설명된 프로토콜의 목적은 VPN 기반 오버레이 네트워크 아키텍처를 통해 5G 실험 인프라를 다중 사이트 NFV 에코시스템에 유연하게 통합하는 것입니다. 또한 이 프로토콜은 NFV가 탑재한 소형 공중 차량을 탑재한 다중 사이트 수직 서비스 배포를 포함하여 통합의 유효성을 검증하는 방법을 정의합니다.
NFV(네트워크 기능 가상화)는5세대 모바일 네트워크 또는 5G의 핵심 인에이블러 중 하나로 간주되고 있습니다. 이 패러다임을 통해 통신 및 수직 서비스를 배포하기 위해 특수 하드웨어에 대한 의존도를 줄일 수 있습니다. 이를 위해 가상화 기법을 사용하여 네트워크 기능을 소프트워라이징하고 개발을 단순화하고 배포 시간과 비용을 줄입니다. 이러한 맥락에서, Universidad Carlos III de Madrid, Telefónica 및 IMDEA 네트웍스 연구소는 5G 기술에 중점을 둔 개방형 네트워크 혁신 센터인 5TONIC 내부에 NFV 생태계를 개발하여 분산된 NFV 인프라 세트에서 복잡한 현실 실험 시나리오를 생성할 수 있도록 하여 서로 다른 지리적 위치에서 이해 관계자가 사용할 수 있습니다. 이 문서에서는 5TONIC를 기반으로 새로운 원격 NFV 사이트를 다중 사이트 NFV 에코시스템에 통합하여 기존 인프라와 새로 통합된 인프라에 대한 요구 사항, 오버레이 네트워크 아키텍처를 통한 연결 및 새 사이트 포함에 필요한 단계를 설명하는 정의된 프로토콜을 제공합니다. 이 프로토콜은 외부 사이트를 5TONIC NFV 생태계에 통합하여 예시됩니다. 그런 다음 프로토콜에서 성공적인 사이트 통합을 확인하는 데 필요한 확인 단계를 자세히 설명합니다. 여기에는 소형 무인 항공기(SUV)가 있는 원격 NFV 인프라를 사용하여 다중 사이트 수직 서비스 배포가 포함됩니다. 이는 분산 실험 시나리오를 활성화하기 위한 프로토콜의 잠재력을 보여주는 역할을 합니다.
5세대 이동통신망(5G)의 도입은 10년 초부터 통신산업에 혁명을 일으켰으며, 통신사업자는 5G 우산1,2에 따라 개발된 새로운 네트워킹 서비스 및 애플리케이션의 훨씬 더 까다로운 사양을 다루도록 요구하고있다. . 이러한 새로운 사양에는 데이터 전송 속도 증가, 무선 전송 대기 시간 개선 및 운영 비용 절감이 포함되나 이에 국한되지 않습니다. 이 새로운 세대의 개선의 토대를 구성하는 기술 중 네트워크 기능 가상화 3(NFV)는 주요 인에이블러 중 하나가 되었습니다. NFV는 데이터 센터의 서버 컴퓨터와 같은 일반 목적 물리적 장비를 대신 사용하여 일반적으로 특수 하드웨어를 중계하는 네트워크 기능을 소프트워화할 수 있는 기능을 제공합니다. 이 새로운 패러다임으로 통신 사업자와 수직 산업은 네트워크 기능과 서비스를 일련의 소프트웨어 구성 요소로 배포하고 서비스 배포 및 유지 관리 모두에서 비용을 절감할 뿐만 아니라 훨씬 더 높은 네트워크 인프라 탄력성을 촉진할 수 있습니다. 이 접근 방식은 대부분의 네트워크 및 수직별 기능에 전용(일반적으로 더 복잡하고 덜 재사용 가능한) 장치를 사용할 필요성을 완화하거나 제거하며 훨씬 더 높고 밀도가 높은 운영 자동화를 지원하므로 배포 및 유지 관리 비용이 절감됩니다.
NFV 환경이 제공할 수 있는 모든 장점을 고려할 때, 통신 분야의 많은 관련 이해 관계자가 NFV 환경에서 새로운 서비스 아이디어를 테스트하는 데 점점 더 많이 참여하고 있는 것은 당연합니다. 이러한 맥락에서 텔레포니카와 IMDEA 네트웍스 연구소는 5G 기술에 중점을 둔 개방형 연구 및 혁신 실험실인 5TONIC4를만들었습니다. 마드리드(스페인)에 본사를 둔 이 연구소는 연구 및 파트너가 5G 서비스의 개발 및 검증을 강화하기 위해 다양한 기술을 보유하고 있습니다. 특히 이 실험실에는 개발자가 ETSI 호환 NFV 생태계5에서새로운 NFV 기반 애플리케이션 및 서비스를 배포하고 테스트할 수 있는 실험적인 NFV 플랫폼이 있습니다. 따라서 설계 선택 및 기술 제안에 대한 실험적인 결론은 프로덕션 네트워크보다 훨씬 더 유연한 환경에서 도출될 수 있습니다. 이 플랫폼은 잘 정의된 프로토콜을 사용하여 5TONIC에 유연하게 상호 연결될 수 있는 여러 외부 사이트에서 실험 활동을 지원하도록 설계되었습니다.
5TONIC NFV 생태계에 채택된 기술 솔루션은 ETSI가 호스팅하는 오픈 소스 MANO(OSM) 소프트웨어6을사용하여 구현된 단일 NFV 오케스트레이터의 활용도를 고려한다. 이는 NS(네트워크 서비스)의 수명 주기를 관리하고 조정하는 요소입니다. 이러한 서비스는 NFV 플랫폼에 통합된 모든 사이트에 배포할 수 있는 가상화된 네트워크/수직 함수(VNF)의 구성으로 빌드될 수 있습니다. 5TONIC NFV 생태계의 설계는 H2020 5GINFIRE 프로젝트7,8의맥락에서 이루어졌으며, 이 플랫폼은 유럽에 위치한 8개의 수직별 실험 인프라와 브라질에 있는 8개의 수직별 실험 인프라를 통해 경쟁적인 오픈 콜 프로세스를 통해 선택된 25개 이상의 실험의 실행을 지원하는 데 사용되었으며, 후자는 대해 링크를 통해 연결되었습니다. 또한, 이 플랫폼은 스페인 5GCity 프로젝트9,10내에서 실험 활동을 지원하여 스페인에서 전국적인 규모로 분산 NFV 테스트베드를 구축하는 데 활용되었다. 최근에는 브라질과 유럽(예: 5GRANGE 프로젝트11,12)이수립된 연구 혁신 협력의 맥락에서 공동 데모 활동을 지원하기 위해 브라질 부지가 플랫폼에 통합되었습니다. 마지막으로, 인프라는 5G-VINNI 프로젝트13,14의범위에서 타사 실험을 지원하는 데 사용되었습니다. NFV 플랫폼의 지리적 분포는 그림 1에서볼 수 있습니다.
NFV 인프라를 호스팅하는 관심 있는 조직은 5TONIC 스티어링 보드의 승인을 받아 5TONIC NFV 생태계에 유연하게 연결하고 분산 생태계 내에서 테스트 베드 제공업체가 되어 공동 실험 및 데모 활동에 참여할 수 있습니다. 이를 위해 OSM 소프트웨어 스택을 준수하는 VIM(가상 인프라 관리자)을 탑재해야 합니다. 5TONIC NFV 오케스트레이터는 지정된 서비스 배포와 관련된 사이트의 VIM과 상호 작용하여 네트워크 서비스를 구성하는 VNF의 인스턴스화 및 상호 연결에 필요한 컴퓨팅, 스토리지 및 네트워크 리소스의 할당 및 설정을 조정하고 탑승 시 탑승부터 최종 폐기에 이르는 수명 주기를 제어할 수 있습니다.
상호 연결된 모든 사이트 내에서 제어 및 데이터 트래픽의 교환을 관리하기 위해 5TONIC NFV 생태계는 VPN(가상 사설망)을 기반으로 오버레이 네트워크 아키텍처를 사용합니다. 이 접근 방식은 5TONIC 생태계에 통합된 외부 사이트에 대한 안전한 PKI 기반 액세스를 제공하므로 OSM 소프트웨어 스택과 테스트베드에 분산된 다양한 VIM 간에 NFV 제어 정보를 교환할 수 있으며 모든 VNF를 관리하고 구성하는 데 필요한 정보의 교환을 할 수 있습니다. 또한 이 오버레이 네트워크는 서로 다른 사이트에 배포되는 VNF 간의 데이터 트래픽 보급을 지원합니다.
이러한 맥락에서 이 백서는 외부 사이트를 NFV 에코시스템에 통합하도록 설계된 프로토콜에 대해 자세히 설명합니다. 이 프로토콜은 에코소심이 중앙 사이트에 설치된 단일 NFV 오케스트레이터에 의해 제어되며 외부 사이트에는 오케스트레이터 소프트웨어 스택을 준수하는 VIM 솔루션이 있다고 가정합니다. 제안된 프로토콜을 사용하면 NFV 사이트와 수직별 인프라를 유연하게 통합하여 실험 생태계의 리소스 포트폴리오를 확대할 수 있습니다. 이를 통해 단일 NFV 오케스트레이터의 제어하에 여러 사이트에서 새로운 네트워크 및 수직 서비스를 테스트하고 검증할 수 있는 분산 MANO 플랫폼을 만들 수 있습니다. 프로토콜의 내부 작동을 설명하기 위해, 프로세스는 현재 5TONIC NFV 생태계에 외부 NFV 사이트를 추가하여 외부 사이트 및 5TONIC에서 필요한 구성 요소를 설명하고 통합 과정에서 취해야 할 모든 단계를 설명함으로써 예시될 것입니다. 그림 2는 중앙 사이트와 나머지 외부 인프라 간의 VPN 연결을 통해 네트워크 서비스를 배포할 수 있는 5TONIC 플랫폼에 연결된 새로운 NFV 기반 테스트베드를 사용하여 통합 목표에 대한 개요를 제공합니다.
또한, 프로토콜의 효과를 보여주기 위해, 간단한 수직 서비스의 배포는 NFV 지원 소형 무인 항공기(SUV)를 갖춘 5TONIC 생태계 및 외부 부지를 사용하여 전시될 것이다. 수직 서비스의 디자인은 이 논문의 일러스트 를 위해 단순화된 Vidal et al.9에제시된 실험에서 영감을 받았습니다. 그림 3은 외딴 지역에서 스마트 농업 활동을 돕는 것을 목표로하는 서비스를 간략하게 설명합니다. 이 서비스는 SUV를 사용하여 작물 필드에 흩어져 있는 기상 센서에 의해 생성된 데이터를 수집하고 전파하는 스마트 농업 서비스 제공업체를 고려합니다. 단순성을 위해 종이에 제시된 실험은 온도, 습도 및 압력 측정을 제공할 수 있는 단일 SUAV 및 센서를 고려합니다. 실험에서 외부 NFV 사이트는 SUAV를 통해 VNF로 배포되는 Wi-Fi 액세스 포인트를 호스팅합니다. 이 VNF는 센서에 대한 네트워크 액세스 연결을 제공하여 감지된 데이터를 게이트웨이 기능으로 전달합니다. 후자는 지상 장비(미니 ITX 컴퓨터)의 VNF로 배포됩니다. 센서에서 게이트웨이 함수로 데이터를 보급하는 것은 MQTT(메시지 큐링 원격 측정 전송)프로토콜(15)을기반으로 하는 게시/구독 접근 방식을 따릅니다. 게이트웨이 기능은 Mainflux16 오픈 소스 플랫폼을 기반으로 NFV 생태계의 중앙 사이트에서 VNF로 사용할 수 있는 사물 인터넷(IoT) 서버로 데이터를 배포합니다. 마지막으로 시나리오에서는 셀룰러 비 3GPP 액세스 네트워크에서 인터넷 연결이 제공되는 원격 영역을 가정합니다. 따라서 이 서비스에는 2개의 추가 VNF가 포함되어 있습니다: 1) 액세스 라우터 VNF는 비3GPP 액세스네트워크(17)에연결된 3GPP 사용자 장비의 사용자 평면 프로토콜 스택을 구현한다. 및 2) 액세스 라우터와 IoT 서버 VNF 사이의 정보 전달을 지원하는 5G 코어 네트워크의 기본 구현입니다. 이를 위해, 5G 코어 VNF는 3GPP17에의해 정의된 바와 같이 비3GPP 상호 작용 기능 및 사용자 평면 기능의 사용자 평면의 단순화된 구현을 제공한다.
마지막으로 그림 4는 프로토콜 을 개발하는 동안 관련된 가장 관련성이 있는 프로세스를 나타내며 논리적 상호 연결과 실행을 담당하는 엔터티를 강조합니다.
이전에 설명된 프로토콜의 가장 중요한 측면 중 하나는 지리적 위치 측면에서의 분포에 관계없이 새로운 컴퓨팅 인프라를 NFV 에코시스템에 통합할 수 있는 뛰어난 유연성입니다(원격 사이트와의 네트워크 통신의 대역폭 및 대기 시간이 지원하는 한). 이는 VPN 기반 오버레이 네트워크 아키텍처를 통해 가능하며, 이를 통해 NFV 생태계의 중앙 부지에 원격 사이트를 연결하는 가상 링크를 구축할 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 효과적이고 안전한 채널을 제공하여 NFV 생태계 사이트 간의 NFV 및 데이터 통신을 지원하여 외부 당사자가 NFV 오케스트레이션 프로세스 및 배포된 서비스의 데이터에 관한 중요한 정보에 액세스하거나 수정할 가능성을 줄일 수 있습니다. 이러한 맥락에서 프로토콜은 VPN 자격 증명을 새 인프라를 통합할 수 있는 외부 사이트와 안전하게 공유하는 특정 방법론에 대해서도 설명합니다. 이 프로토콜은 유니버시다드 카를로스 III 드 마드리드, 텔레포니카 및 IMDEA 네트웍스 연구소가 5TONIC에서 사용할 수 있는 NFV 생태계를 사용하여 예시되었지만, 이 프로토콜의 1단계에서 언급된 이전 요구 조건을 충족하는 다른 NFV 환경에서 활용되는 것이 일반적입니다.
또한 프로토콜 구현을 위한 오픈 소스 도구 및 소프트웨어의 독점적 활용을 강조할 가치가 있습니다. 다른 독점 솔루션(예: Fortinet35)이제공할 수 있는 잠재적으로 유익한 기능에도 불구하고 오픈 소스 개발의 사용은 비용 효율성, 오픈 소스 커뮤니티에서 제공하는 광범위한 소프트웨어 지원 및 높은 수준의 신뢰성과 같은 고유한 특성으로 인해 프로토콜에 의해 포괄되는 모든 요소의 통합을 용이하게 했습니다. 그냥 그들 중 몇 가지 이름을. 또한 오픈 소스 기술의 활용은 유사한 특성의 구성 요소 간의 시너지 효과를 촉진할 수 있습니다. 예를 들어, 플랫폼을 사용하는 클라이언트의 VPN 연결 상태를 모니터링하기 위해 프로토콜 전반에 걸쳐 구현된 VPN 서비스는 Open-VPN 모니터도구(OpenVPN 서버와 상호 운용할 수 있는 파이썬 기반 모니터링 도구)에 의존할 수 있습니다.
반면, 프로토콜 사양은 유효성 검사를 위해 여러 사이트에서 네트워킹 서비스의 인스턴스화를 고려합니다. 이와 관련하여 특정 사이트에 서비스 배포는 사이트의 컴퓨팅, 스토리지 및 네트워크 리소스의 가용성뿐만 아니라 배포를 수행하는 데 필요할 수 있는 특수 장비(예: NFV 지원 SUV)의 가용성에 따라 달라질 수 있음을 강조하는 것이 중요합니다. 이것은 프로토콜의 제한이 아니며 이 백서에 설명된 실험을 재현하는 데 관심이 있는 이해 관계자가 고려해야 합니다.
또한 네트워크 서비스의 배포를 수행하는 데 필요한 시간은 오케스트레이터와 다른 VIM 간의 네트워크 경로, VIM과 관리되는 계산 노드 간의 데이터 통신 성능, 또한 이러한 계산 노드의 본질적인 특성(사용 가능한 컴퓨팅 리소스로 인해) 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 또한 네트워크 기능의 가상화를 수행하기 위해 통합 된 기술).
마지막으로, 이 플랫폼과 VPN 서비스가 유럽 프로젝트 및 협업 작업(예: 5GINFIRE, 5GRANGE 또는 5GCity)에서 이 문서의 도입에 언급된 뛰어난 성과를 감안할 때, 유니버시다드 카를로스 III 드 마드리드가 있는 신흥 유럽 프로젝트에서 중요한 요소로 간주될 것입니다. 텔레포니카와 IMDEA 네트웍스 인스티튜트(IMDEA Networks Institute)가 참가하여 호라이즌 2020 미로 또는 TRUE-5G와 같은 국가 프로젝트와 같은 국가 프로젝트에 참여합니다.
The authors have nothing to disclose.
이 작품은 유럽 H2020 미로 프로젝트 (보조금 계약 H2020-MG-2019-TwoStages-861696)와 TRUE5G 프로젝트 (PID20)에 의해 부분적으로 지원되었습니다. 19-108713RB-C52PID2019-108713RB-C52 / AEI / 10.13039/501100011033) 스페인 국립 연구 기관에 의해 투자. 또한 보르하 노갈레스, 이반 비달, 디에고 R. 로페즈의 작품은 유럽 H2020 5G-VINNI 프로젝트(815279 보조금 계약 번호)에 의해 부분적으로 지원되었다. 마지막으로, 저자는 이 작품을 실현하는 동안 그의 지원에 대한 알레한드로 로드리게스 가르시아에게 감사드립니다.
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/ |