4. 可靠且可用的无线 (Reliable and Available Wireless)
4.1. 高可用工程原则
关键系统的可靠性标准会渗透到其各个元素中. 如果该系统包含数据网络, 则数据网络也会受到继承而来的可靠性和可用性标准约束. 因此, 在 RAW 上下文中考虑高可用工程技艺并将其应用于无线通信是很自然的.
高可用工程有 3 个原则, 或称支柱:
- 消除每个单点故障.
- 可靠切换.
- 故障发生时及时检测.
这些原则对所有高可用系统都是共通的, 并不限于以 Internet 技术为中心的系统. 本节同时包含非 Internet 和 Internet 示例.
4.1.1. 消除单点故障
系统中的物理和逻辑组件可能失效, 原因可能是磨损, 超出可接受限制使用, 或软件缺陷. 为避免系统故障, 有必要将组件故障与系统故障解耦. 这允许恢复故障组件, 同时系统其余部分继续运行.
IP 路由器利用路由协议在发生故障时重路由到备用路径. 当多条链路通过同一管道布线时, 它们形成 Shared Risk Link Group (SRLG). 如果该管道被切断, 它们会共享相同命运, 从而使重路由操作无效. 通过嵌套封装的复杂性最终落在同一物理传输上的虚拟链路也可能发生同样效果. 类似地, 干扰源或障碍物可能同时影响多次无线传输, 即使这些传输发生在不同对等方集合之间.
中间网络节点, 例如路由器, 交换机和 AP, 线缆束, 以及空气介质本身, 都可能成为单点故障. 因此, 为实现高可用, 需要使用物理链路不相交和节点不相交的路径. 在无线空间中, 还需要在空口传输中使用尽可能高程度的多样性, 包括时间, 空间, 编码, 频率和信道宽度, 以对抗额外的传输丢失原因.
从经济角度看, 正确执行这一原则通常会因为冗余设备而增加资本支出. 在应尽量减少能量和带宽浪费的受限网络中, 必须避免过度使用冗余链路. 对 RAW 而言, 这意味着必须明智且高效地使用额外带宽.
4.1.2. 可靠切换
除非备用设备能够在停机时间参数内可靠切换投入使用, 否则其价值有限. IP 路由器持续执行可靠切换, 因为路由器会使用任何可用备用路径 [RFC0791]. 这是由于 IP 数据报的无状态性质, 以及数据报与其所走转发路径之间的分离. "IP Fast Reroute Framework" [FRR] 分析了 IP Fast Reroute (FRR) 的快速故障检测和路径修复机制, 并讨论了多重故障和 SRLG 场景. FRR 技术示例包括 Remote Loop-Free Alternate [RLFA-FRR], 以及使用 RSVP-TE [RFC4090] 对 LSP 隧道进行本地修复的备用 Label Switched Path (LSP) 隧道.
相反, 确定性流绑定到为每个流预留专用资源的特定路径. 因此, 每条 DetNet 路径都必须内在地提供足够冗余, 以始终提供有保证的 SLO. DetNet PREOF 通常利用 1+1 冗余, 即通过不共路路径发送同一个数据包两次. 这避免了 FRR 操作期间的空隙, 但会使网络中的流量翻倍.
在 RAW 场景中, 预期多个瞬态故障可能发生在重叠时间窗口中. 在这种情况下, 带有延迟重建第二条路径的 1+1 冗余无法提供所需保证. Data Plane 必须配置足够程度的冗余, 以便在故障发生时立即选择备用冗余路径, 而不需要 Controller Plane 的慢速介入.
4.1.3. 及时通知故障
执行上述两个原则很可能使系统达到最终用户很少看到故障的状态. 然而, 发生的故障仍必须被检测到, 以便指导维护.
系统监控有很多理由. Fault, Configuration, Accounting, Performance, and Security (FCAPS) 是一个方便的心智检查清单, 但故障监控本身已经是足够理由.
"Overview and Principles of Internet Traffic Engineering" [TE] 讨论了测量对网络保护的重要性, 并通过分析经由网络管理 YANG 数据模型, 探测技术, 文件传输, IGP 链路状态通告等观察到的流量矩阵, 为网络生存性提供了一种抽象方法.
在 RAW 上下文中需要这些测量来告知控制器, 并基于统计和聚合信息作出重建恢复图的长期反应式决策. RAW 本身在 DetNet Network Plane 中以更快时间尺度运行, 使用关于速度, 状态等的实时信息. 这些实时信息可以直接从低层获得, 例如使用 L2 triggers, 从 DLEP 等协议读取, 或使用 OAM 和反向 OAM 经由多跳传输, 如图 11 所示.
4.2. 将可靠性概念应用于网络
术语 "reliability" 和 "availability" 在第 3 节中为 RAW 使用而定义. 建议读者参阅 [NASA1] 和 [NASA2], 以了解可靠性通用定义的更多细节. 从实践角度看, 常用若干个 9 来表示数据链路可靠性, 例如 5 个 9 表示 Packet Delivery Ratio (PDR) 为 99.999%.
这一数字在有线环境中很典型, 其中丢失通常由随机事件造成, 例如太阳粒子影响某个特定数据包的传输, 但不影响前一个数据包, 后一个数据包或在其他链路上传输的数据包. 注意, RAW 中的 QoS 要求可能包括有界延迟, 到达过晚的数据包属于故障, 不被视为已递送.
对于自动化控制环等周期性网络模式, 这个数字与 Mean Time Between Failures (MTBF) 成比例. 当单个故障可能产生严重后果时, MTBF 表示不期望的故障事件发生的概率. 在数据网络中, 情况很少如此. 数据包丢失无法完全避免, 系统会被构建为能够抵抗一定丢失. 这可以通过带重试的冗余, 如 HARQ, Packet Replication and Elimination (PRE), FEC, 以及 Network Coding 实现, 例如对 Static Context Header Compression (SCHC) [RFC8724] 分片使用 FEC. 此外, 在典型控制环中, 可以使用基于先前测量的线性插值.
然而, 线性插值方法无法抵抗多次连续丢失. 因此, 需要较高 MTBF 作为连续丢失次数有界的保证. 在这种情况下, 真正需要的是 Maximum Consecutive Loss (MCL). 如果连续丢失次数超过 MCL, 控制环必须中止, 系统, 例如生产线, 可能需要进入紧急停止状态.
构建自动化流程的工程师可以把以若干个 9 表示的网络可靠性作为 MTBF 使用, 并将其作为表示 MCL 的代理指标, 例如 "Deterministic Networking Use Cases" [RFC8578] 第 7.4 节所述.
4.3. 影响可靠性的无线效应
与有线网络相比, 无线网络中传输错误是数据包丢失的主要来源.
丢失的根本原因可能有多种来源, 因而需要使用不同形式的多样性:
Multipath fading
: 原始信号反射造成的破坏性干扰.
无线电信号可能被直接接收, 即视距接收, 也可能作为物理结构上的反射被接收, 即回波. 反射经过更长路径, 其延迟等于额外距离除以介质中的光速. 根据频率不同, 回波到达时相位不同, 可能与直接信号相加, 即建设性干扰, 也可能抵消直接信号, 即破坏性干扰.
受影响的频率取决于发送方, 接收方以及环境中所有反射物体的相对位置. 给定跳点会连续多个数据包受到 multipath fading 影响, 直到物理移动改变反射模式.
Co-channel interference
: 传输所用频谱中的能量使接收方混淆.
对于附近使用同一频谱的用户, 无线介质本身就是 Shared Risk Link Group (SRLG), 因为干扰可能影响干扰源干扰域内不同对等方之间的多个同信道传输, 即使它们使用不同技术也可能如此.
Obstacle in Fresnel zone
: Fresnel zone 是点到点无线通信中, 发射和接收天线之间及周围的椭圆形空间区域. 当该区域没有障碍物时, 传输效果最佳.
在富含金属结构和移动物体的环境中, 单条无线电链路提供的是模糊服务, 意味着不能信任它在较长时间内可靠传输流量.
传输丢失通常不是相互独立的, 其性质和持续时间不可预测. 只要影响传输的物理物体, 例如对等方之间的金属推车, 尚未移除, 或者只要干扰源, 例如 ISM 频段中的雷达, 持续发送, 连续的数据包流就会受到影响.
对抗这些不可预测丢失的关键技术是多样性. 需要不同形式的多样性来对抗不同丢失原因, 并且必须最大化多样性的使用以优化 PDR.
单个数据包可以在不同时间发送, 即时间多样性, 经由不同路径发送, 即空间多样性, 这些路径依赖不同无线电信道, 即频率多样性, 并利用不同 PHY 技术, 例如窄带相对于扩频, 或不同编码. 使用时间多样性可以抵御短期干扰. 空间多样性可对抗非常局部的干扰原因, 例如 multipath fading. 窄带和扩频彼此相对无害, 在对方存在时也可用于多样性.