Riassunto analitico
Le reti di supporto agli operatori d’emergenza sono tradizionalmente basate su infrastrutture Professional Mobile Radio con capacità trasmissive alquanto limitate. Le agenzie di protezione civile palesano invece la necessità di accrescere l'efficacia e l’affidabilità delle operazioni tramite una migliore qualità delle comunicazioni. Per questa ragione, sembra probabile che le future reti per l’emergenza possano utilizzare tecnologie eterogenee a banda larga (con modalità trasmissive diverse per le reti sensoriali, d’accesso, metropolitane e geografiche) per collegare tra loro i soccorritori, i Centri tattici mobili e i Centri remoti di coordinamento. Allargando lo spettro d’interesse, si può affermare che, in generale, la progettazione di un qualsivoglia sistema di telecomunicazione eterogeneo porge sempre svariate sfide. Un primo problema è capire fin dall’inizio se l'architettura composita che si sta progettando sia idonea a offrire le prestazioni attese. In particolare, sarebbe utile disporre di uno strumento di progettazione flessibile, che consenta di confrontare rapidamente le prestazioni di sistemi differenti al fine di selezionare subito la soluzione ottimale. A tal fine, sono disponibili svariate metodologie, dai modelli matematici puri fino all’uso di dispositivi reali. In teoria, lo strumento perfetto dovrebbe riassumere il meglio di tutti i possibili approcci: essere flessibile e conveniente come un simulatore software, modulare come un emulatore hardware, e realistico come solo i dispositivi fisici possono essere. Per questi motivi, l’emulazione software delle reti è una tecnica di recente interesse per la comunità scientifica. L'idea di fondo è quella di puntare su di un approccio “ibrido”, in cui gli emulatori software possono essere interposti a dispositivi reali, allo scopo di accrescere il realismo delle valutazioni. Chiaramente, gli emulatori sono rapidi da configurare ed economici quanto i simulatori puri; al tempo stesso, la loro precisione è indiscutibilmente legata ai modelli simulativi in essi integrati. Diversamente da un simulatore, un emulatore però non può essere eseguito in unità di tempo virtuali, se vuole poter dialogare con sistemi reali, e occorre dotarlo di risorse computazionali certe, che gli consentano di osservare dei vincoli temporali rigorosi durante l'elaborazione dei dati in ingresso. In tal senso, l'esecuzione di una rete complessa ed eterogenea all'interno di un singolo emulatore richiederebbe una quantità enorme di risorse di calcolo. Una soluzione banale potrebbe essere quella di frazionare l'infrastruttura in più parti ed eseguirne l’emulazione in parallelo su più calcolatori. Tuttavia, oggigiorno, le tecniche di virtualizzazione sono divenute molto efficienti e permettono di ospitare diverse entità software autonome su un unico hardware; inoltre, i sistemi di calcolo multi-processore sono ormai disponibili a costi ridotti. Per queste ragioni, il presente lavoro è dedicato agli studi svolti per l’implementazione di un testbed modulare, NetBoxIT, basato su tecniche di virtualizzazione e di simulazione software in ambiente multi-core, in grado di emulare reti complesse su un’unica piattaforma. Utilizzando i container Linux e il simulatore di rete NS-3, è possibile creare, concatenare ed eseguire in parallelo un insieme di reti virtuali distinte che rappresentano i diversi segmenti di una rete eterogenea reale. NetBoxIT supporta la gestione del traffico in ingresso con distorsioni temporali quasi sempre trascurabili, e può essere collegato tramite interfacce standard con nodi esterni in modo semplice e trasparente. Il risultato che offriamo è costituito da un’estesa analisi delle prestazioni del testbed durante l’emulazione di vari generi di reti, con particolare riferimento alla rete d’emergenza identificata per il progetto europeo “A holistic approach towards the development of the first responder of the future”.
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Abstract
Communications for crisis support are today based on rate-limited Professional Mobile Radio infrastructures. However, protection agencies show a rising need for a broadband approach, to increase the reliability and the quality of communications, and the effectiveness of operations. Multipart Emergency Networks, where different technologies are used at the Personal, Incident, Jurisdictional and Extended Area Networks might be employed to support first responders (FRs), mobile Emergency Operation Centers (MEOCs) and the remote Emergency Operation Center (EOC). However, the design of a heterogeneous, multi-technological telecommunication system offers several challenges.
A significant target is to understand since the beginning if a network architecture matches the expected performance. In particular, it would be helpful to have a design tool with smart configuration capabilities, for examining the performance of alternative architectures, to choose the optimal infrastructure. A broad variety of methods can be adopted, ranging from pure mathematical models to real-world testbeds. If it were possible, the perfect tool should summarize the best of all the possible practices, that is, be as flexible and cost- effective as a software simulator; modular as a hardware emulator; and, realistic as a physical testbed.
For these reasons, software network emulation has recently gained a lot of interest in the research community. The key idea behind it is to follow a hybrid approach: a software simulator is mixed with real components and applications, to increase the fidelity of results and to perform the validation of an infrastructure against real traffic. Similarly to pure simulators, software emulators are fast to configure and low-cost, and their realism depends on the network modeling accuracy. However, an emulator cannot run in a virtual simulated time, like simulators do, to coexist with real network entities, and it needs enough computing resources to respect real-time constraints when processing incoming data. If true applications exchange traffic through an emulated topology, the emulator should not introduce any extrinsic delay.
Certainly, the plain execution of several types of networks within a single, real-time emulator requires a huge amount of computing resources. Therefore, the investigation of a heterogeneous infrastructure could be performed by the execution of many emulators in parallel (one for each part of the overall network). This task can be accomplished by running the different emulators onto several PCs. However, today, virtualization techniques have become very efficient and allow different applications to be hosted onto a single hardware, as well as multi-core CPUs are widely available, even within the cheapest netbooks.
Therefore, in this work, we investigated the architecture and the implementation issues of a modular and scalable testbed (NetBoxIT) which aims at taking advantage of these available techniques (software emulation, virtualization, and multi-CPU platforms) to simulate complex networks, possibly organized with different topologies and technologies. NetBoxIT supports the creation, and interconnection of several, coexisting virtual networks (“netboxes”) onto a single, multi-core platform. In summary, using LXC containers and the NS-3 simulator, a number of distinct netboxes can run concurrently and mimic the separate portions of a heterogeneous network. NetBoxIT supports real-time data handling, with negligible timing overheads against the represented true network in many cases, and can be interfaced with external real nodes. We examined the testbed performance with several emulation trials, most of which are related to the reference Emergency Network under study within the EU 7th FP project “A holistic approach towards the development of the first responder of the future”, to verify its realism in assessing multipart networks evaluations.
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