Ağ Fonksiyonları Sanallaştırma Kullanarak İnsansız Hava Araçlarında İnternet Protokolü Telefon Hizmetinin Otomatik Olarak Dağıtılması
Summary
Açıklanan protokolün amacı iki yönlüdür: sanallaştırılmış ağ işlevlerini yürütmek ve kullanmak için temel yapıyı sağlayan hesaplamalı varlıklar olarak insansız hava araçları kullanarak bir ağ işlevleri sanallaştırma ortamını yapılandırmak bu ortam hava araçları üzerinde işlevsel bir internet protokolü telefon hizmeti otomatik dağıtım desteklemek için.
Abstract
Ağ Fonksiyonu Sanallaştırma (NFV) paradigması,5 nesil mobil ağların geliştirilmesinde en önemli sağlayan teknolojilerden biridir. Bu teknoloji, bir soyutlama katmanı üzerinde bu işlevlerin yumuşak warization sağlayan sanallaştırma teknikleri kullanarak ağ işlevleri ve hizmetlerinin sağlanmasında donanım bağımlılığını azaltmayı amaçlamaktadır. Bu bağlamda, insansız hava araçlarının (İhA) sınırlı coğrafi bölgeler üzerinde uygun maliyetli NFV operasyonlarını mümkün kılan esnek bir platform sunma potansiyelini keşfetmeye yönelik ilgi artmaktadır.
İhA platformlarında NFV teknolojilerini kullanmanın pratik fizibilitesini göstermek için, açık kaynak teknolojilerine dayalı işlevsel bir NFV ortamı nı kurmak için bir protokol sunulur ve bu ortam, bir dizi küçük İhA’nın destekleyen hesaplama kaynaklarını sağladığı orta derecede karmaşık ağ hizmetlerinin dağıtımı. Daha sonra protokol, yapılandırılan NFV ortamının kapasitelerinden yararlanarak, birbirine bağlı İhA’lardan oluşan bir ağ üzerinden bir internet protokolü (IP) telefon hizmetinin otomatik olarak dağıtılmasını desteklemek için gereken farklı adımları ayrıntılarıyla anlatır. Deneme sonuçları, hizmetin dağıtımından sonra düzgün çalışmasını gösterir. Protokol belirli bir ağ hizmeti türüne (örneğin, IP telefon) odaklansa da, açıklanan adımlar diğer ağ hizmetlerini dağıtmak için genel bir kılavuz olarak hizmet verebilir. Öte yandan, protokol açıklaması, NFV ortamını (örn. belirli tek kartlı bilgisayarlar ve açık kaynak kodlu yazılımlar) kurmak için somut donanım ve yazılımları dikkate alır. NFV ortamının belirli yapılandırma yönü ve hizmet dağıtımı protokolde açıklananlarla ilgili varyasyonlar sunsa da, diğer donanım ve yazılım platformlarının kullanımı uygulanabilir olabilir.
Introduction
Mobil iletişimin yeni çağında (en yaygın olarak 5mobil nesil veya 5G olarak bilinir) en çok imrenilen hedeflerden biri, birincil telekomünikasyon altyapısının kullanılamadığı durumlarda (örneğin, acil bir durum nedeniyle) sağlam bilgi teknolojisi hizmetleri sunabilmektir. Bu bağlamda, İhA’lar kendi doğal çok yönlülük nedeniyle araştırma topluluğunun artan ilgi alıyorsanız. Bu cihazları çok çeşitli hizmetlerin sağlanması için bir mihenk taşı olarak kullanan çok sayıda eser vardır. Örneğin, literatür multimedya hizmetleri1,2,3karşılamak için bir hava iletişim altyapısı oluşturmak için bu cihazların kapasitesini analiz etti. Ayrıca, önceki araştırmalar, çeşitli İhA’lar arasındaki işbirliğinin gözetim4,işbirlikçi arama ve kurtarma5,6,7,8veya tarım salalarının9gibi farklı iletişim hizmetlerinin işlevselliğini nasıl genişletebileceğini göstermiştir.
Öte yandan, NFV teknolojisi 5G anahtar etkinleştiriciler biri olarak telekom operatörleri arasında büyük önem kazanmıştır. NFV, ağ işlevlerinin yumuşaklaştırılması yoluyla ağ cihazlarının özel donanıma olan mevcut bağımlılığını hafifleterek telekomünikasyon altyapısına ilişkin paradigmatik bir değişimi temsil etmektedir. Bu, yeni iletişim hizmetleri türlerinin esnek ve çevik bir şekilde dağıtılmasını sağlar. Bu amaçla, Avrupa Telekomünikasyon Standartları Enstitüsü (ETSI) NFV mimari çerçeve10tanımlamak için bir belirtim grubu oluşturdu. Ayrıca, ETSI şu anda ETSI NFV mimari çerçeve tanımı ile uyumlu bir NFV Yönetim ve Orkestrasyon (MANO) yazılım yığını geliştirmekten sorumlu olan Açık Kaynak Mano (OSM) grup11’ibarındırır.
Yukarıda belirtilen tüm hususlar göz önüne alındığında, İhA’lar ve NFV teknolojileri arasındaki sinerjik yakınsama şu anda yeni ağ uygulamaları ve hizmetlerinin geliştirilmesinde incelenmektedir. Bu sistemlerin bu tür avantajları işaret literatürde çeşitli araştırma çalışmaları ile gösterilmiştir14,15,16, Bu yakınsama ve eksik yönlerini zorlukları belirlemek, bu konuda gelecekteki araştırma hatları vurgulamak17, ve açık kaynak teknolojilerine dayalı öncü çözümler mevcut.
Özellikle, NFV teknolojilerinin İhA arenasına entegrasyonu, ağ hizmetlerinin ve uygulamalarının sınırlı coğrafi bölgeler (örneğin, bir IP telefon hizmeti) üzerinde hızlı ve esnek bir şekilde dağıtılmasını sağlar. Bu yaklaşımı takiben, bilgi işlem platformlarını yük olarak (örn. küçük boyutlu tek tahtalı bilgisayarlar) taşıyarak belirli bir konum üzerinde bir dizi İhA dağıtılabilir. Bu bilgi işlem platformları, bir MANO platformunun kontrolü altında ağ hizmetlerinin ve uygulamalarının anlık olarak sağlanmasını destekleyen, dağıtım alanı üzerinde programlanabilir bir ağ altyapısı (yani bir NFV altyapısı) sağlayacaktır.
Faydalarına rağmen, bu görünümün gerçekleştirilmesi, bir NFV düzenleme hizmetinin İhA’lara sanal işlevler dağıtabilmesi için, bu bilgi işlem platformlarının bir NFV altyapısı olarak uygun şekilde entegrasyonu, mevcut bir NFV yazılım yığını nı kullanarak dikkatle ele alınması gereken bir dizi temel zorluk sunar; bunları taşıyan İhA’lar genellikle yük ekipmanlarının boyutu, ağırlığı ve bilgi işlem kapasitesi açısından sınırlamalar sunabileceğinden, bilgi işlem platformları tarafından sağlanan hesaplama kaynakları açısından kısıtlamalar; Sanal işlevlerin İhA’lara uygun şekilde yerleştirilmesi (örneğin, belirli bir sanal işlevi dağıtmak için en iyi İhA adayının seçilmesi); VNF’lerin yaşam döngüsünü yönetmek için, onlarla ağ iletişiminin aralıklı olarak kullanılabilirliğine rağmen (örneğin, mobilite ve pil kısıtlamaları nedeniyle) kontrol iletişiminin sürdürülmesi; İhA’ların pil tüketimi nedeniyle sınırlı çalışma süresi; ve bir İhA pil yorgunluğu nedeniyle değiştirilmesi gerektiğinde sanal fonksiyonların geçişi. Bu avantajlar ve zorluklar önceki çalışmada ayrıntılı18,19 Bir NFV sisteminin tasarımı ağ fonksiyonları ve UAV platformlarında hizmetlerin otomatik dağıtım destek yeteneğine sahip yanı sıra bu tasarımın pratik fizibilite doğrulama içerir.
Bu bağlamda, bu makalede, NFV standartları ve açık kaynak teknolojilerini kullanan bir İhA ağı üzerinden orta derecede karmaşık ağ hizmetlerinin otomatik olarak dağıtılmasını sağlayacak bir protokol açıklanmaktadır. Protokolün farklı adımlarını göstermek için, Nogales ve ark.19’da sunulan bir denemenin yeniden ayrıntılı bir ayrıntısı sunulur ve bir IP telefon hizmetinin dağıtılmasından oluşur. Bu çalışmanın tekrarlanabilirliğine yardımcı olmak için, sunulan prosedürde gerçek uçuş isteğe bağlı olarak kabul edilir ve sahadaki İhA cihazları ile performans sonuçları elde edilir. İlgilenen okuyucular, kontrollü bir laboratuvar ortamında bile protokolün uygulanmasını çoğaltabilir ve doğrulayabilmeli.
Şekil 1, bu yordam için tasarlanmış ağ hizmetini göstermektedir. Bu ağ hizmeti, belirli softwarization birimlerinin bir bileşimi olarak oluşturulmuştur (Sanal Ağ Fonksiyonları veya VNFs olarak NFV paradigması içinde kategorize) ve İhA’ların çevresindeki kullanıcılara bir IP telefon hizmeti işlevselliğini sağlar. Hizmeti oluşturan VNF aşağıdaki gibi tanımlanır:
- Erişim Noktası VNF (AP-VNF): Bu VNF, son kullanıcı donanımlarına (örneğin, bu denemedeki IP telefonlar) Bir Wi-Fi erişim noktası sağlar.
- IP telefon sunucusu VNF (IP-telefon-server-VNF): Bir sesli aramayı kurmak ve sonlandırmak için IP telefonlar arasında değiş tokuş edilen çağrı sinyalmesajlarını yönetmekten sorumludur.
- Alan Adı Sistemi VNF (DNS-VNF): Bu VNF, genellikle IP telefon hizmetlerinde gerekli olan bir ad çözümleme hizmeti sağlar.
- Access router VNF (AR-VNF): IP telefonları ve telekomünikasyon operatörü etki alanı arasındaki trafik alışverişini (örneğin, bu denemede sinyal izasyonunu) destekleyen ağ yönlendirme işlevleri sağlar.
- Çekirdek yönlendirici VNF (CR-VNF): telekomünikasyon operatörü etki alanında ağ yönlendirme işlevleri sağlayarak operatöre özel hizmetlere (yani IP telefon sunucusuna) ve harici veri ağlarına erişim sağlar.
Ayrıca, Şekil 1 deney için kullanılan fiziksel aygıtları, nasıl birbirine bağlı olduklarını ve VNF’lerin aygıtlara özel dağılımını sunar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu deneyin en önemli yönlerinden biri sanallaştırma teknolojilerinin ve NFV standartlarının İhA platformları ile kullanılmasıdır. NFV, ağ işlevlerinin donanım bağımlılığını ayırmayı amaçlayan yeni bir paradigma sunarak bu işlevlerin yumuşak savaşla sağlanmasını sağlar. Buna göre, deneme protokolde belirtilen donanım donanımının kullanımına bağlı değildir. Alternatif olarak, İhA’ların boyutları ve taşıma kapasitesiyle uyumlu oldukları ve Linux kapsayıcılarını destekledikleri sürece, tek kartlı bilgisayarların farklı modelleri seçilebilir.
Donanım seçimi açısından bu esnekliğe rağmen, denemenin tekrarlanabilirliği için sağlanan tüm içerik açık kaynak teknolojilerinin kullanımına yöneliktir. Bu bağlamda, yapılandırma yönleri ve yazılım araçları linux’un işletim sistemi olarak kullanılmasına koşullandırılmış.
Öte yandan, deney, orta derecede karmaşık bir ağ hizmeti sağlamak için iki farklı hesaplama platformunun (yani İhA bulut platformu ve çekirdek bulut platformu) etkileşimini dikkate alır. Ancak, bu kesinlikle gerekli değildir ve protokol yalnızca İhA bulut platformu dahil olduğu senaryoları desteklemek için izlenebilir.
Buna ek olarak, sunulan çözüm, kaynak kısıtlı donanım platformlarının sanallaştırma kapsayıcılarını yürütmek için gerekli kapasiteyle kullanılabildiği diğer ortamlarda (örn. Nesnelerin İnterneti veya IoT, ortamları). Her halükarda, bu çözümün farklı ortamlara uygulanabilirliği ve olası uyarlamaları, ayrı ayrı dikkatli bir çalışma gerektirir.
Son olarak, sunulan sonuçların laboratuvar ortamında ve İhA cihazlarının topraklanmış veya sınırlı ve iyi tanımlanmış bir uçuş planı nın ardından elde edildiği unutulmamalıdır. Dış mekan konuşlandırmalarını içeren diğer senaryolar, İhA’ların uçuş istikrarını ve dolayısıyla IP telefon hizmetinin performansını etkileyen koşullara neden olabilir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma kısmen Avrupa H2020 5GRANGE projesi (hibe anlaşması 777137) ve İspanya Ekonomi ve Rekabet Bakanlığı tarafından finanse edilen 5GCIty projesi (TEC2016-76795-C6-3-R) tarafından desteklenmiştir. Luis F. Gonzalez’in çalışmaları Kısmen Avrupa H2020 5GinFIRE projesi (hibe anlaşması 732497) tarafından desteklenmiştir.
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).
