ExPECA: Экспериментальная платформа: проектирование и архитектура испытательного стенда
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;
(5) Гурав Пратик Шарма, gpsharma, Королевский технологический институт KTH;
(6) Санвон Со, санвона, Королевский технологический институт KTH;
(7) Мануэль Ольгин Муньос, manual@olguinmunoz.xyz, Королевский технологический институт KTH;
(8) 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
II. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И АРХИТЕКТУРА ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СТЕНДА
Испытательный стенд ExPECA предназначен для решения двух основных задач, часто встречающихся в исследованиях периферийных вычислений: 1) сквозное экспериментирование, 2) обеспечение повторяемости и воспроизводимости. Чтобы проводить эксперименты со сквозными периферийными вычислениями
которые охватывают как коммуникационные, так и вычислительные аспекты, ExPECA разработана со следующими основными целями:
- Предоставление коммуникационных компонентов с использованием разнообразного набора беспроводных и проводных каналов связи.
- Узлы SDR: они могут служить радиоинтерфейсом для любого беспроводного протокола, реализованного для SDR USRP E320, включая OpenAirInterface (OAI) 5G, OAI LTE, SRS LTE, Mangocomm IEEE802.11b/g или любого беспроводного протокола на основе GNU.
2) Выполнение и контроль вычислительных элементов в контейнерных средах, работающих в инфраструктуре испытательного стенда.
Эти цели реализуются с помощью архитектурной структуры, изображенной на рисунке 1. Центральным элементом этой архитектуры является универсальная сетевая структура, обеспечивающая IP-связь между различными экспериментальными компонентами, которые могут включать серверы, расположенные в облаке или на границе, а также беспроводные терминалы.
Для реализации этих целей был сделан особый дизайнерский выбор, отличающий ExPECA от современных решений. Здесь мы описываем эти варианты и их последствия.
А. Местоположение и физическая среда
Испытательный стенд расположен в зале KTH R1, экспериментальной установке на глубине 25 метров под землей. Это изолированное место предлагает контролируемую среду с минимальными радиопомехами, что делает его идеальным для проведения воспроизводимых беспроводных экспериментов. Имея размеры 12 метров в ширину, 24 метра в длину и 12 метров в высоту, объект достаточно просторен для размещения различных устройств с дистанционным управлением, таких как дроны и автомобили, что предоставляет исследователям значительную свободу в планировании своих экспериментов. /п>
Б. Программное обеспечение для контроля и управления
Мы приняли CHI-in-a-Box в качестве базовой реализации на испытательном стенде с расширениями и вкладом нашей команды. CHI-in-a-Box — это пакет программной среды Chameleon Infrastructure (CHI), который построен в основном на основе основной платформы OpenStack с открытым исходным кодом. CHI имеет зрелую поддержку для предоставления вычислительных ресурсов, хранилищ и сетевых структур от границы до облака, а также обеспечивает сквозной контроль экспериментов и пользовательские услуги. В частности, мы используем версию платформы CHI@Edge — новую версию, которая поддерживает выполнение контейнерных рабочих нагрузок на вычислительных ресурсах. Ниже мы опишем основные элементы ОМС. Пользователи имеют возможность распределять ресурсы либо на лету, либо посредством предварительного резервирования, чему способствуют настраиваемые версии сервисов OpenStack Blazar и Doni. Эти сервисы были адаптированы командой ExPECA и включают в себя уникальные функции, такие как радиосвязь и резервирование узлов Kubernetes. Объем выделяемых ресурсов включает рабочие узлы, радиомодули, сети и IP-адреса. После защиты ресурсов интегрированная система оркестрации Kubernetes позволяет развертывать контейнерные рабочие нагрузки через OpenStack Zun. Пользователи имеют возможность использовать предварительно настроенные образы Docker, предоставленные командой ExPECA (как в случае с SDR RAN), или загружать свои собственные образы контейнеров. Примечательно, что команда ExPECA значительно модифицировала Zun для поддержки таких функций, как сетевой интерфейс и подключение блочных хранилищ к контейнерам K8S, — функций, которые изначально не поддерживались в CHI@Edge. Конфигурация сложных топологий экспериментов, таких как эксперименты с распределенными сетями, поддерживается через программируемый интерфейс CHI и принятую нами разновидность библиотеки Python Python-chi. Помимо этого, OpenStack Neutron играет ключевую роль в управлении сетевой архитектурой. Neutron предоставляет надежный набор сетевых возможностей, включая виртуальные сети, которые позволяют создавать изолированные сети, подсети и маршрутизаторы. Мы подключаем все компоненты испытательного стенда, включая радиомодули, к управляемым коммутаторам уровня 2, управляемым Neutron.
С. Радиоузлы
Одной из выдающихся особенностей ExPECA является включение беспроводных терминалов в качестве резервируемых ресурсов. Эти радиостанции установлены в разных местах R1, на трех разных уровнях, как показано на рисунке 3. Они подразделяются на два типа:
2) Радио COTS: включает частную систему 5G Ericsson с радиоточками и маршрутизаторами Advantech, выступающими в качестве узлов UE COTS 4G/5G.
Мы выбрали все радиостанции, особенно SDR, для оснащения сетевыми IP-интерфейсами. Это позволило нам зарегистрировать их как сегменты сети в Openstack Blazar и Doni с минимальными усилиями по расширению. Пользователи могут легко интегрировать их в любой контейнер рабочей нагрузки или хост-контейнер SDR с помощью программного обеспечения испытательного стенда. Например, исследователи могут плавно перейти от высококачественного канала 5G между точками sdr-01 и sdr-06 к каналу низкого качества между sdr-09 и sdr-07, что позволяет им эмпирически оценить влияние на производительность приложений. Альтернативно они могут переключиться на соединение Wi-Fi между sdr-01 и sdr-06 для дальнейших экспериментов.
Д. Вычислительные узлы
ExPECA предлагает вычислительные ресурсы, позволяя пользователям запускать контейнерные приложения с помощью самой последней версии Openstack Zun, которая использует K8S (Kubernetes) в качестве оркестровки.
слой. K8S предназначен для обработки большого количества контейнеров в различных средах, что делает его хорошо подходящим для сложных и крупномасштабных развертываний. Кроме того, он предлагает богатый набор API и подключаемую архитектуру, обеспечивающую большую настройку и расширяемость. Это было особенно полезно для нашей команды при разработке новых желаемых функций в Zun. Эти новые функции включают 1) сетевое подключение, 2) подключение блочного хранилища, 3) управление ресурсами, т. е. указание количества ядер и размера памяти для контейнера. Пользователи могут запускать свои контейнерные приложения на серверах Intel x86 ExPECA, зарегистрированных в кластере K8S, который мы называем «рабочими», не только для развертывания и оркестрации рабочих нагрузок приложений, но также для развертывания стеков связи SDR или применения конфигураций радиоузла. . С появлением сети открытого радиодоступа (O-RAN) и SDR все компоненты стека беспроводной сети могут работать на процессорах общего назначения. Таким образом, их можно помещать в контейнеры и распределять по нескольким хостам, если контейнеры подключены к SDR. Мы предоставляем эталонные образы контейнеров для обеспечения SDR 5G, SDR LTE и WiFi. Наконец, важно отметить, что все рабочие узлы достигают синхронизации менее микросекунды путем обмена сообщениями PTP с часами Grandmaster (GM), которые сами используют GPS в качестве эталона. Точная синхронизация времени важна для пользователей, которым требуется одинаковая временная привязка для пакетов временных меток в различных местах испытательного стенда.
Оригинал