ExPECA: экспериментальная платформа для надежных приложений периферийных вычислений: краткое содержание и введение
27 февраля 2024 г.:::информация Этот документ доступен на arxiv под лицензией CC 4.0.
Авторы:
(1) Сами Мостафави, ssmos, Королевский технологический институт KTH;
(2) Вишну Нараянан Мутедат, vnmo, Королевский технологический институт KTH;
(3) Стефан Роннгрен, стерон, Королевский технологический институт KTH;
(4) Нилабро Рой, §нрой, Королевский технологический институт KTH;
(4) Гурав Пратик Шарма, gpsharma, Королевский технологический институт KTH;
(4) Санвон Со, Санвона, Королевский технологический институт KTH;
(4) Мануэль Ольгин Муньос, manual@olguinmunoz.xyz, Королевский технологический институт KTH;
(4) Джеймс Гросс, Джеймс Гросс, Королевский технологический институт KTH.
:::
Таблица ссылок
- Абстрактное и amp; Введение
- Проектирование и архитектура испытательного стенда
- Экспериментальная проверка
- Поддерживаемые эксперименты
- Благодарности и amp; Ссылки
Аннотация
В этом документе представлена ExPECA, исследовательская испытательная площадка для периферийных вычислений и беспроводной связи, предназначенная для решения двух насущных задач: комплексных сквозных экспериментов и высокого уровня экспериментальной воспроизводимости. Используя платформу Chameleon Infrastructure (CHI) на основе Openstack, обеспечивающую ее проверенную гибкость и простоту эксплуатации, ExPECA расположена в уникальном изолированном подземном помещении, обеспечивая строго контролируемую среду для беспроводных экспериментов. Испытательный стенд спроектирован для облегчения комплексных исследований как связи, так и вычислений, предлагая широкий спектр программно-определяемых радиостанций (SDR) и коммерческих готовых (COTS) беспроводных и проводных каналов связи, а также контейнерные вычислительные среды. Мы иллюстрируем экспериментальные возможности тестового стенда с использованием OpenRTiST, приложения, чувствительного к задержкам и интенсивно использующего полосу пропускания, и анализируем его производительность. Наконец, мы выделяем ряд исследовательских областей и экспериментальных установок, которые могут извлечь выгоду из функций ExPECA, включая приложения с замкнутым контуром и чувствительные ко времени сети.
Ключевые слова: экспериментальная платформа периферийных вычислений, воспроизводимость, сквозное экспериментирование, испытательный стенд для беспроводной связи.
И. ВВЕДЕНИЕ
В следующем десятилетии приложения периферийных вычислений ожидают значительный рост, чему способствуют достижения в области беспроводных технологий, таких как 5G и Beyond 5G (B5G), а также прорывы в ресурсоемких вычислительных задачах, таких как управление с прогнозированием моделей, обработка мультимедиа и алгоритмы машинного обучения. Чтобы добиться надежности и надежности в этих междисциплинарных, распределенных системах, включающих информатику и беспроводные исследования, необходимо разработать сложные научные инструменты. С одной стороны, исследования в таких областях, как методы беспроводных сетей, требуют тесного взаимодействия с радиооборудованием и высокой степени адаптируемости, чему способствуют программно-определяемые радиостанции (SDR). И наоборот, вычислительный аспект требует, чтобы рабочие нагрузки по производительности были адаптированы к изменяющимся условиям сети, что требует создания и эффективного повторяемого тестирования инновационных вычислительных алгоритмов. Сквозное экспериментирование необходимо для получения полного понимания системы в целом и разработки инновационных подходов к преодолению существующих узких мест. Кроме того, способность эффективно воспроизводить эти эксперименты является ключом к тому, чтобы другие исследователи могли легко подтвердить результаты.
В этой области исследований мы обнаруживаем разнообразный ландшафт испытательных стендов, появившихся в последние годы, каждый из которых отличается своим размером, применимостью и набором функций. Среди них можно выделить 1) испытательные стенды COSMOS, 2) POWDER, 3) ARA и 4) Drexel Grid SDR. COSMOS (мобильный беспроводной испытательный стенд с открытым программным обеспечением и открытым программным обеспечением для развертывания в масштабах города) — это испытательный полигон площадью более 1 квадратной мили, оснащенный множеством ресурсов, включая программно-определяемые радиостанции (SDR), оборудование миллиметрового диапазона (миллиметровых волн), оптическое оборудование. волокна и различные вычислительные узлы для основных функций и обработки приложений [1], [2]. COSMOS интегрируется с облачной инфраструктурой, уделяя основное внимание развитию исследований в области облачных вычислений. Этот испытательный стенд включает в себя разнообразный набор крышных, промежуточных и мобильных узлов с централизованным управлением.
POWDER (Платформа для открытых беспроводных экспериментальных исследований на основе данных) служит еще более крупным испытательным стендом, предлагая платформу для изучения беспроводных и мобильных сетей с высоким уровнем программирования, вплоть до уровня сигналов [3]. Занимая площадь 15 км2, POWDER включает фиксированные программируемые радиоузлы, построенные с использованием стандартной технологии SDR. Платформа легко интегрируется с облачными и периферийными вычислительными возможностями, позволяя мобильным узлам подключаться к вычислительным ресурсам.
Испытательный стенд Drexel Grid SDR оснащен SDR, которые подключаются по беспроводной сети (OTA), с помощью эмулятора канала или, альтернативно, их комбинации, что позволяет проводить реалистичные и воспроизводимые эксперименты. Несмотря на то, что испытательный стенд предоставляет свободу в плане разработки экспериментов, он предназначен в первую очередь для исследований, связанных с SDR, и не включает в себя какие-либо основные, облачные или периферийные компоненты.
ARA (Сельскохозяйственные и сельские сообщества) представляет собой беспроводную исследовательскую платформу, охватывающую сельскую территорию диаметром 60 км в Айове [4]. Миссия ARA — исследование беспроводных платформ и технологий в реальном контексте сельского хозяйства. Испытательный стенд включает в себя разнообразный набор беспроводных платформ, реализованных с помощью SDR и программируемых коммерческих готовых радиостанций (COTS), а также автоматизированных транспортных средств, различных камер и других датчиков. Программное обеспечение испытательного стенда ARA основано на программной платформе Chameleon Infrastructure (CHI) из проекта испытательного стенда Chameleon [5]. Chameleon в первую очередь служит реконфигурируемым исследовательским испытательным стендом с «голым железом», предназначенным для экспериментов от периферии до облака, адаптируя облачную парадигму для исследований в области компьютерных наук. С момента своего публичного открытия в 2015 году Chameleon привлекла более 6000 пользователей в более чем 800 проектах, получив ценный опыт и усовершенствовав методы автоматизации и управления объектами исследовательской инфраструктуры. Эти накопленные знания были воплощены в тестовом дистрибутиве программного обеспечения CHI-in-a-Box [6], целью которого является упрощение и оптимизация развертывания и эксплуатации будущих связанных или независимых сайтов Chameleon. н
Существующие беспроводные исследовательские платформы, такие как COSMOS, POWDER и Drexel Grid, используют собственные специализированные программные решения, которые не соответствуют преобладающим облачным стандартам. Эти испытательные стенды также используют технологию виртуализации на основе виртуальных машин (ВМ), а не более легкие и более совместимые с периферией решения, такие как контейнеры. Подобно подходу, использованному на испытательном стенде ARA, мы обнаружили, что CHI-in-a-Box предоставляет прекрасную возможность для разработки экспериментальных платформ с минимальными затратами, предлагая при этом значительную гибкость как в облачных, так и в периферийных технологиях. Однако когда дело доходит до воспроизводимости исследований в области беспроводных периферийных вычислений, существующие крупномасштабные испытательные стенды имеют ограничения, которые мы стремимся устранить, представив наш испытательный стенд ExPECA. Под «воспроизводимостью» мы подразумеваем способность исследователей легко воспроизводить эксперименты и проверять результаты. Достичь этого особенно сложно по двум основным причинам: во-первых, эксперименты с периферийными вычислениями включают ряд разнородных компонентов, таких как серверы и радиомодули, которые взаимодействуют в рамках одного эксперимента; и, во-вторых, существование беспроводных линий связи приводит к появлению таких переменных, как помехи и динамические условия распространения, которыми необходимо управлять для получения стабильных результатов. Благодаря уникальному дизайну ExPECA обеспечивает высоко воспроизводимую среду для экспериментов в области сквозных беспроводных и периферийных вычислений, что делает ее одной из первых платформ, эффективно решающих эту проблему. В следующем разделе мы углубимся в эти тонкости проектирования и их последствия.
Оригинал