6. Общая характеристика сетей Frame Relay. Элементы сети. Архитектура протоколов. Адресация. Реакция на перегрузки и ошибки. Особенности доступа к сети.
Frame Relay – это технология построения сети передачи данных с ретрансляцией кадров, являющейся разновидностью быстрой коммутацией пакетов. Технология была создана для замены технологии X.25 путем ее упрощения с целью повышения эффективности передачи данных по высокоскоростным и надежным цифровым каналам. Стандарты FR описывают интерфейс доступа к сетям с быстрой коммутацией пакетов и включают процедуры (протоколы) двух нижних уровней ЭМВОС – физического и звена данных (не полностью, но с дополнительными функциями сетевого уровня). Как и X.25, технология обеспечивает образование и поддержку множества независимых виртуальных каналов в одном звене, но не имеет средств коррекции и восстановления кадров при возникновении ошибок. Вместо средств управления потоком в протоколе FR реализованы функции извещения о перегрузках в сети. Могут использоваться также более длинные кадры, чем в протоколе Х.25/2.
FR позволяет эффективно передавать крайне неравномерно распределенный во времени трафик. Отличается малым временем задержки, высокими скоростями (до 2 Мбит/с), эффективным использованием пропускной способности каналов передачи. В отличие от сетей Х.25 позволяет не только передавать собственно данные, но обеспечивать интерактивный обмен оцифрованными речевыми сообщениями. Недостаток – требует каналов высокого качества (с вероятностью ошибки 10-7 и лучше).
Типовая структура и состав сети Frame Relay показаны на рис.2.11. Данный рисунок составлен так, чтобы показать сходство (преемственность) и отличия сетей FR по отношению к сетям Х.25 (см. рис.2.7). Основными элементами сети FR являются оконечные устройства (терминалы), устройства доступа FRAD (Frame Relay Access Device или по аналогии с PAD – Frame Relay Assembler / Disassembler) и узлы коммутации, а также связывающие их между собой каналы физической среды передачи. Узлы коммутации, которые обозначены на рис.2.11 как ЦКП, правильней было бы назвать «центрами коммутации кадров», поскольку пакеты как ПБД сетевого уровня в сетях FR не используются. Однако, чтобы не вводить аббревиатуру ЦКК, традиционно используемую для обозначения центров коммутации каналов, а не кадров, будем использовать сокращение ЦКП, отражающее принадлежность к «пакетным» сетям, в которых «пакетами» часто называют любые коммутируемые блоки данных (а не только ПБД сетевого уровня).
Так же как в сетях Х.25, в роли оконечных устройств сетей FR могут выступать (а в основном только они и выступают) компьютеры и локальные сети, подключаемые к сети FR через адаптер FR, коммутатор или маршрутизатор, поддерживающий на своих интерфейсах протоколы FR. Неинтеллектуальные старт-стопные терминалы в сетях FR практически не используются.
Сети FR, появившиеся намного позже сетей Х.25, почти сразу же были сориентированы на возможное объединение с другими сетями, как путем инкапсуляции пакетов других (внешних) сетей (например, TCP/IP, Х.25, LAN и др.) в кадры FR, так и путем инкапсуляции кадров FR в ПБД других (внутренних) сетей (например, АТМ и др.). Возможность передачи речи в сетях FR побудила развитие технологий VoFR (Voice ower Frame Relay – голос поверх Frame Relay) и создание шлюзов с ТФОП.
До уровня широко используемых глобальных сетей, подобных Х.25 или TCP/IP, сети FR пока не поднялись, но они очень популярны в корпоративных (ведомственных) сетях (в том числе военного назначения), в частности, для объединения локальных сетей, а также в сетях доступа отдельных компьютеров и локальных сетей к глобальным сетям (ATM, TCP/IP, ISDN).
На рис.2.11 также приведены обозначения основных протоколов FR, определяющих процедуры взаимодействия различных элементов сети.
Рис.2.11. Типовая структура и состав сети Frame Relay
Рис.2.12. Архитектура сети Frame Relay.
Стандарты FR, прежде всего, определяют упрощенные процедуры обмена на уровне звена данных, но с дополнительными функциями сетевого уровня, что символически показано на рис.2.12 в виде диагонали, разделяющей изображение сетевого уровня и уровня звена данных на две неравные части, из которых используется только одна (на уровне звена – большая, а на сетевом – уровне меньшая).
В сетях FR на уровне звена данных используется процедура управления звеном LAPF (Link Access Protocol, Frame Relay), являющейся, с одной стороны упрощенным, а с другой стороны, дополненным вариантом процедуры HDLC (High-level Data Link Control), описанной в пункте 2.1.1 при рассмотрении протоколов подуровня LLC в локальных сетях, а также в пункте 2.2.1 при рассмотрении протокола LAPB в сетях Х.25. Поэтому ниже остановимся лишь на отличиях реализации LAPF от вариантов HDLC, описанных в пунктах 2.1.1. и 2.2.1.
Протокол LAPF (стандарт Q.922 ITU-T) имеет два режима работы – основной (core) и управляющий (control). В основном режиме, который фактически практикуется в сегодняшних сетях FR, кадры передаются без преобразования и контроля, как и в коммутаторах локальных сетей. За счет этого сети FR обладают весьма высокой производительностью, так как кадры в коммутаторах не подвергаются преобразованию, а сеть не передает квитанции подтверждения между коммутаторами на каждый пользовательский кадр, как это происходит в сети Х.25.
Протокол LAPF control является необязательной надстройкой над LAPF core, которая выполняет функции контроля доставки кадров и управления потоком. С помощью протокола LAPF control сетью реализуется служба Frame Switching.
Для установки коммутируемых виртуальных каналов FR в сетях ISDN используется канал D пользовательского интерфейса (см. пункт 2.2.4). На нем работает протокол LAPD, который используется для надежной передачи кадров в сетях ISDN. Поверх этого протокола работает протокол Q.931 или протокол Q.933 (который является упрощением и модификацией протокола Q.931 ISDN), устанавливающий виртуальное соединение на основе адресов конечных абонентов (в стандарте Е.164 или ISO 7498), а также номера виртуального соединения, который в технологии Frame Relay носит название DLCI (Data Link Connection Identifier) .
В автономных сетях FR, не связанных с ISDN, для установления соединения SVC может использоваться виртуальный служебный канал с DLCI = 0.
После того как коммутируемый виртуальный канал в сети FR установлен, кадры могут транслироваться по протоколу LAPF, который коммутирует их с помощью маршрутно-адресных таблиц коммутации портов, в которых используются локальные значения DLCI.
Получив предупреждение о перегрузке, соседние узлы коммутации могут снизить скорость передачи или изменить маршрут следования кадров. Не дожидаясь реакции на перегрузку со стороны соседних узлов, для разрешения проблем, связанных с перегрузкой сети FR, ее узлы могут отказываться от приема каких-либо кадров вообще или только той части кадров, в заголовке которых бит DE = «1».
Особенностью технологии FR является отказ от коррекции обнаруженных в кадрах искажений. Протокол FR подразумевает, что конечные узлы будут обнаруживать и корректировать ошибки за счет работы протоколов транспортного или более высоких уровней. В этом отношении технология Frame Relay близка к технологиям локальных сетей, таким как Ethernet, Token Ring и FDDI, которые тоже только отбрасывают искаженные кадры, но сами не занимаются их повторной передачей (в отличие от сетей Х.25, в которых предусмотрена возможность переспроса и повторной передачи кадров между соседними узлами коммутации).
Важной отличительной особенностью технологии FR является особое управление доступом в сеть и предоставление некоторых гарантий качества обслуживания.
Как уже отмечалось, доступ в сеть FR осуществляется через «порты» (интерфейсы) FR и FR-адаптеры или устройства доступа (сборщики/разборщики кадров) FRAD. Управление доступом к сети FR возлагается на интерфейс локального управления LMI (Local Management Interface), на базе которого реализуется интерфейс PVC UNI. Для передачи служебной информации LMI используется служебный виртуальный канал сигнализации с DLCI = 0.
Интерфейс локального управления был разработан, в первую очередь, с целью предоставления пользователю информации о состоянии и конфигурации PVC. LMI реализуется в аппаратно-программных средствах ООД пользователя и выполняет следующие функции:
уведомление абонента о включении, наличии и отключении PVC;
уведомление абонента о готовности PVC;
проверка целостности соединения.
Как и другие сети с коммутацией пакетов, сеть FR обеспечивает высокую эффективность использования пропускной способности физических каналов за счет использования метода статистического мультиплексирования кадров (пакетов), поступающих в сеть от различных пользователей (прикладных процессов). Особенностью реализации данного метода в сетях FR является соблюдение заранее оговариваемых соглашений о предоставлении сетью определенной средней статистической скорости передачи информации для каждого виртуального соединения в отдельности.
В целом для каждого виртуального соединения между пользователем и поставщиком услуг сети FR оговаривается несколько параметров, влияющих на качество обслуживания:
– максимальный размер поля «данные» в кадре FR;
– пропускная способность порта AR (Access Rate), посредством которого абонент подключается к сети FR;
– гарантированная средняя скорость передачи данных CIR (Committed Information Rate,), при которой обеспечивается требуемое качество доставки (очевидно, CIRAR);
– интервал измерений T;
– гарантированный объем передаваемой информации (за время Т) Bc (Committed Burst Size), для которого обеспечивается требования по качества доставки (Bc = CIR . T);
– дополнительный объем передаваемой информации (за время Т) Be (Excess Burst Size), для которого требования по качеству доставки могут не выполняться ( Be = (AR – CIR) . T ).
Соотношение между параметрами AR, CIR, Bс, Be и Т иллюстрирует рис. 2.14.
Рис.2.14. Реакция сети Frame Relay на изменение входящей нагрузки
Для контроля соглашения о параметрах качества обслуживания все коммутаторы сети FR выполняют так называемый алгоритм «дырявого ведра» (Leaky Bucket). Алгоритм использует счетчик поступивших от пользователя байт. Каждые Т секунд этот счетчик уменьшается на величину Вс (или же сбрасывается в 0, если значение счетчика меньше, чем Вс). Все кадры, которые не увеличили значение счетчика свыше порога Вс, пропускаются в сеть со значением признака DE=0. Кадры, которые привели к значению счетчика, большему Вс, но меньшему Вс+Ве, также передаются в сеть, но с признаком DE=1. И наконец, кадры, которые привели к значению счетчика, большему Вс+Ве, отбрасываются коммутатором.
Пользователь может договориться о включении не всех параметров качества обслуживания на данном виртуальном канале, а только некоторых. Например, можно использовать только параметры CIR и Вс. Этот вариант дает более качественное обслуживание, так как кадры никогда не отбрасываются коммутатором сразу. Коммутатор только помечает кадры, которые превышают порог Вс за время Т, признаком DE=1. Если сеть не сталкивается с перегрузками, то кадры такого канала всегда доходят до конечного узла, даже если пользователь постоянно нарушает договор с сетью. Популярен еще один вид заказа на качество обслуживания, при котором оговаривается только порог Be, а скорость CIR полагается равной нулю (это самая дешевая услуга в сетях FR). Все кадры такого канала сразу же отмечаются признаком DE=1, но отправляются в сеть, а при превышении порога Be они отбрасываются.
На основании описанных выше внутренних функциональных характеристик сети FR можно оценить ее основные внешние функциональные характеристики своевременности, достоверности и эффективности.