3. 术语 (Terminology)
RAW 复用 "Deterministic Networking Architecture" [DetNet-ARCH] 中为 DetNet 定义的术语, 例如 "PREOF" 表示 "Packet Replication, Elimination, and Ordering Functions". RAW 继承并增强 IETF 恢复机制, 例如 DetNet [DetNet-ARCH] 和流量工程中的机制, 如 [RFC4090].
RAW 还复用 "Framework of Operations, Administration, and Maintenance (OAM) for Deterministic Networking (DetNet)" [DetNet-OAM] 第 1.1 节以及 "Active and Passive Metrics and Methods (with Hybrid Types In-Between)" [RFC7799] 中为 Operations, Administration, and Maintenance (OAM) 协议定义的术语.
RAW 还复用 [RFC4427] 中为 MPLS 定义的术语, 例如使用 "recovery" 一词覆盖若干恢复类型中的 protection 和 restoration. 该文档定义了许多概念, 例如恢复域, 这些概念用于 RAW 机制, 并定义了新术语 "recovery graph". 恢复图 (recovery graph) 把拓扑图与使用元数据关联起来, 该元数据表示路径在恢复图内如何构建和使用. 恢复图通过备用潜在路径为目标流量提供额外带宽, 并动态优化该带宽的使用.
恢复图概念与底层技术无关, 适用于但不限于任何完整或部分无线网状网络. RAW 根据路径是否完全受 RAW 控制, 或是否穿越 RAW 无法观察和控制各个跳点的不透明网络, 来指定严格恢复图和松散恢复图.
RAW 还复用 [RFC4090] 中为 RSVP-TE 定义的术语, 例如 "Point of Local Repair (PLR)". 备份路径概念被泛化为保护路径 (protection path), 这是近期标准中更常见且本文档使用的术语.
RAW 还复用 [6TiSCH-ARCH] 中为 6TiSCH 定义的术语, 并把 6TiSCH 的 Track 概念等同于恢复图.
3.1. 缩写
RAW 使用以下缩写.
ARQ
: Automatic Repeat Request. 一种众所周知的机制, 支持带确认和重试的传输以缓解错误和丢失. ARQ 可在网络的不同层实现. 在无线网络中, ARQ 通常在第 2 层按每跳实现, 而非端到端实现. ARQ 可改善有损无线链路上的递送. 此外, 为满足端到端数据包延迟约束, ARQ 重传还可以进一步受限于有界时间. ARQ 的更多细节和考虑事项见 [RFC3366].
FEC
: Forward Error Correction. 添加冗余数据, 以在不重试的情况下防护部分丢失.
HARQ
: Hybrid ARQ. FEC 和 ARQ 的组合.
ETX
: Expected Transmission Count. 一种统计指标, 表示沿路径成功递送一个数据包所需的预期数据包传输总数, 包括重传. 6TiSCH 使用该指标 [RFC6551].
ISM
: Industrial, Scientific, and Medical. 指一组无线电频段或无线电频谱部分, 例如 2.4 GHz 和 5 GHz, 国际上为工业, 科学和医疗需求所需的射频 (RF) 能量使用而保留, 例如微波炉, 深度雷达和医用透热设备. 无绳电话, Bluetooth 和 Low-Power Wireless Personal Area Network (LoWPAN) 设备, 近场通信 (NFC) 设备, 车库门开启器, 婴儿监视器和 Wi-Fi 网络都可以使用 ISM 频率, 但这些低功率发射器并不被视为 ISM 设备. 一般而言, 在 ISM 频段运行的通信设备必须容忍 ISM 应用产生的任何干扰, 用户在这些频段中不受监管保护以免受 ISM 设备运行影响.
PER
: Packet Error Rate. 错误接收的数据包数量与发送数据包总数之比. 即使数据包中只有 1 bit 被错误接收, 也认为该数据包发生错误.
PDR
: Packet Delivery Ratio. 从发送方传输到接收方的数据包中, 成功递送的数据包数量与总传输数据包数量之比.
RSSI
: Received Signal Strength Indication. 也称为 "Energy Detection Level". 对信道中非相干原始 RF 功率的度量. RF 功率可来自任何来源: 使用相同技术的其他发射器, 使用同一频段的其他无线电技术, 或背景辐射. 对于单跳, RSSI 可用于 LQI.
LQI
: Link Quality Indicator. 对接收方收到的数据包质量的指示. 它通常从数据包错误统计得出, 具体方法取决于所使用的网络栈. LQI 值可以按每个单独跳点暴露给 Controller Plane, 也可以沿段累计暴露. 出站 LQI 值可根据相干解调后的 PER, RSSI 和入站 LQI 值计算.
OAM
: Operations, Administration, and Maintenance. 覆盖操作, 管理和维护任何系统所涉及的过程, 活动, 工具和标准. 本文档按照 "Guidelines for the Use of the 'OAM' Acronym in the IETF" [RFC6291] 使用该术语, RAW OAM 所观察的系统是恢复图.
OODA
: Observe, Orient, Decide, Act. 表示控制循环中操作步骤的通用形式化模型. 在 RAW 上下文中, OODA 应用于网络控制和收敛. 详见第 6.2 节.
SNR
: Signal-to-Noise Ratio. 也称为 "S/N Ratio". 科学和工程中使用的一种度量, 用于比较期望信号水平与背景噪声水平. SNR 定义为信号功率与噪声功率之比, 通常以 decibels 表示.
3.2. 链路和方向
本文档在 RAW 上下文中使用以下与链路和方向有关的术语.
3.2.1. 波动 (Flapping)
在 RAW 上下文中, 当无线连接可靠性在短时间内突然下降时, 链路发生波动. 该时间通常为亚秒级到数秒.
3.2.2. 上行 (Uplink)
上行是从终端设备到数据通信设备的连接. 在无线语境中, 上行指 station (STA) 与 controller (AP) 之间的连接, 或 User Equipment (UE) 与 Base Station (BS) 之间的连接, 例如 3GPP 5G gNodeB (gNB).
3.2.3. 下行 (Downlink)
下行是与上行相反的方向.
3.2.4. 下游 (Downstream)
下游指沿恢复图中流数据路径方向前进.
3.2.5. 上游 (Upstream)
上游指沿恢复图中流数据路径方向的反方向前进.
3.3. 路径和恢复图
本文档在 RAW 上下文中使用以下与路径和恢复图有关的术语.
3.3.1. 路径
[INT-ARCH] 第 1.3.3 节给出了路径的定义: 在给定时刻, 从特定源主机到特定目的主机的所有 IP 数据报通常会穿越相同的网关序列. 这个序列称为"path". 注意, 路径是单向的. 在给定主机对之间, 两个方向使用不同路径并不罕见.
[RFC9473] 第 2 节指向更长且更现代的路径定义, 其开头如下: 路径是相邻路径元素的序列, 数据包可以通过它传输, 并以节点开始和结束. 路径是单向且随时间变化的, 即从一个节点到另一个节点可以有多种路径, 数据包传输所沿的路径也可能变化. 路径定义可以是严格的, 即路径元素的确切序列保持不变, 也可以是松散的, 即起始和结束节点保持不变, 但二者之间的路径元素可能随时间变化. 路径及其属性的表示可能取决于考虑该路径的实体. 一方面, 由于实体对构成路径的路径元素只有部分可见性, 或者其可见性随时间变化, 表示形式可能不同.
由此可见, 路径的一般理解是由从节点 A 到节点 B 的数据包经历所定义的链路和节点线性序列, 而不是多维图. 在本文档上下文中, 路径通过跟随保持其唯一性和完整性的数据包的一个副本或一个片段来观察. 例如, 如果 C 复制到 E 和 F, 且 D 消除重复, 则从 A 到 B 的数据包可能经历两条路径: A->C->E->D->B 和 A->C->F->D->B. 这些路径称为保护路径. 保护路径可以完全不共路, 也可以在复制点或消除点相交.
使用 DetNet 和 RAW 时, 数据包可能被复制, 分片和网络编码, 各种衍生产物可能走不同路径, 且这些路径不一定是 A 与 B 之间的端到端路径. 我们把这种复杂场景称为 DetNet 路径. 因此, DetNet 路径扩展了上面的路径描述, 但它仍匹配穿越网络的数据包经历.
使用 RAW 时, 数据包经历的路径可能逐包变化, 但所有可能经历都包含在一个有限集合中. 因此, 我们引入术语"恢复图" (见下一节), 用于合并该集合并覆盖包含所有可能 DetNet 路径的整体拓扑. 因而, 恢复图合并了一个流可能经历的所有可能路径, 每条路径都有其被使用的统计概率.
3.3.2. 恢复图 (Recovery Graph)
恢复图是一个网络图, 可被跟随以用等价处理传输数据包, 并且与使用元数据关联. 与上文路径定义不同, 恢复图表示潜在路径, 而不是实际路径. 此外, 恢复图不一定像简单路径一样是线性序列, 也不一定像 DetNet 路径一样被一个流的所有数据包完整穿越或泛洪. 但作为简化理解, 普通读者可以认为恢复图很像 DetNet 路径, 它聚合多条可能重叠或分叉后再汇合的路径, 例如用于通过 PREOF 操作实现保护服务.
_________
| |
| IoT G/W |
|_________|
EGRESS <<=== Elimination at Egress
| |
---+--------+--+--------+--------
| Backbone |
__|__ __|__
| | Backbone | | Backbone
|__ __| Router |__ __| Router
| # |
# \ # / <-- protection path
# # #-------#
\ # / # ( Low-power )
# # \ / # ( Lossy Network)
\ /
# INGRESS <<=== Replication at recovery graph ingress
|
# <-- source device
#: Low-power device
图 1: 具有 1+1 冗余的 IoT 网关示例 IoT 恢复图
进一步细化, 恢复图被定义为所有可行 DetNet 路径的合并, 分配给某个流的数据包可以沿这些路径转发. 分配给恢复图的数据包会根据数据包穿越网络时 PLR 的当前选择, 经历其中一条可行 DetNet 路径.
再进一步细化, 恢复图内的可行 DetNet 路径可以预先计算, 也可以不预先计算. 它们可以在检测到变化时从空白状态重新决定. 此外, PLR 决策可以是分布式的, 这会产生大量可能且相互依赖的决策组合, 网络中没有任何节点能够报告恢复图内当前使用的是哪条 DetNet 路径.
按 DetNet [DetNet-ARCH] 术语, 恢复图具有以下属性:
- 恢复图是构建在路由器之间 IP 链路之上的第 3 层抽象. 一个路由器可以通过单个无线电接口形成多条 IP 链路.
- 恢复图有一个入口节点和一个出口节点, 它们作为 DetNet 边缘节点运行.
- 恢复图是可逆的, 意味着数据包可以逆着数据包流方向路由, 例如把 OAM 测量或控制消息带回入口.
- 恢复图的顶点是 DetNet 中继节点, 它们在 DetNet Service sub-layer 运行并提供 PREOF 功能.
- 恢复图的拓扑边是 DetNet transit 节点的严格序列, 这些节点在 DetNet forwarding sub-layer 运行.
图 2 展示入口节点和出口节点之间恢复图的一般概念. 恢复图由前向保护路径, 前向段和交叉段组成, 这些术语的定义见后续小节. 恢复图至少包含两条保护路径: 一条主路径和一条备份路径.
------------------- forward direction ---------------------->
a ==> b ==> C -=- F ==> G ==> h T1
/ \ / | \ /
I o n E -=- T2
\ / \ | / \
p ==> q ==> R -=- T ==> U ==> v T3
I: Ingress
E: Egress
T1, T2, T3: external targets
Uppercase: DetNet relay nodes
Lowercase: DetNet transit nodes
图 2: 恢复图及其组成部分
注意:
I ==> a ==> b ==> C: 到目标 F 和 o 的前向段.
C ==> o ==> T: 到目标 T 和/或 U 的前向段.
G | n | U: 到目标 G 或 U 的交叉段.
I -> F -> E: 到目标 T1, T2 和 T3 的前向保护路径.
I, a, b, C, F, G, h, E: 到 T1, T2 和/或 T3 的路径.
I, p, q, R, o, F, G, h, E: 跨段保护路径.
3.3.3. 前向和交叉
前向指朝恢复图出口方向推进. 前向链路是有方向的, 沿恢复图转发的数据包只能按链路方向传输. 交叉链路是双向的, 意味着它们可在两个方向上使用, 但某个给定数据包只能在一个方向上使用该链路. 段可以是前向段, 这种情况下它仅由前向链路组成. 段也可以是交叉段, 这种情况下它仅由交叉链路组成. 保护路径始终是前向的, 意味着它由前向链路和段组成.
3.3.4. 保护路径
保护路径是恢复图入口节点和出口节点之间的端到端前向路径. 恢复图中的保护路径表示为 DetNet 中继节点的严格序列, 或表示为由恢复图中各段连接的 DetNet 中继节点的松散序列. 与保护路径有关概念的背景信息见 [RFC4427] 和 [RFC6378].
3.3.5. 段
段是两个 DetNet 中继节点之间的 DetNet transit 节点严格序列. 恢复图的一个段在拓扑上由恢复图的两个顶点以及这些顶点之间的一条恢复图边组成.
3.4. 确定性网络
本文档复用 [RFC8557] 第 2 节和 [DetNet-ARCH] 第 4.1.2 节中关于确定性网络和确定性联网的术语. 本文档还使用以下术语.
3.4.1. DetNet 平面
[DetNet-ARCH] 定义了 3 个平面: Application (User) Plane, Controller Plane 和 Network Plane. DetNet Network Plane 由 Data Plane (数据包转发) 和执行 OAM 操作的 Operational Plane 组成. 在 Network Plane 中, DetNet Service sub-layer 关注流保护, 例如使用冗余, 并可完全在第 3 层运行. DetNet forwarding sub-layer 则建立路径, 把流关联到路径, 确保必要资源可用, 并利用第 2 层功能及时递送到下一个 DetNet 系统. 更多信息见第 2 节.
3.4.2. 流
流是由上层定义并由相同 5-tuple 或 6-tuple 标识的一组连续 IP 数据包 (见 [RFC8939] 第 5.1 节). 同一流的数据包必须放置在同一个恢复图上, 以便在恢复图内从入口到出口获得等价处理. 多个流可以沿同一恢复图传输. 为流选择的 DetNet 路径可能在 PLR 控制下随时间变化.
3.4.3. 驻留时间
驻留时间 (Residence Time, RT) 定义为从开始接收数据包到开始发送该数据包之间的时间间隔. 在 RAW 上下文中, RT 对 transit 节点有用, 对入口或出口节点无用.
3.4.4. 第 3 层确定性流标识符
标识一个流的经典 IP 5-tuple 包括源 IP, 目的 IP, 源端口, 目的端口和 Upper-Layer Protocol (ULP). DetNet 使用 6-tuple, 其中额外字段是数据包中的 Differentiated Services Code Point (DSCP) 字段 (见 [DetNet-DP] 第 3.3 节). IPv6 flow label 不用于此目的.
3.4.5. 时间敏感网络
Time-Sensitive Networking (TSN) 表示 IEEE 802 围绕确定性网络开展的工作, 最初用于 Ethernet. 见 [TSN]. Wireless TSN (WTSN) 表示 TSN 工作在无线介质上的扩展, 例如 [RAW-TECHNOS] 中描述的 RAW 技术.
3.4.6. 低层 API
RAW 包含低层 API (lower-layer API, LL API) 的概念, 它在低层技术, 例如无线技术, 与 DetNet 各层之间提供接口. LL API 依赖具体技术, 因为低层向 DetNet 层暴露的内容可能不同. 此外, 不同 RAW 技术配备了不同可靠性特性, 例如短距离广播, Multiple User - Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO), 物理层 (PHY) 速率和其他 Modulation Coding Scheme (MCS) 自适应, 编码和重传方法, 以及建设性干扰和偷听. 更多细节见 [RAW-TECHNOS]. LL API 使低层提供的可靠性功能与 DetNet 提供的可靠性功能之间能够交互. 也就是说, LL API 使不同层可靠性功能的跨层优化成为可能, 具体取决于给定 RAW 技术通过 LL API 实际暴露的内容. Dynamic Link Exchange Protocol (DLEP) [DLEP] 是可用于实现 LL API 的协议示例.
3.5. 可靠性和可用性
在 RAW 工作上下文中, 可靠性和可用性以及以下其他术语定义如下.
3.5.1. 服务级别协议
在 RAW 上下文中, Service Level Agreement (SLA) 是提供方, 即网络, 与客户端, 即应用流, 之间的契约, 定义延迟边界, 连续丢失和 Packet Delivery Ratio (PDR) 等可测量指标.
3.5.2. 服务级别目标
Service Level Objective (SLO) 是 SLA 中的一个条款, 网络会为其实现特定设置和操作. 例如, 动态调整数据包冗余可通过提升丢包后一个数据包的递送机会, 来处理连续丢失这一 SLO.
3.5.3. 服务级别指标
Service Level Indicator (SLI) 衡量某个 SLO 对契约条款的符合程度. 例如, 它可以是在一定时间内单个丢失或连续丢失的统计.
3.5.4. 精确可用性指标
Precision Availability Metrics (PAMs) [RFC9544] 旨在捕获某个流的服务级别, 特别是该流符合当前生效 SLO 的程度.
3.5.5. 可靠性
可靠性是指在给定环境条件下, 某个项目, 例如系统或网络, 在规定时间段内或规定请求数/负载下无故障执行其预期功能的概率. 换言之, 可靠性是某项目在给定任务期间, 例如提供 SLA, 处于 uptime 状态的概率, 即完全运行或准备执行. 更多信息见 [NASA1].
3.5.6. 可用性
可用性是某个项目, 例如网络, 任务就绪的概率, 例如提供 SLA 的就绪概率. 可用性表示为 uptime/(uptime+downtime). 注意, 处理 downtime, 包括维护, 修理和更换活动所需时间, 的是可用性而不是可靠性. 更多信息见 [NASA2].