Frame Relay
ITpedia
Technologia Frame Relay (FR), do chwili zdominowania sieci przez ATM, miała stać się dosyć powszechnym standardem sieciowym zwłaszcza w regionach, gdzie nie dotarła wcześniej technologia X.25. Zdołała jednak zmienić swój status i z technologii przejściowej szybko stała się technologią ogólnie uznaną, tworząc rynek wartości wielu miliardów dolarów. Sieć FR jest znacznie szybsza od X.25 i tańsza niż ATM. Wnosi niewielkie opóźnienia i zapewnia sprawiedliwy dostęp do pasma wszystkim użytkownikom. Na taką właśnie technologię czekali administratorzy sieciowi średnich i wielkich przedsiębiorstw. Protokół Frame Relay funkcjonuje w dwu pierwszych warstwach modelu ISO/OSI.
Technologia Frame Relay jest znana od 1984 r., ale dopiero w 1991 utorowała sobie szerszą ścieżkę do sieci w USA. Szybką technologią programowego przełączania ramek - Fast Packet Switching - stała się w 1993 r. po włączeniu do jej protokołu procedur przełączania obwodów wirtualnych.
Zastosowania
Sieć Frame Relay zapewnia komunikację połączeniową o przepływności do 45 kb/s. Funkcjonuje na łączach cyfrowych dobrej jakości, odznaczających się niską stopą błędów. Lista zastosowań FR jest coraz szersza i obejmuje:
- łączenie sieci LAN,
- dostęp do ATM,
- transmisje danych i głosu,
- wideokonferencje i telekonferencje,
- transport plików przez WAN między stacjami wysokiej rozdzielczości a bazą danych,
- komunikację interaktywną między terminalami a zasobami dużych komputerów, ale w ograniczonym zakresie przepływności.
Podstawowe własności
Frame Relay - podobnie jak X.25 - jest protokołem transportowym w trybie pakietowym, ale wykorzystuje prostszy mechanizm korekcji błędów. Sieć wykrywa błędy nagłówka, formatu i cyklicznego kodu nadmiarowego FCS (Frame Check Sequence). Ramki z błędem są kasowane, a ich skompletowanie przeprowadzają stacje końcowe, odwołując się do procedur powtarzania części sesji, gdyż ramki nie są numerowane. Ponadto sieć modyfikuje nagłówki ramek i FCS. Pakiety przełącza się programowo.
Sieć Frame Relay WAN składa się z przełączników połączonych kanałami fizycznymi, w których są multipleksowane obwody wirtualne rozpoznawane po niepowtarzalnych numerach DLCI, i z urządzeń dostępowych. Normy FR określają też dwa poziomy protokołów: jeden dla transferu danych między urządzeniami dostępowymi, drugi dla sygnalizacji (sprawdzanie integralności interfejsu z siecią, przekazywanie informacji o stanie obwodów wirtualnych itp.).
Obwody wirtualne Frame Relay
Sieć Frame Relay WAN zapewnia dwukierunkową komunikację połączeniową każdej parze urządzeń dostępowych DTE. Ścieżka łącząca dwa takie urządzenia może przebiegać przez kilka węzłów DCE połączonych ze sobą kanałami fizycznymi. W efekcie przez jedno międzywęzłowe połączenie fizyczne może przebiegać wiele wspomnianych ścieżek, nazywanych obwodami logicznymi lub wirtualnymi. Każdy taki obwód jest oznaczany przez operatora numerem DLCI, spełniającym funkcje lokalnego adresu pakietu, ale tylko w obrębie FR WAN. Pasmo transmisyjne kanału fizycznego może być dzielone dynamicznie między stowarzyszone z nim obwody wirtualne. Oznacza to, że użytkownik uzyskuje dostęp do pasma dopiero w chwili nawiązywania transmisji, a po jej zakończeniu całe to pasmo przypadnie innemu obwodowi wirtualnemu.
Ścieżki między dwoma DTE można zestawiać na dłuższe okresy lub tylko sporadycznie, na życzenie. Z tych względów obwody wirtualne FR zostały podzielone na dwie grupy: stałe połączenia wirtualne PVC (Permanent Virtual Circuits) i przełączane - SVC (Switched Virtual Circuits).
Stałe obwody wirtualne PVC odpowiadają liniom dzierżawionym, a więc są zestawiane na okres miesięcy czy lat. Komunikat sieci FR o stanie obwodu PVC może zawierać jedną z dwu następujących informacji:
- Data Transfer - trwa wymiana danych między DTE przez obwód PVC;
- Idle - połączenie ustalone, ale nieaktywne. Przedłużający się stan braku aktywności obwodu PVC nie wpływa na żadne decyzje.
Urządzenie DTE nie nawiązuje połączenia PVC, wysyła swoje dane bez uruchamiania procedur sygnalizacyjnych. Ten typ połączeń dominuje na razie w prawie wszystkich sieciach Frame Relay WAN.
Przełączane obwody wirtualne SVC są zestawiane i rozłączane na życzenie użytkownika, podobnie jak w telefonii. Niektóre parametry takiego łącza negocjuje się w czasie nawiązywania sesji. Komunikat o stanie połączenia SVC może zawierać jedną z czterech informacji:
- Call Setup - połączenie wirtualne między dwoma DT FR zostało ustalone;
- Data Transfer - trwa wymiana danych między DTE przez obwód wirtualny SVC;
- Idle - połączenie ustalone, ale nieaktywne. Przedłużanie takiego stanu ponad zdefiniowany okres może spowodować rozłączenie SVC;
- Call Termination - połączenie między DTE zostało rozłączone.
Ustalanie połączenia SVC między nadawcą i siecią FR rozpoczyna się sygnalizacją przez kanał typu D, zgodnie z zaleceniem Q.933 dla ISDN.
Identyfikatory połączeń - DLCI (Data-Link Connection Identifier)
Obwody logiczne Frame Relay są rozpoznawane po specjalnych numerach DLCI, nazywanych identyfikatorami połączeń. Numery te przypisuje obwodom serwis operatora lub administrator sieci FR i z tej racji mają one jedynie charakter lokalny. Każdemu urządzeniu DTE można przyporządkować do 99 takich lokalnych adresów, modyfikowanych w każdym tranzytowym węźle FR.
Węzeł DCE FR - praktycznie prawie zawsze przełącznik - analizuje numer DLCI i na podstawie tablicy trasowania określa odpowiednie łącze logiczne. Przed skierowaniem ramki do właściwego portu modyfikuje jej pole DLCI oraz FCS. Kolejne przełączniki na trasie ramki będą powielały te czynności, aż ramka dotrze do urządzenia DTE z obrzeża sieci, gdzie kończy się misja DLCI.
Negocjowane parametry transmisji - CIR i EIR
Abonent usługi FR negocjuje z operatorem sieci niektóre parametry transmisji. Negocjacje przeprowadza się w czasie nawiązywania każdego połączenia SVC lub tylko raz na okres odpowiadający subskrypcji łącza PVC. Każdemu połączeniu logicznemu przypisuje się wtedy odpowiednie wartości, charakteryzujące pośrednio jakość usługi.
Na razie najczęściej negocjuje się wskaźniki CIR (Committed Information Rate) oraz EIR (Excess Information Rate). CIR - wskaźnik przydziału pasma transmisyjnego - jest w istocie gwarantowaną przepływnością minimalną, a EIR - nie gwarantowaną przepływnością maksymalną, której nie wolno przekroczyć. Ruch w sieci FR jest nierównomierny i z tego powodu wskaźniki są uśredniane po założonym czasie Tc, na którym opiera się zarządzanie przepływnościami w każdym obwodzie wirtualnym.
CIR jest określany dla każdego obwodu wirtualnego oddzielnie. Suma wynegocjowanych wartości dla jednego wspólnego kanału transmisyjnego nie może przekraczać średniej szerokości pasma tego kanału. Jeśli stacja wykorzystuje tylko jeden obwód wirtualny - może rozpocząć transmisję z maksymalną szybkością.
Mechanizmy sterowania przeciążeniami
Protokół FR nie adaptuje swojego okna emisyjnego do warunków sieci, jak na przykład TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Reakcje na przeciążenia zależą od zaimplementowanych protokołów. Komunikaty o spiętrzeniu, jakie sporządza przeciążony węzeł DCE, docierają najpierw do urządzeń DTE, a stamtąd do protokołów warstwy wyższej, które potrafią wpływać na ograniczenie emisji ramek.
Frame Relay umożliwia implementowanie następujących mechanizmów sterowania przeciążeniami: FECN, BECN, CLLM (Consolidated Link Layer Management) i Simple flow control.
Kontrolą przeciążeń zajmują się po części urządzenia DCE i DTE. Przeciążone węzły DCE ostrzegają DTE najczęściej jawnie, za pomocą jednobitowych informacji umieszczanych w nagłówku ramki: odbiorcę bitem FECN, źródło bitem BECN. Urządzenie DTE musi odpowiedzieć na sygnał BECN zmniejszeniem szybkości transmisji, w przeciwnym razie DCE zacznie kasować ramki, którym nadawca nadał niższy priorytet (DE = 1), a nawet arbitralnie nadawać niższy priorytet wszystkim ramkom emitowanym z przepływnością przekraczającą CIR.
BECN/FECN jest najpowszechniejszym systemem informowania o przeciążeniach w sieciach Frame Relay, implementowanym we wszystkich urządzeniach dostępowych. Urządzenia IBM, Motoroli, Netlink czy RAD zostały przystosowane do systemu wiadomości CLLM (Consolidated Link Layer Management). Informacje o spiętrzeniu w jednym lub kilku połączeniach przenoszą wtedy ramki z C/R=1, kierowane do obwodu wirtualnego o numerze 1023. Niektóre uniwersalne FRADy mogą przejść do uproszczonego sterowania przepływem (Simple flow control) i transmitować asynchronicznie sygnały XOFF.
QoS i CoS Frame Relay
Normalizacja Frame Relay dociera stopniowo do klas usług. Frame Relay Forum i operatorzy zainteresowani usługami FR określili wspólnie trzy główne warunki, jakie powinien spełniać QoS (Quality of Service):
- Fair-Share Queuing: każda z dostarczanych usług musi mieć zapewniony sprawiedliwy dostęp do pasma;
- QoS-Aware Circuit Routing: trasy przebiegające przez sieć Frame Relay powinny być wyznaczane na podstawie inteligentnego, automatycznego algorytmu routingu;
- QoS-Aware Congestion Control: kasowanie pakietów powinno być oparte na mechanizmie inteligentnym, zdolnym zagwarantować CoS (Class-of-Service).
Nowe klasy usług będą obejmowały zaawansowane usługi Frame Relay dla Internetu, głosu, ruchu synchronicznego SNA, ruchu LAN oraz intranetu. Podstawowe parametry połączeń określane przez te klasy są następujące:
- Real Time Variable Frame Rate - ustalone pasmo, niewielkie opóźnienia, niewielkie odchylenia i niskie straty ramek, charakteryzujące transfer danych wrażliwych na opóźnienie i zdekompletowanie;
- Non-Real Time Variable Frame Rate - ustalone pasmo, umiarkowane opóźnienia i małe straty ramek, typowe dla ruchu LAN-LAN i usług dostępu Internet/intranet w biznesie;
- Available/Unspecified Frame Rate - zmienna przepływność i w miarę sprawiedliwy dostęp do pasma, odpowiadające transferowi plików, poczcie elektronicznej i rezydentnym usługom dostępu internetowego.
Zarządzanie jakością usług jest jednym z wielu wspólnych punktów technologii FR i ATM. Widać, że ta więź zacieśnia się coraz silniej.
Protokół LMI
Interfejs zarządzania - protokół LMI (Local Management Interface) - powstał w 1990 r. z inicjatywy producentów współtworzących Frame Relay Forum. Na przekór swojej nazwie ma on znaczenie bardziej globalne niż lokalne, przyczyniając się do poszerzenia funkcjonalności sieci Frame Relay i jej komunikacji międzysieciowej. LMI wnosi do protokołu FR: adresowanie globalne, obwód wirtualny LMI dla komunikatów i połączenia grupowe (multicasting).
Adresowanie globalne nadaje identyfikatorom DLCI status unikatowych adresów urządzeń DTE Frame Relay i cała sieć FR przeobraża się w typową sieć LAN do routerów czy FRADów z jej obrzeża. Indywidualne interfejsy i komunikujące się z nimi węzły mogą być rozpoznawane przez standardowe mechanizmy sieciowe i protokoły odwzorowujące adresy międzysieciowe na adresy fizyczne.
Obwód wirtualny LMI jest dedykowany sygnalizacji, dostarczającej informacji o statusie i konfiguracji łącz. Usługi protokołu LMI są dostępne na poziomie interfejsu abonenta. Między przełącznikiem a urządzeniem dostępowym tworzy się specyficzny układ wirtualny, wykorzystywany do cyklicznego przesyłania listy ważnych DLCI, komunikatów określających stan każdego obwodu czy stan sieci i in. Zapewnia też synchronizację między DTE a DCE.
Połączenia grupowe wpływają stabilizująco na szerokość pasma, ponieważ nie obciążają całej sieci: modyfikowanie tras routingu i odwzorowania adresów zawężają się do grupy routerów lub FRADów. Każdy z użytkowników w grupie otrzymuje również kopie komunikatów z raportami o stanie grupy i modyfikacjach. Obwody multicast są ustanawiane zwykle na dłuższe okresy wspólnej pracy. Do adresowania multicast zostały ustalone następujące DLCI: 1019-1022.
Implementacje Frame Relay
Technologia Frame Relay jest implementowana zarówno w publicznych sieciach operatorów telekomunikacyjnych, jak i prywatnych sieciach przedsiębiorstw.
W sieciach publicznych dominują jeszcze starsze multipleksery T1/E1, które w istocie przysłaniają zalety FR. Multipleksery przyjmują ruch z wielu łączy fizycznych i kierują go do Frame Relay WAN, skąd trafia do sieci danych albo do przełącznic PABX czy aplikacji wideokonferencyjnych lub telekonferencyjnych. Sieci te zaczynają się przeobrażać pod wpływem nowych urządzeń, jak FRADy, i szybkich multiplekserów cyfrowych. Przykładowo dedykowany sieciom FR multiplekser Synchrony ST 20 firmy Ascom Timeplex przetwarza dane z szybkością 34 Mb/s (E3), a Synchrony ST 1000 - 155 Mb/s.
Podstawowymi urządzeniami prywatnej sieci FR WAN są wyłącznie przełączniki, a urządzeniami dostępowymi FRADy lub routery, rzadziej szybkie multipleksery. Wszystkie bez wyjątku urządzenia DTE i DCE są własnością przedsiębiorstwa, firmy czy spółki, podczas gdy część urządzeń DTE sieci publicznej może być własnością abonentów. FRADy są urządzeniami autonomicznymi, wyposażonymi w jeden lub więcej portów szeregowych oraz przyłącze do sieci lokalnej, i mogą kapsułkować w ramki FR protokoły IP, IPX (Internetwork Packet eXchange), SNA (Systems Network Architecture), X.25, BSC (Binary Synchronous Communications) i in. Ponadto zarządzają kolejkami, priorytetami, segmentują pakiety (przesyłanie głosu i danych) itp.
Urządzenia dostępowe są prawie w pełni znormalizowane i potrafią połączyć się ze wszystkimi rodzajami sieci i to zarówno publicznymi, jak i prywatnymi, opartymi na sprzęcie pochodzącym od różnych producentów. Mniej korzystnie prezentuje się na tym tle normalizacja samego wnętrza sieci. Różne luki w tym obszarze normalizacji producenci zaczęli wypełniać własnymi standardami, pogłębiającymi niejednorodność sieci. Z tych względów testy kompatybilności są na razie nieodzowne.
Efektywne kontrolowanie intensywności ruchu w sieciach wymaga przechowywania i modyfikowania kilku ważnych parametrów, jak liczby wyeliminowanych ramek, liczby ramek sygnowanych wskaźnikami przeciążenia, czasów trwania spiętrzeń itp. Przełączniki, FRADy lub routery przechowują statystyki tych parametrów, ale są one zwykle zajęte swoimi głównymi funkcjami i w rzeczywistości nie mogą przeprowadzać dokładnych pomiarów. Z tych względów nadzorowanie dostępu powierza się specjalnym sondom. Pojawiają się one na rynku bądź to zintegrowane z FRADami, bądź w formie urządzeń zewnętrznych, przyłączanych do łącza użytkownika lub do portu przełącznika operatora.
Frame Relay oraz xDSL (Digital Subscriber Line) stają się rodzajami interfejsów do przełączanej sieci ATM i w takich implementacjach będzie je można zobaczyć przynajmniej przez trzy lata. W stronę ATM kieruje się teraz coraz więcej ruchu sieciowego. Aplikacją strategiczną dla obydwu technologii będzie sieć globalna - Internet - dla której ATM staje się potrzebą chwili.
Technologia Frame Relay coraz skuteczniej wspiera aplikacje telefoniczne. Pozostaje jeszcze do zweryfikowania jakość usług. Łączenie wrażliwych na opóźnienia ramek głosu z ramkami danych, objęte jednym sposobem naliczania opłat, jest coraz bliższe celu.
Głos w sieciach Frame Relay
Analitycy sieciowi odnotowali trzy ważne fakty:
- Po latach wprowadzania zaawansowanych technologii, badań i normalizacji głos pakietowy w sieci Frame Relay jest wystarczająco dobrej jakości.
- VoFR, transmitowany najpierw w sieciach prywatnych, trafił od niedawna do struktur transmisyjnych operatorów.
- Przesyłanie pakietowanego głosu razem z pakietami danych zaczyna przynosić oszczędności, zwłaszcza w komunikacji międzynarodowej.
Jedną z istotnych korzyści przesyłania głosu łączami Frame Relay jest możliwość zredukowania wolumenu ruchu głosowego między odległymi punktami przedsiębiorstwa. Strumień taki musiał przemierzać albo tradycyjną sieć publiczną, albo linie dedykowane.
Ażeby sieć i urządzenia dostępu mogły zapewnić odpowiednią jakość usług trzeba sprostać wielu trudnościom. Przede wszystkim kwantyzacja i kompresja głosu powinny zajmować jak najmniej czasu. Z tymi problemami radzą sobie najlepiej algorytmy typu MP-MLQ lub ACCELP. Opóźnienia lub błędy są nieuniknione, ale nie można zastosować procedur retransmisyjnych, jak w przekazywaniu danych. Najlepsze algorytmy kompresji głosu stosują kodowanie, które pozostawia do przekazania minimalną liczbę danych - taka transmisja jest statystycznie najmniej narażona na błędy. Informacje komplementarne, poprawiające jakość głosu, są umieszczone w ramkach cechowanych bitem DE=1. Jeśli w sieci dojdzie do spiętrzenia, ramki tak oznaczone będą kasowane. Efektem tego zjawiska może być zmieniony tembr głosu, ale transmisja pozostanie w pełni zrozumiała. Niektóre metody kodowania pozwalają rekonstytuować utracone ramki. Podstawą takiego procesu odtwarzania jest ekstrapolacja tych ramek, które przybyły w kilku poprzednich milisekundach.
Głos jest umieszczany w pakietach przez FRAD głosowy. Urządzenie to segmentuje ramki danych na wejściu sieci telekomunikacyjnej i uruchamia transport w trybie Frame Relay. Ramki składa inny FRAD na drugim końcu sieci i w ten sposób ogranicza się czas oczekiwania. Ale żeby głos można było umieścić w pakietach, musi on być najpierw skompresowany przez procesor sygnałowy DSP (Digital Signal Processor). Ponadto ramki głosowe trzeba wypełniać w miarę szybko, w przeciwnym razie pogorszy się wydajność systemu. Procesory sygnałowe FRAD-ów tworzą próbki o długości ok. 24 bajtów. Frame Relay dodaje do tej wartości użytkowej pakietu VoFR jeszcze 6 bajtów, z których 2 przypadną na znaczniki początku i końca, 2 dla nagłówka i 2 na FCS. W sumie wszystkie bajty organizacyjne zajmą aż 20 % takiego niewielkiego pakietu. Redukowanie liczby nagłówków i optymalizowanie transmisji uzyskuje się przez grupowanie czterech, pięciu lub większej liczby próbek w dłuższą ramkę.
| Normalizacja Frame Relay |
|
Dokumenty normalizacyjne Frame Relay pochodzą z czterech ważnych źródeł: ANSI (American National Standard Institute):
ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication):
FRF (Frame Relay Forum):
IETF (Internet Engineering Task Force): |
