Frame Relay

Wprowadzenie do technologii Frame Relay

W początkowym okresie łączenia biur korporacyjnych w różnych miastach często stosowano X.25, niezawodny, lecz złożony protokół. X.25 projektowano dla zaszumionych, podatnych na błędy analogowych linii telefonicznych. Wykorzystywał rozbudowane sprawdzanie błędów i kontrolę przepływu na każdym przeskoku między węzłami. Zapewniało to odporność na błędy łączy, lecz zwiększało narzut w nowszych sieciach cyfrowych. Frame Relay zakładał mniejszą częstość błędów w łączach cyfrowych, dlatego ograniczał funkcje wykonywane w przełącznikach i pozostawiał odzyskiwanie urządzeniom końcowym.

Frame Relay opracowano jako odpowiedź na ten problem. Jest to uproszczona technologia komutacji pakietów, zaprojektowana dla wysokiej jakości łączy cyfrowych. Ogranicza funkcje wykonywane w węzłach sieci, pozostawiając wykrywanie błędów i ewentualne odzyskiwanie urządzeniom końcowym, takim jak routery. Skupia się na szybkim przekazywaniu ramek przez sieć. Dlatego w latach 90. i 2000. była stosowana do budowy sieci rozległych (WAN), szczególnie tam, gdzie jakość łączy ograniczała potrzebę rozbudowanej korekcji w każdym węźle. Standard Q.922 opisuje usługę przenoszenia danych w trybie ramkowym i pola używane przez tę usługę.

Obwody wirtualne

W przeciwieństwie do datagramowej komutacji pakietów, w której kolejne pakiety mogą zostać skierowane różnymi trasami, Frame Relay jest technologią zorientowaną połączeniowo. Dla usługi ustanawia się logiczne powiązania w węzłach dostawcy przed przesłaniem danych użytkownika. Nie oznacza to zarezerwowania jednego fizycznego przewodu dla klienta. Taka logiczna ścieżka jest nazywana obwodem wirtualnym (VC).

Przykładowo przełącznik może odebrać ramkę z DLCI 100 na jednym interfejsie, odszukać lokalne powiązanie i wysłać ją z DLCI 200 na innym interfejsie. Kolejny przełącznik może użyć następnej wartości. Ramki należące do tego samego VC są przekazywane według takich wpisów, mimo że identyfikator zmienia się między odcinkami.

Identyfikacja obwodów wirtualnych: DLCI

Każdy obwód wirtualny jest identyfikowany przez Identyfikator połączenia łącza danych (DLCI). W podstawowym formacie Q.922 DLCI zajmuje 10 bitów i jest zapisany w nagłówku ramki. Zakresy mają różne zastosowania: wartości 16-511 są przeznaczone jako opcja dla danych użytkownika, 512-991 służą do identyfikacji logicznego łącza i informacji użytkownika, a 992-1007 dotyczą zarządzania warstwą łącza. Zatem zakres 16-1007 nie oznacza jednolicie danych użytkownika. DLCI ma znaczenie lokalne. Na danym interfejsie wartość wskazuje przełącznikowi port wyjściowy i może zostać zmieniona przed dalszym przesłaniem ramki.

PVC i SVC

Frame Relay obsługuje dwa typy obwodów wirtualnych. Ich konfigurację i status mogą przekazywać procedury sygnalizacyjne warstwy łącza:

Budowa ramki Frame Relay

Uproszczona struktura ramki ogranicza narzut przetwarzania w przełącznikach. Format Frame Relay jest związany z ramkami HDLC i zawiera flagę, nagłówek, dane oraz sekwencję kontrolną. Podstawowy nagłówek ma 2 bajty, a rozszerzenia adresu mogą zwiększyć jego długość.

• Znacznik (flaga) (1 bajt): Oznacza początek i koniec ramki sekwencją bitową 01111110.
• Nagłówek (2-4 bajty): Zawiera pola identyfikujące obwód i sygnalizujące przeciążenie:
  • DLCI (10 bitów): Identyfikator obwodu wirtualnego, jak wyjaśniono powyżej.
  • FECN (Forward Explicit Congestion Notification, 1 bit): Przełącznik może ustawić bit w ramce przesyłanej w tym samym kierunku co przeciążony ruch, aby poinformować odbiorcę o warunkach na trasie.
  • BECN (Backward Explicit Congestion Notification, 1 bit): Przełącznik może ustawić bit w ramce przesyłanej w przeciwnym kierunku, aby przekazać informację do nadawcy.
  • DE (Discard Eligibility, 1 bit): Bit oznaczający ramkę jako kwalifikującą się do odrzucenia. Przy przeciążeniu taka ramka może zostać odrzucona, lecz DE nie ustanawia bezwzględnej kolejności odrzucania.
• Dane/Ładunek (zmienna długość): To pole przenosi rzeczywiste dane użytkownika, zazwyczaj pakiet IP z Warstwy Sieci.
• Sekwencja kontrolna ramki (FCS) (2 bajty): 16-bitowa wartość CRC służy do wykrywania błędów w ramce. Gdy obliczony FCS różni się od odebranego, odbiorca odrzuca uszkodzoną ramkę. Frame Relay wykonuje wykrywanie błędów, lecz retransmisja i odzyskiwanie po błędach pozostają zadaniem protokołów wyższych warstw.

Parametry usługi: CIR i transmisja nadmiarowa

Usługa Frame Relay określa parametry ruchu dla obwodu wirtualnego. Najważniejsze z nich to CIR oraz limity danych przesyłanych ponad wartość uzgodnioną w okresie pomiarowym. W oznaczeniach kontraktu Bc opisuje uzgodnioną ilość danych, Be nadmiar, a Tc okres pomiarowy.

• Uzgodniona przepływność informacyjna (CIR):

  CIR określa uzgodnioną szybkość transmisji, a Bc ilość danych objętych zobowiązaniem sieci w okresie pomiarowym. Dla parametrów Bc i CIR często zapisuje się zależność Tc = Bc/CIR. Nie oznacza to dedykowanego pasma dostępnego w każdej chwili ani gwarancji dla każdej pojedynczej ramki.

• Nadmiarowa transmisja (EBS lub Be):

  Multipleksacja statystyczna pozwala wykorzystać chwilowo niewykorzystaną pojemność do transmisji ponad Bc. Parametr Be określa limit takiej nadmiarowej ilości danych w okresie Tc, a ich dostarczenie zależy od dostępnej pojemności sieci. W standardowym modelu Tc wynika z Bc i CIR, lecz nie oznacza cyklicznego okna czasu.

• Bit kwalifikacji do odrzucenia (DE):

  Ramki przekraczające uzgodniony profil mogą zostać oznaczone bitem DE przez urządzenie brzegowe. Przekazują wtedy przełącznikom informację o mniejszej ochronie takiego ruchu. Przy przeciążeniu sieć może odrzucić te ramki, aby zwolnić zasoby dla pozostałego ruchu.

Sygnalizacja przeciążenia: bity FECN i BECN

Frame Relay korzysta ze współdzielonych zasobów, dlatego jednoczesny wzrost ruchu może zapełnić bufory przełączników. Bity FECN i BECN w nagłówku przekazują informację o przeciążeniu w dwóch kierunkach.

• Jawne powiadomienie o przeciążeniu w przód (FECN):

  Przełącznik może ustawić bit FECN w ramkach przemieszczających się w tym samym kierunku co przeciążony ruch. Odbiorca otrzymuje wtedy informację o warunkach na ścieżce. Może wykorzystać ją do uruchomienia mechanizmu ograniczającego transmisję w wyższej warstwie.

• Jawne powiadomienie o przeciążeniu wstecz (BECN):

  Przełącznik może ustawić bit BECN w ramkach przemieszczających się w przeciwnym kierunku, aby poinformować urządzenie źródłowe o przeciążeniu. Router może na tej podstawie zmniejszyć szybkość wysyłania. Bit opisuje warunki sieci, lecz nie dowodzi, że konkretny nadawca wywołał przeciążenie.

FECN i BECN tworzą prosty kanał informacji zwrotnej o przeciążeniu. Sieć i urządzenia końcowe mogą reagować na zmienne warunki ruchowe, bez mechanizmów korekcji wykonywanych na każdym przeskoku.

Lokalny interfejs zarządzania (LMI)

Router użytkownika, czyli DTE, oraz przełącznik dostawcy, czyli DCE (Data Communications Equipment), wymieniają komunikaty do zarządzania stanem połączenia. Służy do tego Local Management Interface (LMI).

LMI jest mechanizmem podtrzymywania sesji i raportowania stanu. W przykładowej konfiguracji router regularnie, na przykład co 10 sekund, wysyła do przełącznika zapytanie o status. Interwał zależy od wariantu i konfiguracji. Odpowiedź może zawierać:

• Lista wszystkich PVC skonfigurowanych na tym fizycznym łączu.
• Status każdego PVC (np. Aktywny, Nieaktywny, Usunięty).

Na podstawie raportowanych statusów router wykrywa, które VC są dostępne, i może zareagować na zmianę stanu aktywnego obwodu. W praktyce spotykano wariant Cisco, wariant ANSI oraz wariant ITU-T związany z Q.933. Szczegóły komunikatów i zakres statusu zależą od użytej wersji sygnalizacji.