Wprowadzenie: Inteligentniejsza i Szybsza Technologia WAN

Wyobraźmy sobie wczesne dni łączenia biur korporacyjnych w różnych miastach. Główną dostępną technologią był X.25, niezawodny, ale notorycznie wolny i złożony protokół. X.25 został zaprojektowany w erze zaszumionych, podatnych na błędy analogowych linii telefonicznych. Działał na zasadzie „nie ufaj niczemu”, włączając w to rozbudowane mechanizmy sprawdzania błędów i kontroli przepływu na każdym pojedynczym przeskoku między węzłami sieci. To czyniło go bardzo solidnym, ale także niesamowicie nieefektywnym w nowocześniejszych, bardziej niezawodnych sieciach cyfrowych.

Frame Relay został opracowany jako odpowiedź na ten problem. Jest to uproszczona, wydajna technologia komutacji pakietów, zaprojektowana specjalnie dla nowoczesnych, wysokiej jakości łączy cyfrowych. Działa na zasadzie „zaufaj sieci”, przenosząc odpowiedzialność za korekcję błędów na urządzenia końcowe (jak routery) i skupiając się na jednym głównym zadaniu: jak najszybszym przełączaniu ramek. To uczyniło ją znacznie wydajniejszym i bardziej opłacalnym rozwiązaniem do budowy sieci rozległych (WAN) w latach 90. i 2000.

Główna Koncepcja: Obwody Wirtualne

W przeciwieństwie do publicznego internetu, gdzie każdy pakiet danych może podążać inną ścieżką do celu, Frame Relay jest technologią połączeniową. Oznacza to, że przed wysłaniem jakichkolwiek danych użytkownika ustanawiana jest stała ścieżka, którą dane będą podróżować przez sieć dostawcy. Ta z góry określona ścieżka nazywana jest Obwodem Wirtualnym (VC).

Pomyśl o tym w ten sposób: wysłanie pakietu w internecie jest jak wysłanie listu, który sam znajduje drogę. Frame Relay bardziej przypomina system kolejowy: zanim pociąg wyruszy, ustalana jest konkretna trasa z miasta A do miasta B. Wszystkie wagony tego pociągu będą podążać dokładnie tym samym torem.

Identyfikacja Obwodów Wirtualnych: DLCI

Każdy obwód wirtualny jest identyfikowany przez Identyfikator Połączenia Łącza Danych (DLCI). DLCI to 10-bitowy numer (od 16 do 991 dla danych użytkownika), zawarty w nagłówku każdej ramki Frame Relay. Ważne jest, aby zrozumieć, że DLCI jest identyfikatorem o znaczeniu lokalnym. Jest jak numer peronu dla pociągu: pociąg przyjeżdżający na peron 5 w Warszawie może być tym samym, który odjeżdża z peronu 2 w Krakowie. Numer peronu ma znaczenie tylko na tej konkretnej stacji. Podobnie, wartość DLCI informuje przełącznik Frame Relay, na który port wyjściowy wysłać ramkę, a wartość ta może zostać zmieniona przez przełącznik przed jej dalszym przesłaniem.

PVC kontra SVC

Frame Relay obsługuje dwa typy obwodów wirtualnych:

Anatomia Ramki Frame Relay

Piękno Frame Relay leży w jego uproszczonej strukturze ramki, która minimalizuje narzut przetwarzania na każdym przełączniku. Jest to okrojona wersja ramki HDLC.

• Znacznik (Flaga) (1 bajt): Oznacza początek i koniec ramki unikalną sekwencją bitową 01111110.
• Nagłówek (2-4 bajty): Centrum sterowania ramką. Zawiera:
  • DLCI (10 bitów): Identyfikator obwodu wirtualnego, jak wyjaśniono powyżej.
  • FECN (Forward Explicit Congestion Notification - 1 bit): Bit ustawiany przez przełącznik w celu poinformowania urządzenia docelowego, że na ścieżce występuje przeciążenie.
  • BECN (Backward Explicit Congestion Notification - 1 bit): Bit ustawiany przez przełącznik w celu poinformowania urządzenia źródłowego, że występuje przeciążenie na ścieżce.
  • DE (Discard Eligibility - 1 bit): Bit oznaczający ramkę jako „niskopriorytetową”. W przypadku przeciążenia sieci, ramki z ustawionym bitem DE będą odrzucane w pierwszej kolejności.
• 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 służąca do wykrywania błędów. Jeśli odbiorca obliczy inny FCS, wie, że ramka została uszkodzona i ją odrzuca. Co kluczowe, Frame Relay tylko wykrywa błędy; nie wykonuje retransmisji. Odzyskiwanie po błędach jest pozostawione protokołom wyższych warstw.

Umowa o Usługę: CIR i Chwilowe Przekraczanie Przepustowości

Kupując usługę Frame Relay, klient podpisuje z dostawcą umowę, która definiuje charakterystykę wydajnościową jego obwodów wirtualnych. Kluczowymi parametrami są CIR i możliwość chwilowego przekraczania przepustowości.

• Gwarantowana Przepustowość Informacyjna (CIR):

  Jest to gwarantowana minimalna przepustowość, którą dostawca przydziela obwodowi wirtualnemu. Klient może w każdej chwili przesyłać dane z szybkością do tej wartości. Pomyśl o tym jak o swoim własnym, dedykowanym pasie na autostradzie – zawsze jest dla ciebie dostępny.

• Dodatkowa Przepustowość Chwilowa (EBS lub Be):

  Zaletą Frame Relay jest multipleksacja statystyczna. Dostawca wie, że nie wszyscy klienci będą wykorzystywać swój pełny CIR przez cały czas. Pozostawia to wolną przepustowość w sieci. EBS pozwala klientowi na „wystrzelenie” powyżej gwarantowanego CIR i tymczasowe wykorzystanie tej wolnej przepustowości, o ile jest ona dostępna. To tak, jakby można było korzystać z pobocza autostrady przy niewielkim ruchu.

• Bit Uprawnienia do Odrzucenia (DE):

  Co się dzieje, gdy przekraczasz swój CIR? Router na brzegu sieci ustawia bit DE na '1' w tych nadmiarowych ramkach. Informuje to przełączniki sieciowe: "Ta ramka jest częścią transmisji chwilowej i nie jest gwarantowana. Jeśli napotkasz przeciążenie, możesz odrzucić tę ramkę w pierwszej kolejności, aby zmniejszyć obciążenie." Ten mechanizm chroni gwarantowany ruch CIR wszystkich klientów.

Zarządzanie Przeciążeniem: Bity FECN i BECN

Ponieważ Frame Relay to sieć współdzielona, może dojść do przeciążenia, jeśli zbyt wielu użytkowników spróbuje wysłać dane jednocześnie. Frame Relay ma prosty, ale skuteczny mechanizm do zarządzania tym za pomocą bitów FECN i BECN w nagłówku ramki.

• Jawne Powiadomienie o Przeciążeniu w Przód (FECN):

  Gdy przełącznik Frame Relay w sieci dostawcy zaczyna odczuwać przeciążenie (jego bufory się zapełniają), ustawia bit FECN na '1' we wszystkich ramkach przechodzących przez niego w kierunku przeciążenia. To jak znak drogowy na autostradzie ostrzegający kierowców: "Korek przed tobą!". Gdy urządzenie docelowe otrzymuje ramki z ustawionym bitem FECN, wie, że na ścieżce jest problem. Ta informacja może być przekazana do protokołów wyższych warstw, aby spowolniły one swoją szybkość transmisji.

• Jawne Powiadomienie o Przeciążeniu Wstecz (BECN):

  Ten sam przeciążony przełącznik ustawia również bit BECN na '1' we wszystkich ramkach podróżujących w przeciwnym kierunku, z powrotem do urządzeń źródłowych, które powodują przeciążenie. Jest to bardziej bezpośredni sposób komunikowania problemu. Gdy router źródłowy otrzymuje ramki z ustawionym bitem BECN, otrzymuje jasny sygnał: "Zwolnij! Powodujesz przeciążenie!". W odpowiedzi, dobrze skonfigurowany router powinien zmniejszyć swoją szybkość wysyłania, aby pomóc rozwiązać problem.

Razem, FECN i BECN tworzą pętlę sprzężenia zwrotnego, która pozwala sieci i urządzeniom końcowym dynamicznie reagować na zmieniające się warunki ruchowe bez dużego narzutu starszych protokołów.

Zarządzanie Lokalne (LMI)

Ostatnim elementem układanki jest sposób, w jaki router użytkownika (DTE) i przełącznik Frame Relay dostawcy (DCE) komunikują się ze sobą w celu zarządzania połączeniem. Odpowiada za to protokół Local Management Interface (LMI).

LMI to mechanizm typu „keepalive” i raportowania statusu. Regularnie (np. co 10 sekund) router wysyła zapytanie o status LMI do przełącznika. Przełącznik odpowiada, podając kluczowe informacje, takie jak:

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

Dzięki temu router może automatycznie wykryć, które obwody wirtualne są dostępne do użytku i być powiadamiany, jeśli wcześniej aktywny obwód przestanie działać. Istnieją trzy główne warianty LMI: Cisco (oryginalna, zastrzeżona wersja), ANSI i ITU-T (Q.933a).