV エコシステムの中央施設に接続するための仮想リンクを確立できます。このアプローチにより、NFV エコシステムのサイト間で NFV とデータ通信をサポートする効果的かつ安全なチャネルを提供できるため、展開されたサービスから NFV オーケストレーション プロセスおよびデータに関する機密情報に外部の関係者がアクセスしたり、機密情報を変更したりする可能性が低くなります。このコンテキストでは、プロトコルは、新しいインフラストラクチャの統合を可能にする外部サイトと VPN 資格情報を安全に共有する特定の方法論も記述します。このプロトコルは、カルロス3世デ・マドリード、テレフォニカ、IMDEAネットワークス研究所によって5TONICで利用可能になったNFVエコシステムを使用して例示されていますが、このプロトコルのステップ1で述べた以前の必要条件を満たす他のNFV環境で利用される一般的なものです。
さらに、プロトコルの実装に対してオープンソースツールとソフトウェアを独占的に活用することを強調する価値があります。異なる独自のソリューション (Fortinet35など)によって提供される可能性のある潜在的に有益な機能にもかかわらず、オープンソース開発の使用は、コスト効率、オープンソースコミュニティが提供する広範なソフトウェアサポート、および高い信頼性などの固有の特性のために、プロトコルに包含されるすべての要素の統合を促進しました。 それらのいくつかを挙げるためだけに。また、オープンソース技術の活用は、類似した性質のコンポーネント間の相乗効果を促進する可能性もあります。たとえば、プラットフォームを使用してクライアントの VPN 接続状態を監視するために、プロトコル全体で実装される VPN サービスは、Open-vpn モニタ ツール36 (OpenVPN サーバーと相互運用可能な Python ベースの監視ツール) に依存できます。
一方、プロトコル仕様では、検証のために、異なるサイト間でネットワーク サービスをインスタンス化することを検討しています。この点に関しては、特定のサイトでのサービスの展開は、サイトでのコンピューティング、ストレージ、ネットワーク リソース、および展開を実行するために必要な特殊な機器 (NFV 対応の SUV など) の可用性に左右されることを強調することが重要です。これはプロトコルの制限ではなく、このペーパーで説明する実験の再現に関心のある関係者が考慮する必要があります。
さらに、ネットワークサービスの展開に必要な時間は、オーケストレーターと異なるVIM間のネットワークパス、VIMとその管理計算ノード間のデータ通信のパフォーマンス、およびこれらの計算ノードの本質的な性質(利用可能なコンピューティングリソースのためだけでなく、 ネットワーク機能の仮想化を行うために組み込まれた技術も含まれています)。
最後に、このプラットフォームとそのVPNサービスがこれまでに使用されたヨーロッパのプロジェクトやコラボレーション作品(例えば、5GINFIRE、5GRANGEまたは5GCity、この文書の導入で言及されている)に対する優れたパフォーマンスを考えると、それはカルロス3世デ・マドリード大学が新たにヨーロッパのプロジェクトで重要な要素とみなされます。 テレフォニカ、IMDEAネットワーク研究所は、ホライゾン2020ラビリンス、またはTRUE-5Gのような国家プロジェクトなどの参加しています。
The authors have nothing to disclose.
この作業は、欧州のH2020 LABYRINTHプロジェクト(補助金契約H2020-MG-2019-TwoStages-861696)とTRUE5Gプロジェクト(PID201)によって部分的にサポートされました スペイン国立研究庁が出資する9-108713RB-C52PID2019-108713RB-C52 / AEI / 10.13039/501100011033)さらに、ボルハ・ノガレス、イワン・ビダル、ディエゴ・R・ロペスの作品は、ヨーロッパのH2020 5G-VINNIプロジェクト(815279の交付契約番号)によって部分的にサポートされています。最後に、アレハンドロ・ロドリゲス・ガルシアがこの作品の実現に向けて彼のサポートに感謝します。
Bebop 2 | Parrot | UAV used in the experiment to transport the RPis and thus, provide mobility to the compute units of external site. | |
BME280 Sensor | Bosch | Sensor capable of providing readings of the environmental conditions regarding temperature, barometric pressure, and humidity. | |
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 extternal aite. In addition, another unit of this equipment (along with the RPis) conforms the computational resources of the NFV insfrastrucure included in that site. | |
Iptables | Netfilter – Open source tool | (Software) An open source command line utility for configuring Linux kernel firewall rulset. Source-code available online: https://www.netfilter.org/projects/iptables/ | |
Lithium Battery Pack Expansion Board. Model KY68C-UK | Kuman | Battery-power supply HAT (Hardware Attached on Top) for the UAV computation units composing the NFV infrastructure of the external site. | |
MacBook Pro | Apple | Commodity laptop utilized during the experiment to obtain and gather the results as described in the manuscript. | |
Mainflux | Mainflux Labs – Open source platform | (Software) Open source Internet of Things (IoT) platform used in the experiment for implementing the virtual network function called as IoT Server VNF. In addition, this platform includes an open-source software based on Grafana which allows the visualization and formatting of the metric data. Source code available online: https://www.mainflux.com/ | |
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/docs/user-guide/ | |
OpenStack – Release Ocata | OpenStack – Open source community | (Software) Open source software used for setting up both the NFV infrastrucure of the central site and the NFV infrastructure of external site within the experiment. Source-code available online: https://docs.openstack.org/ocata/install-guide-ubuntu | |
OpenVPN – Version 2.3.10 | OpenVPN – Open source community | Open source software implementing the VPN service presented in the experiment for the creation of the overlay network that will enable the operations of the NFV ecosystem (providing connectivity among all the sites comprising the ecosystem). Source-code available online: https://openvpn.net/ | |
Openvpn-monitor | Python – Open source software | (Software) Open source program based on Python code that allows the visualization of the state of the VPN service, as well as the representation of the sites that are connected at every instant. For this purpose, the program check priodically the information provided by the VPN server implemented with OpenVPN. Source-code available online: https://github.com/furlongm/openvpn-monitor | |
Paho-mqtt 1.5.0 | Python – Open source library | (Software) Open source library developed in Python code that enables the trasmission of the data read by the sensor through the use of MQTT standard Source-code available online: https://pypi.org/project/paho-mqtt/ | |
Ping | Debian – 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 central site presented in the experiment. | |
Power Edge R430 | Dell | High-profile computer server in charge of hosting the virtual private network (VPN) service. Note that the computing requirements for provisioning this service are high due to the resource consumption of the encryption operations present in the service. | |
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 of the central site 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. | |
Raspberry PI. Model 3b | Raspberry Pi Foundation | Selected model of Single Board Computer (SBC ) used for providing the computational capacity to the experiment's external site. In addition, this SBC model is used during the deployment of the included realistic service for interpreting and sending the data collected by a sensor. | |
RPi.bme280 0.2.3 | Python – Open source library | (Software) Open source library developed in Python code that allows to interface the sensor Bosch BME280, and interpret the readings offered by that sensor. Source-code available online: https://pypi.org/project/RPi.bme280/ |