Основы технологии Frame Relay. Технология Frame Relay

Для начала немного лирики. Уж не знаю почему, но к Frame Relay я всегда имел какие-то теплые чувства (если их вообще можно иметь к протоколу передачи данных... коллеги меня поймут, надеюсь). Впервые я узнал о нем давным давно, когда ещё готовился к CCNA. Тогда Frame Relay произвел на меня достаточно большое впечатление, хотя бы потому что это был не Ethernet. Это было что-то новое, что я не знал тогда. С тех пор, я почти не видел его имплементаций в жизни. Зато в цисковских экзаменах его до недавнего времени было просто завались... Давайте попробуем разобраться, что же в нем такого...

Причины возникновения

После лирики самое время перейти к истории. Frame Relay появился в эру ISDN. Возникла надобность как-то организовать передачу данных по сети, для этого изначально была и разработана технология Frame Relay. Довольно редко встречающаяся в наши дни технология, однако не так уж редкая, как многие думают. Основным применением технологии был, так называемый, корпоративный сектор. В то время, для обеспечения канала связи между двумя офисами, применялись point-to-point serial линки. Штука простая и удобная, но не масштабируемая. Если нам нужно соединить 3 устройства через ISDN сеть, от каждого устройства понадобится прокладывать два serial линка. А если устройств 100?.. Эту проблему был призван решить Frame Relay. Он способен объединить все эти офисы чуть более эффективным методом. Понадобится всего один линк для соединения каждого устройства с Frame Relay облаком. Картина ниже иллюстрирует подход.

Frame Relay - это NBMA (non-broadcast multiple access ) сеть. Это означает, что одно устройство в сети может взаимодействовать с множеством других, но делается это не средствами посылки broadrcast сообщений. В этом основной прикол Frame Relay, который накладывает отпечаток на многие аспекты связанные с этим протоколом. Например, работа протоколов маршрутизации через такую сеть имеет некоторые особенности.

Frame Relay - работает на втором уровне OSI, поверх которого можно передавать множество L3 технологий. Конечно же, основная из них - IP. Именно про IP over Frame Relay и пойдет речь дальше.

Frame Relay вводит пару терминов, которые особой сложности не несут, но иногда могут завести в заблуждение.

DTE (data terminal equipment) - оборудование, которое использует сервис Frame Relay. По сути это CPE.

DCE (data circuit-terminating equipment ) - оборудование, которое предоставляет сервис Frame Relay. Это Frame Relay Switch, который стоит на стороне провайдера.

Базовый принцип

Итак, теперь когда мы более или менее определились что такое Frame Relay, пора глянуть на то как он работает. Если говорить в терминах Frame Relay, то на схеме ниже у нас три устройства, которые подключены к Frame Relay облаку. Это DTE1, DTE2 и DTE3. Каждое их этих устройств подключено к провайдерскому устройству (DCE), которых на схеме тоже три.

Так же на схеме можно заметить некие VC . Их тут три и это основополагающий концепт во Frame Relay. Устройства в сети Frame Relay соединенны средствами Virtual Circuit , которые прокладываются поверх физических линков. Так, к примеру, DTE1 подключено к DTE2 и DTE3 двумя такими секитами, VC12 и VC31 соответственно.
Строго говоря, VC бывают двух типов:

SVC (Switched Virtual Circuit)- такой канал сигнализируется DTE каждый раз, когда нужно передать данные.

PVC (Permanent Virtual Circuit) - этот тип секита всегда присутствует в сети и настроен на узлах. DTE к нему всего лишь подключаются, но не сигнализируют.

В любом случае, каждый такой секит определяется с помощью DLCI (Data-link connection identifier). DLCI в сетях Frame Relay это что-то вроде MAC адреса в Ethernet, но не совсем. Это некий L2 идентификатор в сети. Но, в отличие от MAC, DLCI это локальное значение, которое должно быть уникально только в пределах линка. Если посмотреть на картинку выше, то вполне нормально использовать один DLCI на все устройства. Но обычно используется другой подход, который называется Global Addressing. В таком случае, DLCI уникален в пределах сети. Так привычней и проще.

Перейдем к тому как кадры передаются через такую сеть. Допустим, устройство DTE1 (192.168.0.1/24) хочет отправить какие-то данные устройству DTE2 с адресом 192.168.0.2/24.

Роутер DTE1 инкапсулирует IP пакет в Frame Relay кадр, вставляет DLCI=102 в заголовок и отправляет получившийся сверток в сторону DTE2.
В нашем случае, кадр попадает на DCE1. Внутри Frame Relay облака, перво наперво, проверяется заголовок Frame Relay, там находится идентификатор DLCI=102, это это часть секита VC12, DLCI в кадре меняется на 101 и отправляется в сторону DTE2.
DTE2 так же смотрит заголовок Frame Relay, находит там DLCI 101 по которому он понимает, что данные пришли от DTE1. Далее заголовок отбрасывается и начинается работа с IP пакетом.

LMI (Local Management Interface)

Для взаимодействия между DTE и DCE существует специальный протокол LMI, который в сетях Frame Relay выполняет две важные функции.

Keepalive. Если от соседа не приходит никаких сообщений, то такой линк считается умершим. Обычно это 3 не пришедших сообщения, интервал между которыми равен 10 секунд.
Сигнализация состояния. Как только роутер (DTE) появляется в сети, он шлет сообщение LMI Status Enquiry в сторону DCE. Тот отвечает ему сообщением LMI Status , в котором рассказывает какие DLCI сейчас настроены на этом VC и в каком они статусе.

Таким образом, после настройки линка наш DTE автоматически узнает о том, какие DLCI используются . Проблема только в том, что мы не знаем какой IP какому DLCI соответсвует . "ARP" - воскликнет читатель. "Почти" - отвечу я.

Inverse ARP

После того, как мы подключили устройство к сети Frame Relay, ближайший свитч расскажет нам какие DLCI настроены в канале. Для того, чтобы узнать какие L3 адреса (IP, короче говоря) за ними сидят нам нужно что-то вроде ARP в Ethernet, но наоборот. В Ethernet мы знаем L3, но не знаем какой MAC, т.е. L2 адрес, ему соответствует. Тут же мы знаем L2 адрес (DLCI), а вот IP нет.

Как только наш роутер DTE получит сообщение LMI Status с перечислением DLCI, он сразу же отправит Inverse ARP сообщение в сеть, в котором расскажет свой DLCI и свой L3 адрес. Таким образом, другие участники сети узнают, с каким DLCI нужно слать кадры для достижения этого роутера .

Конечно, Inverse ARP можно отключить, отключив LMI, кстати говоря. В таком случае, всю настройку вы берете на себя. Нужно статически настроить DLCI на интерфейсах и записать каким DLCI на удаленных сторонах сети какие адреса соответсвуют.

Топологии

Стоит пару слов сказать про L3. Вы вольны как угодно строить дизайн L3 поверх Frame Relay облака. Можно одну подсеть "размазать" по всей сети, что я и сделал в своем примере (картинка ниже слева). Можно использовать логику точка-точка и на каждый VC выделить свою подсеть (справа).

Тип интерфейса

От типа интерфейса зависит то, как себя будет вести Frame Relay, и как будут вести себя протоколы динамической маршрутизации поверх него, кстати говоря. Сейчас рассмотрим немного исковерканную топологию из моего примера, у которой по какой-то причине убрали один линк между DTE1 и DTE3.

Для примера возьмем Cisco, где нам предлагаетя возможность настроить Frame Relay на:

Физическом интерфейсе . Хороший вариант, но не очень масштабируемый. В нашем примере выше, всю топологию можно настроить на физических интерфейсах. Прописываем инкапсуляцию frame-relay и IP адрес, всю остальную работу за нас сделают LMI и InARP. А вот если бы мы выбрали для реализации подход с предыдущего рисунка, когда для каждого VC нам понадобилась бы своя подсеть, настроить Frame Relay на физическом уровне уже не получится. Нужно было бы прописать две подсети на один физический интерфейс.
Сабинтерфейсе . Можно сказать, что это Best Practises. Но в таком случае, нам нужно выбрать тип интерфейса, коих у нас два:

Point-to-Point . В таком случае, InverseARP нам не нужен, потому как сама логика PtP предполагает, что на другом конце только одно устройство. Роутер просто считает, что вся подсеть, которая прописана на локалном интерфейсе доступна через DLCI соседа. Например, если настроить VC12 как PtP сабинтерфейс на DTE1, то роутер просто решит, что вся подсеть 192.168.0.0/24 доступна через VC12 и слать трафик в неё нужно с DLCI 102. Такой DLCI рассказал нам DTE2 на другом конце средствами LMI. Напомню, InverseARP для маппинга L2 в L3 не используется в таком случае. Для нашего примера, линк на DTE3 тоже можно настроить как PtP.
Multipoint . А вот на DTE2 такая логика неприменима, ведь через один линк должно ходить несколько VC. В нашем случае, здесь потребуется настроить multipoint сабинтерфейс.

Если прикинуть, как будет ходить трафик в такой топологии, то получится примерно следующее. Допустим, в облаке уже все настроено и вы включили свои настроенные устройства.

Первым делом отправится LMI Status Enquiry в сторону свичей в облаке.
Свичи ответят нашим DTE сообщением LMI Status какие DLCI настроены в VC. А именно, DTE1 и DTE3 узнают про DLCI 102, который принадлежит DTE2. DTE2 узнает про DLCI 101 и 102, которые принадлежат DTE1 и DTE2 соотвествнно.
Как только придет LMI Status на наши DTE, они отправят InARP сообщения. DTE1 расскажет, что его IP 192.168.0.1/24 и DLCI 101. DTE2 расскажет соседям, что его аддрес 192.168.0.2/24 и DLCI 102. DTE3 тоже всё всем расскажет.
Когда на DTE1 появится интерсующий нас трафик для отправки в сторону DTE3, он просто возьмет IP пакет, завернет его в Frame Relay кадр, запишет в него DLCI 102 . Смотреть на InARP он не будет, он просто знает, что все из сети 192.168.0.0/24 нужно отправлять с DLCI 102. Почему? Потому что у нас натсроен point-to-point интерфейс.
Пройдя через Frame Relay облако, наш заголовок трансформируется и уже будет иметь DLCI 101 .
Такой вот кадр с DLCI 101 и придет на DTE2. DTE2 поймет, что трафик этот не предназначается ему, потому что у него нет нужного IP на интерфейсах. Он взглянет на свой маппинг, который он составил по результатам LMI и InARP и поймет, что трафик этот предназначается DTE3 и должен быть отправлен в его сторону с DLCI 103.
DTE2 инкапсулирует трафик в новый FR заголовок и ставит в него DLCI 103 .
По пути DLCI в заголовоке опять магическим образом поменяется с 103 на 102 .
Наконец-то DTE3 получил трафик, отбросил заголовок второго уровня (Frame relay), глянул в L3 заголовок (IP) и понял, что это для него. Далее трафик будет каким-либо образом обработан.
В случае, если DTE3 сформирует какой-то ответный трафик в сторону DTE1, ситуация повторится с пункта 1, но в обратном направлении.

Для наглядности я накидал UML диаграммку, зря я что ли писал как это делать в своем посте про UML ?..

На картинке выше изображен первый случай .

DTE1 отправляет некий трафик обернутый заголовком Frame Relay, в котором помимо DLCI находятся два бита - FECN и BECN. Роутер DTE1 отправляет их равными нулю, потому что он ни про какие перегрузки в канале не знает (ещё пока).

DCE1 получает трафик и обрабатывает его, все как обычно. Однако он замечает, что в линке до DCE2 есть заторчик. Он запоминает VC, в котором к нему пришли данные и ставит бит FECN равным 1 в заголовке кадра в сторону соседа DCE2. Что означает, что в канале произошла перегрузка. Делает он это, по сути, в надежде, что кто-то на него-таки взглянет. Спойлер - не в этот раз...

Кадр приходит на DCE2. Для него это самый обычный трафик, который он отправляет на DTE2.

DTE2, получив трафик, начинает его как-то обрабатывать и, скорее всего, шлет некий обратный трафик. Он в этом примере про перегрузку канала ничего не знает, поэтому в его обратном кадре FECN и BECN тоже нулевые.

Когда DCE1 получит такой трафик, он узнает VC и поставит бит BECN равный 1, для того, чтобы сказать источнику трафика (DTE1), что на канале есть проблемы и ему надо немного охладить свой пыл.

Втором примере на картинке выше.

В этом случае, DTE2 настроен на реакцию на бит FECN и сам проставит BECN = 1, для того чтобы уведомить DTE1 о перегрузке. DCE1 в этом случае ничего менять не будет. В этот раз, DCE1 не зря ставил FECN = 1, все таки хоть кому-то он пригодился и DTE2 взглянул на него.

FECN бит в нормальном сети меняют только DCE, а вот BECN могут менять как DCE, так и DTE.

Зачем же нужен бит DE ? Когда обнаружиться перегрузка, на DCE, рано или поздно, переполнится очередь на отправку и он будет вынужден начать процесс сбрасывания кадров с её конца. Он понятия не имеет какой трафик важный, а какой нет. Но ему можно попытаться рассказать об этом... Есть возможность помечать некий "неважный" трафик при отправке с DTE битом DE. В этом случае, наши свитчи в ядре (DCE) смогут понять какой трафик стоит отбрасывать в первую очередь, инспектируя значение этого бита в заголовке Frame Relay.

Наверное, пока хватит. Наконец-то я описал Frame Relay в своем блоге. Теперь я буду спать спокойно.

Как бы "залабить" все это?..

2.2.2. Сети Frame Relay (FR)

Сеть Frame Relay является сетью с коммутацией кадров или сетью с ретрансляцией кадров, ориентированной на использование цифровых линий связи. Первоначально технология Frame Relay была стандартизирована как служба в сетях ISDN со скоростью передачи данных до 2 Мбит/с. В дальнейшем эта технология получила самостоятельное развитие. Frame Relay поддерживает физический и канальный уровни OSI. Технология Frame Relay использует для передачи данных технику виртуальных соединений (коммутируемых и постоянных).

Стек протоколов Frame Relay передает кадры при установленном виртуальном соединении по протоколам физического и канального уровней. В Frame Relay функции сетевого уровня перемещены на канальный уровень, поэтому необходимость в сетевом уровне отпала. На канальном уровне в Frame Relay выполняется мультиплексирование потока данных в кадры.

Каждый кадр канального уровня содержит заголовок, содержащий номер логического соединения, который используется для маршрутизации и коммутации трафика. Frame Relay - осуществляет мультиплексирование в одном канале связи нескольких потоков данных. Кадры при передаче через коммутатор не подвергаются преобразованиям, поэтому сеть получила название ретрансляции кадров. Таким образом, сеть коммутирует кадры, а не пакеты. Скорость передачи данных до 44 Мбит/с, но без гарантии целостности данных и достоверности их доставки.

Frame Relay ориентирована на цифровые каналы передачи данных хорошего качества, поэтому в ней отсутствует проверка выполнения соединения между узлами и контроль достоверности данных на канальном уровне. Кадры передаются без преобразования и контроля как в коммутаторах локальных сетей. За счет этого сети Frame Relay обладают высокой производительностью. При обнаружениях ошибок в кадрах повторная передача кадров не выполняется, а искаженные кадры отбраковываются. Контроль достоверности данных осуществляется на более высоких уровнях модели OSI.

Сети Frame Relay широко используется в корпоративных и территориальных сетях в качестве:

каналов для обмена данными между удаленными локальными сетями (в корпоративных сетях);
каналов для обмена данными между локальными и территориальными (глобальными) сетями.

Технология Frame Relay (FR) в основном используется для маршрутизации протоколов локальных сетей через общие (публичные) коммуникационные сети. Frame Relay обеспечивает передачу данных с коммутацией пакетов через интерфейс между оконечными устройствами пользователя DTE (маршрутизаторами, мостами, ПК) и оконечным оборудованием канала передачи данных DCE (коммутаторами сети типа "облако").

Коммутаторы Frame Relay используют технологию сквозной коммутации, т.е. кадры передаются с коммутатора на коммутатор сразу после прочтения адреса назначения, что обеспечивает высокую скорость передачи данных. В сетях Frame Relay применяются высококачественные каналы передачи, поэтому возможна передача трафика чувствительного к задержкам (голосовых и мультимедийных данных). В магистральных каналах сети Frame Relay используются волоконно-оптические кабели, а в каналах доступа может применяться высококачественная витая пара.

Рис. 1.

На рисунке представлена структурная схема сети Frame Relay, где изображены основные элементы:

DTE (data terminal equipment) – аппаратура передачи данных (маршрутизаторы, мосты, ПК).
DCE (data circuit-terminating equipment) – оконечное оборудование канала передачи данных (телекоммуникационное оборудование, обеспечивающее доступ к сети).

Физический уровень Frame Relay

На физическом уровне Frame Relay используют цифровые выделенные каналы связи, протокол физического уровня I.430/431.

Канальный уровень Frame Relay

В сети Frame Relay используется два типа виртуальных каналов: постоянные (PVC) и коммутируемые виртуальные каналы. На канальном уровне поток данных структурируется на кадры, поле данных в кадре имеет переменную величину, но не более 4096 байт. Канальный уровень реализуется протоколом LAP-F. Протокол LAP-F имеет два режима работы: основной и управляющий. В основном режиме кадры передаются без преобразования и контроля.

В поле заголовка кадра имеется информация, которая используется для управления виртуальным соединением в процессе передачи данных. Виртуальному соединению присваивается определенный номер (DLCI). DLCI (Data Link Connection Identifier) - идентификатор соединения канала данных.

Каждый кадр канального уровня содержит номер логического соединения, который используется для маршрутизации и коммутации трафика. При этом контроль правильности передачи данных от отправителя получателю осуществляется на более высоком уровне модели OSI.

Коммутируемые виртуальные каналы используются для передачи импульсного трафика между двумя устройствами DTE. Постоянные виртуальные каналы применяются для постоянного обмена сообщениями между двумя устройствами DTE.

Процесс передачи данных через коммутируемые виртуальные каналы осуществляется следующим образом:

установление вызова - образуется коммутируемый логический канал между двумя DTE;
режим ожидания, когда коммутируемая виртуальная цепь установлена, но обмен данными не происходит;
завершение вызова - используется для завершения сеанса, осуществляется разрыв конкретного виртуального соединения.

Процесс передачи данных через предварительно установленные постоянные виртуальные каналы осуществляется следующим образом:

передача данных по установленному логическому каналу;
режим ожидания, когда коммутируемая виртуальная цепь установлена, но обмен данными не происходит.

Достоинства сети Frame Relay:

высокая надежность работы сети;
обеспечивает передачу чувствительный к временным задержкам трафик (голос, видеоизображение).

Недостатки сети Frame Relay:

высокая стоимость качественных каналов связи;
не обеспечивается достоверность доставки кадров.

Origin of Frame Relay technology is the end of the 80s. At this time, more and more began to receive the spread of reliable digital channels plesiochronous systems, synchronous digital hierarchy (PDH and SDH). These technologies provide a reliable high-speed channel with low noise and error.

X.25 protocol stack, which existed before the advent of Frame Relay, included a variety of systems error checking and recovery, as used in the low-speed channels with a large noise level. But with the advent of technologies PDH and SDH communication quality has improved significantly and eliminated the need for a complex system of checks, which was present in the X.25. As a result, the change of the protocol stack came Frame Relay technology, which had only the minimum necessary for delivering information from the sender to the recipient. It is also a breakthrough of this technology was that it provided a guaranteed bandwidth, which could provide early technology.

Transmission of frame in Frame Relay technology

Frame Relay technology uses a technique of virtual channels based on tags, thereby reducing the uncertainty in the data delivery to the recipient and this is not so tough methods of transmission, which is characteristic of primary and telephone networks.

Transmission of frame in Frame Relay technology

The virtual channel is established for the exchange of data between the nodes and made entries in the routing tables of all nodes through which this will take place. Set the input and output matching tags that mark the channel in the entire data path. Thus channels may be either unidirectional or bidirectional.

The mechanism of transmission channel package next. If the packet to be transmitted from the computer to the computers C1 C4, the packet is marked with the label 102 and is transmitted to the first node where the routing table of the package marks a new label 106 and is transmitted to the output port 3. Further to this mark, he gets to the second switch, and there gets a new tag 117, which gets on the computer C4.

Virtual Channel Label

Tag virtual channel is the local address of this channel, formally mark FR is the name of the DLCI (Data Link Connection Identifier - Data Link Layer connection identifier). Tags virtual channel should always be unique for each switch, and while they only make sense for the particular switches, ie they do not have values for the other switches and connections between switches must have agreed on the value of the mark.

Метка виртуального канала Frame Relay

Bandwidth Guarantees

But the most interesting features of this technology to customers was a guarantee of bandwidth, which is divided into several types:

Committed Information Rate, CIR - always guaranteed bandwidth below which transmission rate does not drop.
Committed Burst Size, Bc - the maximum bandwidth that the provider can provide, but do not guarantee a similar data rate, since it does not fit the profile of CIR.
Excess Burst Size, Be - the maximum number of bytes that the network will attempt to transmit in excess of the value of Sun for the time interval T.

Маршрутизаторы обычно маршрутизируют трафик между подсетями. Чтобы маршрутизировать трафик между подсетями, которые не находятся поблизости одна от другой, маршрутизатор использует соединение, которое обеспечивает телефонная компания. Т.о. телефонная компания позволяет обеспечить установку соединения через каналы глобальной сети, также называемые выделенными каналами , выделенными линиями или каналами типа «точка-точка».

Телефонная компания так или иначе передает биты по внутренней сети телефонной компании, а конечный результат состоит в том, что для маршрутизаторов выделенный канал представляется эквивалентным кабелю с 4-мя проводами, проложенному между ними, по которому они могут посылать и получать данные в любой момент времени.

На каждой площадке установлен маршрутизатор, а также внутренний или внешний модуль CSU/DSC (устройство последовательного интерфейса маршрутизатора, которое кроме всего обеспечивает настройку последовательного канала на нужную скорость передачи). Модуль CSU/DSU конфигурируется со скоростью канала, кратной наименьшей скорости 64 Кбит/с.

Чтобы передавать трафик по каналу глобальной сети, используется протокол канального уровня. Наиболее популярные – HDLC (High-level Data Link Control) и PPP (Point to Point Protocol). Протоколы HDLC и PPP инкапсулируют пакет, помещая его между заголовком и концевиком. Они также имеют поле контрольной сумы в концевике. Поскольку любые данные, пересылаемы по выделенному каналу типа «точка-точка», предназначены для устройства, находящегося на другом конце – в заголовке (размером 1 байт) редко содержится информация об получателе, а есть лишь концевик с FCS (контрольной суммой для проверки на предмет ошибок). Поэтому отпадает необходимость использования протокола преобразования имён в IP-адреса (ARP). Независимо от того какой протокол используется, маршрутизатор инкапсулирует пакет во фрейм – или фрейм HDLC, или фрейм PPP.

Маршрутизаторы обычно маршрутизируют трафик между различными подсетями. Чтобы перенаправлять трафик между подсетями, которые не находятся в одном месте, маршрутизатор использует соединение, которое обеспечивает телефонная компания.

Технология Frame Relay позволяет избежать прокладки большого количества «выделенных линий» в случае необходимости объединения более 2-х площадок. Концепция службы аналогична концепции большого коммутатора Ethernet. Маршрутизаторы соединяются с сетью Frame Relay, используя выделенный канал, простирающийся от маршрутизатора до коммутатора Frame Relay, установленного в местной АТС. При пересылке фреймов Frame Relay по этому каналу доступа к ближайшему коммутатору, последний смотрит на заголовки фрейма и пересылает его, руководствуясь значением DLCI в заголовке. DLCI (Data-Link Connection Indetifier) – 10-разрядное число от 0 до 1023, которое идентифицирует отдельный постоянный виртуальный канал PVC (Permanent Virtual Circuit).

PVC – постоянный виртуальный канал, означает способность передавать фреймы Frame Relay между двумя устройствами, подключенными к одной сети Frame Relay, если провайдер заранее предусмотрел такую возможность. CIR (Committed Information Rate) — гарантированная скорость передачи.

Чтобы технология работала, каждый маршрутизатор должен быть физически подключен кабелем с коммутатором Frame Relay в местной АТС. Коммутатор Frame Relay – это оборудование которое «понимает» Frame Relay и может передавать трафик, основанный на протоколах Frame Relay. Набор коммутаторов Frame Relay провайдера, наряду с другим оборудованием, установленным между ними, формирует сеть Frame Relay . Услуга, которую предлагает провайдер – это возможность для маршрутизатора посылать фреймы Frame Relay и получать их от других маршрутизаторов, связанных с этой сетью.

Frame Relay – это набор протоколов, каждый из которых выполняет функции, соответствующие канальному уровню 2 модели OSI. Для выполнения функций уровня 1, т.к. обустройство кабельной системы и фактическая передача битов, Frame Relay использует те же стандарты, что и последовательные каналы. Физический последовательный канал между маршрутизатором и коммутатором Frame Relay называют каналом доступа (access link).

Чтобы послать фрейм, маршрутизатор должен поместить в заголовок нужный адрес. Каждый заголовок Frame Relay содержит поле адреса, именуемое идентификатором канала связи (DLCI).

Если маршрутизатору R1 необходимо послать пакет маршрутизатору R2, через сеть Frame Relay, маршрутизатор физически использует последовательный интерфейс и логически использует PVC с необходимым DLCI (для площадки в Киеве это например 102). Маршрутизатор выполняет инкапсуляцию Frame Relay, как это делают и другие протоколы канального уровня. Маршрутизатор R1 знает исходящий исходящий интерфейс и IP-адрес следующего перехода, но он не знает, какой DLCI нужно использовать. Для решения этой проблемы используется инверсный протокол ARP (Inverse ARP). Как только начинает работать постоянный виртуальный канал (PVC), R2 объявляет свой IP-адрес маршрутизатору R1, используя виртуальный канал (VC) между этими двумя маршрутизаторами. R1 также объявляет свой IP-адрес маршрутизатору R2.

Лекция 6. Принципы построения сетей Frame Relay и АТМ

Сети Frame Relay. Сеть Frame Relay является сетью с коммутацией кадров или сетью с ретрансляцией кадров, ориентированной на использование цифровых линий связи. Первоначально технология Frame Relay была стандартизирована как служба в сетях ISDN со скоростью передачи данных до 2 Мбит/с. В дальнейшем эта технология получила самостоятельное развитие. Frame Relay поддерживает физический и канальный уровни OSI. Технология Frame Relay использует для передачи данных технику виртуальных соединений (коммутируемых и постоянных).

Frame Relay осуществляет мультиплексирование в одном канале связи нескольких потоков данных. Кадры при передаче через коммутатор не подвергаются преобразованиям, поэтому сеть получила название ретрансляции кадров. Таким образом, сеть коммутирует кадры, а не пакеты. Скорость передачи данных до 44 Мбит/с, но без гарантии целостности данных и достоверности их доставки.

Технология Frame Relay в основном используется для маршрутизации протоколов локальных сетей через общие (публичные) коммуникационные сети. Frame Relay обеспечивает передачу данных с коммутацией пакетов через интерфейс между оконечными устройствами пользователя DTE (маршрутизаторами, мостами, ПК) и оконечным оборудованием канала передачи данных DCE (коммутаторами сети типа "облако").

На рисунке 6.1 представлена структурная схема сети Frame Relay, где изображены основные элементы:

DTE (data terminal equipment) – аппаратура передачи данных (маршрутизаторы, мосты, ПК);

DCE (data circuit-terminating equipment) – оконечное оборудование канала передачи данных (телекоммуникационное оборудование, обеспечивающее доступ к сети).

Рисунок 6.1 – Cтруктурная схема сети Frame Relay

Физический уровень Frame Relay. На физическом уровне FR используют цифровые выделенные каналы связи, протокол физического уровня I.430/431.

Канальный уровень Frame Relay. Протокол канального уровня LAP-F в сетях Frame Relay имеет два режима работы – основной (core) и управляющий (control). В основном режиме, который практикуется в сегодняшних сетях FR, кадры передаются без преобразования и контроля, как и в коммутаторах локальных сетей. За счет этого сети FR обладают высокой производи- тельностью, так как кадры в коммутаторах не подвергаются преобразованию, а сеть не передает квитанции подтверждения между коммутаторами на каждый пользовательский кадр. Структура стека (рисунок 6.2) отражает происхождение технологии FR в недрах технологии ISDN, так как сети FR заимствуют многое из стека протоколов ISDN (процедуры установления SVC).

Основу технологии составляет протокол LAP-F core, который является упрощенной версией протокола LAP-D.

Протокол LAP-F (стандарт Q.922 ITU-T) работает на любых каналах сети ISDN, а также на каналах типа Т1/Е1. Терминальное оборудование посылает в сеть кадры LAP-F в любой момент времени, считая что виртуальный канал в сети коммутаторов проложен. При использовании PVC оборудованию Frame Relay нужно поддерживать только протокол LAP-F core. Протокол LAP-F contol является необязательной надстройкой над LAP-F core, которая выполняет функции контроля доставки кадров и управления потоком. При этом control сетью реализуется служба frame switching.

Рисунок 6.2 – Стек протоколов Frame Relay

Технология ATM. В 80-е годы во многих промышленных развитых странах началась разработка широкополосной цифровой сети с интеграцией служб (B-ISDN). Создание такой сети позволяет организовать такие службы, как высококачественная видеотелефония, видеоконференции, высокоскорост- ная передача данных, передача телевизионных программ высокого качества, поиск видеоинформации и ряд других. Для этого требуются скорости передачи, превышающие 2 Мбит/с, являющуюся максимальной скоростью, предостав- ляемой пользователю узкополосной ISDN. В результате исследований, проводившихся с середины 80-х годов, МККТТ (ныне МСЭ-Т) принял в 1988 г. рекомендацию I.121, определившую общие принципы B-ISDN. Наиболее важный из них – использование асинхронного режима переноса информации (АТМ), реализующего процессы передачи и коммутации выше физического уровня. Решающее значение при выборе АТМ имело то, что большинство источников информации работают в прерывистом режиме. Например, коэффициент активности речи составляет 0,3 – 0,4, еще меньше он в интер- активных системах передачи данных, весьма разнообразна видеоинформация и т. д. Поэтому применение синхронного режима переноса (STM), при котором выделяется постоянная полоса пропускания, соответствующая наивысшей мгновенной скорости передачи информации, оказывается весьма неэффек- тивным. В то же время асинхронный режим переноса, основанный на статистических (пакетных) методах, позволяет гибко распределять полосу пропускания, обеспечивая совместную работу разнообразных служб в условиях изменения параметров служб и нагрузки.

В соответствии с определениями рекомендаций I.113 и I.121 термин АТМ обозначает специфический пакетно-ориентированный режим переноса информации, использующий метод асинхронного временного разделения, при котором поток информации организуется в блоки фиксированной длины, называемые ячейками. Для прояснения терминологии следует заметить, что согласно рекомендации G.803 различают термины "передача" (transmission), обозначающий физический процесс распространения сигнала по каналу связи, и "перенос" (transfer) – процесс перемещения информации по сети. Ячейка (cell) имеет длину 53 байта, из которых 48 байтов – информация пользователя и 5 байт – заголовок. Основное назначение заголовка – идентификация ячеек, принадлежащих одному и тому же виртуальному каналу. АТМ является методом, ориентированным на установление соединений. До начала передачи информации между пользователями должен быть организован виртуальный канал. Сигнальная и пользовательская информация передаются по отдельным виртуальным каналам. Группа виртуальных каналов, проходящих на некоторых участках сети по одному и тому же направлению, может объединяться в виртуальный тракт. Поскольку АТМ предполагает использование высоко- скоростных и обладающих высокой помехозащищенностью цифровых систем передачи (как правило, на основе волоконно-оптических линий), повышение верности осуществляется только в оборудовании пользователей. Отказ от повышения верности в узлах коммутации значительно упрощает алгоритм их функционирования и позволяет применять в них аппаратные средства, имеющие значительно более высокое быстродействие, чем программируемые микропроцессоры. Высокая пропускная способность трактов передачи, быстродействие коммутационных устройств и короткая длина ячеек обеспечивают, как правило, быструю доставку ячеек по сети. Контроль за их доставкой осуществляется в оконечном оборудовании пользователей. По своей сути метод АТМ представляет собой разновидность метода коммутации пакетов – так называемую быструю коммутацию пакетов – наиболее близкую по своим пользовательским характеристикам методу коммутации каналов.

Сеть АТМ способна не только быть основой для организации самых разнообразных служб в рамках B-ISDN, предназначенных для передачи данных, изображений и т.д. Она также может служить транспортной средой для телефонной сети, узкополосной ISDN, связи городских сетей передачи данных (MAN) и др. (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 – Логическая схема возможного использования сети АТМ

Использования технологии АТМ позволяет строить гибкие сети, эффективно использующие пропускную способность трактов передачи за счет их статистического мультиплексирования. Универсальность АТМ состоит еще и в том, что это первая технология, которая может использоваться в сетях любого масштаба: локальных (LAN), городских (MAN) и территориальных (WAN).

Упрощенная архитектура сети АТМ представлена на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4 – Структура сети АТМ

Она состоит из связанных между собой АТМ коммутаторов. Находящееся за пределами сети оборудование пользователя взаимодействует с коммутаторами через интерфейс пользователь – сеть (UNI). Для взаимодей- ствия коммутаторов между собой служит интерфейс сетевого узла (NNI). МСЭ-Т стандартизировал в рекомендации I.432 два типа интерфейса UNI: на скоростях 155 и 622 Мбит/с (это скорости 1-го и 4-го уровней SDH). Подготовлены стандарты по использованию технологии АТМ на первичной скорости европейской иерархии 2 Мбит/с.

Стек протоколов ATM (рисунок 6.5) включает уровень адаптации ATM и физический уровень.

Рисунок 6.5 – Стек протоколов АТМ

Уровень адаптации АТМ (AAL) осуществляет преобразование пользовательской информации в информационные поля ячеек и наоборот. Именно наличие AAL придают АТМ присущую ей способность переносить разнообразную пользовательскую информацию в стандартных ячейках. Следует подчеркнуть, что процедуры ААL реализуются вне пределов сети АТМ в оконечном оборудовании пользователя. Уровень адаптации может использовать для своих нужд до 4 байт в пределах 48-байтного информационного поля ячейки, оставляя, таким образом, непосредственно для полезной информации пользователей 44 байта. AAL делится, в свою очередь, на два подуровня: подуровень конвергенции (CS) и подуровень разборки и сборки (сегментации и реассемблирования) (SAR).

Верхний из них – CS – получает информацию от пользователя и разбивает ее на протокольные единицы данных этого подуровня, длина которых определяется конкретным типом уровня адаптации. Далее к ним добавляются заголовок и окончание, содержащие служебную информацию о виде передаваемого трафика и размере протокольной единицы, а также позволяющие осуществлять контроль и исправление ошибок на приеме. При необходимости этот подуровень обеспечивает также синхронизацию. Подуровень разборки и сборки принимает полученные протокольные единицы CS и разбивает их на фрагменты, длина которых от 44 до 48 байтов. К ним могут добавляться заголовок (1 – 2 байта), идентифицирующий тип данного фрагмента, и окончание (до 2 байт), содержащее контрольную сумму. В результате получается 48-байтная последовательность, образующая информационное поле ячейки АТМ. Описанный выше алгоритм варьируется в зависимости от типа уровня адаптации. На приеме все процедуры выполняются в обратной последовательности. Уровень АТМ добавляет к полученным от подуровня SAR 48-байтным последовательностям 5-байтовые заголовки, формируя таким образом ячейки АТМ, передаваемые затем на физический уровень. К функциям уровня АТМ относятся также: управление входным потоком на интерфейсе пользователь-сеть; мультиплексирование ячеек, принадлежащим различным виртуальным каналам и трактам, в единый поток; преобразование идентификаторов виртуальных каналов в узлах коммутации. На приемной стороне уровень АТМ осуществляет демультиплексирование потока ячеек и удаление заголовков.

Физический уровень также состоит из двух подуровней: подуровень конвергенции передачи (TC) и подуровень, зависящий от физической среды (PMD). Подуровень ТС осуществляет согласование потока ячеек с используемой системой передачи (например, упаковывает ячейки АТМ в контейнеры SDH). Подуровень PMD ответственен за передачу и прием битов, передаваемых в конкретной физической среде (оптическое волокно, коаксиальный кабель).

Основная литература: 2

Дополнительная литература: 7

Контрольные вопросы:

1. Какую технику для передачи данных использует технология FR?

2. Какие два режима работы в сетях FR имеет протокол канального уровня LAP-F?

3. В чем заключается универсальность АТМ?

4.Какие уровни включает стек протоколов ATM?

5. Объясните структуру сети АТМ.