Особенности сетей и технологий Frame Relay

2. Реализация технологии Frame Relay

2.1 Проблемы реализации

Сети и сервисы FR и по сей день используются и предоставляются местными и междугородними телекоммуникационными фирмами с поддержкой скоростей от 56 Кбит/с до 44,736 Мбит/с. Сеть FR привлекает потребителей тем, что стоимость услуг и сервиса в целом зависит зачастую только от конфигурации и требуемой скорости доступа, а не от расстояния. Хотя это не всегда так. Технологии FR предоставляет стандартный интерфейс в виде сетевого интерфейса пользователя (UNI) между разнообразным оборудованием внутри помещения и оборудованием сети FR. Этот стандарт предопределяет также интерфейс между двумя сетями FR (межсетевой интерфейс или NNI), которые могут принадлежать различным организациям. Управляющий идентификатор канала передачи данных (DLCI, называемый также логическим портом) идентифицирует виртуальное соединение FR, или, иначе, постоянный виртуальный канал. DLCI может идентифицировать оба конца виртуального соединения UNI или NNI посредством указания объектов передачи информации кому и от кого. При этом, маршрутизатор в помещении должен быть сконфигурирован таким образом, чтобы каждый IP-адрес порта соответствовал определенному DLCI.

Обычно соответствие между DLCI и портом назначения устанавливается заранее; таким образом, в этом случае мы имеем постоянный виртуальный канал, что упрощает процесс маршрутизации, поскольку маршрутизаторы должны только найти в своих таблицах маршрутов/соответствий нужный DLCI и направить трафик на порт в соответствии со значением идентификатора.
Некоторые телекоммуникационные компании предоставляют также коммутируемые виртуальные каналы (SVC), вы которых установка соединения осуществляется только по требованию. Однако сегодня это редкий случай. Поэтому PVC на сегодняшний день являются единственным вариантом. При этом получается, что в среде OSPF маршрутизатор не в состоянии выбрать альтернативный путь, если конечно админ не предусмотрел такую возможность и не определил этот путь. Зачастую суть проблемы, связанной с определением ячеистой среды PVC, а именно возможности использования всех достоинств OSPF, заключается в том, что такая среда значительно увеличивает общую стоимость сети.является двунаправленным, а это значит, что каждому направлению может быть выделена разная полоса пропускания; иначе говоря, линия для запроса данных с хоста может быть сделана низкоскоростной, а линии передачи данных или файлов с хоста на запрашивающую станцию - высокоскоростной.
Невзирая на тот факт, что FR отказывается от такой функции протокола третьего уровня, как адресация, тем не менее идентификация адреса все же производится с помощью конфигурации PVC вручную. Одной из фундаментальных функций FR является идентификация виртуального соединения. Фенкционирование устройств FR как правило основываются на PVC-соединениях, конфигурирование которых осуществляется вручную так же, как и статические маршруты, применяемые при IP-маршрутизации. В IP-среде статические маршруты говорят маршрутизатору, что весь трафик, адресованный указанному объекту, должен идти по сконфигурированному вручную маршруту. Такой подход упрощает определение маршрута, а также снижает нагрузку на процессор и время задержки. Правда, при этом снижается и возможность маршрутного протокола (например OSPF) после выполнения высокоуровневых функций, в том числе в распределении нагрузки и выборе альтернативного пути. Так или иначе, при возникновении затора или невозможности соединения альтернативный маршрут или постоянный виртуальный канал должен быть прописан вручную. В тех случаях, когда IP использует статические маршруты и реализован поверх FR с назначенными постоянными виртуальными каналами, надо позаботиться о том, чтобы было соответствие между ними и статическими маршрутами.
При использовании технологии FR обмен трафиком осуществляется по следующей схеме: от входящей линии к соответствующему соединению по исходящей линии через назначенное соединение. Маршрутизатор в помещении пользователя отвечает за создание кадра FR, установление значения DLCI в заголовок кадра и передачу кадра через локальный интерфейс UNI на коммутатор FR из облака. Если в качестве протокола третьего уровня используется IP, то формирование кадра сопряжено с фрагментацией дейтаграмм IP и инкапсуляцией дейтаграмм в кадры FR. Маршрутизируемый протокол сетевого уровня IP не знает о том, что происходит, до того момента, когда дейтаграммы не будут заново собраны принимающим.
При использовании IP коррекция ошибок высокого уровня выявляет их на стороне получателя и просит передать их повторно. Сеть FR должна транслировать трафик на маршрутизатор на удаленном UNI. Отождествление и маршрутизация осуществляется посредством специальной таблицы маршрутов, соответствий или перекрестных связей. Существует очень значимый на локальном уровне подход, когда управление DLCI осуществляется таким образом, что одни и те же числа могут повторно применяться другим маршрутизатором в сети. Это дает возможность создавать большее количество виртуальных каналов в одной сети FR. При этом следует позаботится о том, чтобы был установлен запрет раскрытия значений DLCI другим маршрутизатором в донной сети. Существует также и другой подход, когда используется глобальная адресация. При этом DLCI имеет одно и то же значение во всей сети. Присвоенные адресам номера указывают на одно и то же место назначения вне зависимости от маршрутизатора.
При использовании маршрутных протоколов типа RIP и OSPF является безразличным, какой из подходов применяется для DLCI. До тех пор пока IP-адреса отождествляются с DLCI правильно, OSPF принимает решение о маршруте в соответствии с доступностью пути и скоростью передачи, а RIP - на основе подсчета промежуточных маршрутизаторов. Сам смысл глобальной адресации заключается в упрощении управления адресами, тем не менее ограничение на заголовок кадра в два октета предоставляет возможность иметь только 922 идентификатора (1024 минус 32 зарезервированных DLCI). Получается, что при глобальной адресации один и тот же идентификатор не может применяться двумя портами. Применение DLCI для идентификации постоянных виртуальных каналов становится возможным только в том случае, если он используется лишь один раз во всей сети.
Как уже было отмечено в работе, техническая функция CIR заключается в определении доступной полосы пропускания для данного соединения, которую PVC может задействовать. В том случае, если загруженность PVC превышает CIR, то избыточные кадры маркируются для отбраковки. Однако они отбраковываются, только если облако начинает испытывать перегрузки. Важность правильной установки CIR очевидна, так как отбракованные кадры будут посылаться заново, в результате чего трафик и перегрузки возрастают, а конечные пользователи остаются недовольны работой сети. Задание значения CIR равным нулю предоставляет PVC всю полосу пропускания данной линии с обслуживанием в порядке очередности. Однако если данный PVC использует линию непрерывно, то он не даст доступа к ней другим пользователям. Конечно, если установить максимально возможное значения CIR, то это может стать хорошим решением проблемы, однако это приводит к удорожанию технологии, а многие поставщики устанавливают тарифы в зависимости от значения CIR - чем выше CIR, тем дороже, - а это означает, что сеть должна быть оптимально сконфигурирована по цене и производительности.
Это все касается взаимодействия между сетью frame relay, или облаком, и оборудованием внутри помещения. Однако внутри самого облака работают те же правила, кроме того момента, что коммутаторам FR нет необходимости поддерживать виртуальные каналы. Трафик может быть адресован посредством либо настроенных вручную DLCI, либо преобразования трафика в соответствии с протоколом IP, после чего он маршрутизуется динамически.
Используются два подхода к маршрутизации - фиксированный и динамический. Вне зависимости от метода он прозрачен для конечных устройств внутри помещения. В случае RIP промежуточными устройствами считаются только маршрутизаторы. Поэтому система может выбрать путь, в котором на один маршрутизатор меньше, но на несколько коммутаторов больше. Благодаря достигаемому за счет функционирования на втором уровне превосходству в скорости, число промежуточных коммутаторов на данном маршруте не имеет большого значения. В силу того, что FR не поддерживает такие высокоуровневые функции, как управление потоком и коррекция ошибок, перемещение данных осуществляется с оптимальной скоростью.
Существенным моментом для взаимодействующих протоколов является размер кадра или пакета. Стандарт FR не ограничивает размер кадров, однако сеть FR поддерживает чаще всего минимальный размер кадров в 262 октета, а наиболее распространенные реализации употребляют кадры от 1600 до 4096 октетов. Максимальный размер кадра устанавливается поставщиком телекоммуникационных услуг в зависимости от возможностей оборудования. Стандарт IP способен создавать дейтаграммы размером до 65535 октетов. Невзирая на тот факт, что в реальности размер дейтаграммы, обычно, меньше, дейтаграмма как правило превышает по размеру кадр. Получается, что передающее оборудование вынуждено дробить дейтаграммы на приемлемые куски для инкапсуляции в кадры FR. Принимающее оборудование отвечает за их сборку.
Как правило, FR функционирует вне рабочих станций или хостов конечных пользователей, а загружается на маршрутизатор или внешний процессор, что изолирует пользовательскую станцию от самого процесса. Поэтому при установке использовании FR программное и аппаратное обеспечение пользователя не нуждается в модификации. В ЛВС область действия их протоколов распространяется до маршрутизатора, который инкапсулирует заголовки и полезную нагрузку протоколов верхних уровней (с третьего по седьмой) в кадры FR. Эти данные передается далее по сети FR до места назначения, где уже конечный маршрутизатор убирает заголовки и хвосты пакетов, собирает в случае необходимости фрагментированные части данных, помещает трафик в кадр локальной сети и доставляет его конечным пользователям.

2.2 Пример реализации в корпоративной сети

Обычным способом реализации частной сети является дополнение традиционных мультиплексоров интерфейсами FR для информационных устройств, а также интерфейсами (не являющимися специализированными интерфейсами FR) для других прикладных задач, таких как передача голоса и проведение видео-телеконференций. Фреймы FR направляются в сеть через интерфейс FR, а обычные потоки передаются соответствующему приложению или службам, таким как мини-АТС (РВХ), видео - и телеконференции. Типичная сеть FR состоит из нескольких устройств DTE, например маршрутизаторов, соединенных с удаленными портами на мультиплексоре традиционными каналами типа "точка-точка". Протокол FR реализуется как в общедоступных сетях, так и в частных сетях предприятий.

Многие компании и организации по всему миру и поныне используют частные сети FR. В таких сетях администрированием и поддержкой сети занимается сама компания или организация и использует свое собственное оборудование. В общедоступных сетях FR коммутирующее оборудование протокола FR помещается в центральных офисах телекоммуникационных компаний. С пользователей берется плата в зависимости от степени использования ими сети, но им не приходится выполнять административные работы и поддерживать оборудование и службы сетей FR. Как правило оборудование DCE также принадлежит компании-поставщику и арендуется клиентом, тем не менее оно может также принадлежать и клиенту. В данном случае клиенты могут получать экономические выгоды от тарифов начислений за пользование услугами, чувствительных к трафику, и освобождены от работы по администрированию, поддержанию и обслуживанию оборудования сети.
И в частной, и в общедоступной сети отсутствует необходимость обеспечения устройств пользователя интерфейсами FR и использования протокола FR. Поэтому могут быть использованы традиционные технологии коммутации цепей, коммутации пакетов, или гибридные методы, комбинирующие различные технологии.
На предприятии, где я проходил практику, использовалась корпоративная спутниковая сеть MCPC/Frame Relay. Наглядная схема данной технологии изображена в Приложении (Приложение Б). Преимущество данных сетей по сравнению с теми, что построены на выделенных каналах, является экономия спутникового ресурса за счет динамического перераспределения трафика прямого канала между удаленными станциями, полоса которого может быть значительно ниже суммарной полосы в случае SCPC каналов. Следует отметить, что в целом данное решение предназначено для подключения к глобальной сети отдельных офисов клиентов, а также корпоративных сетей с невысокой среднесуточной загрузкой каналов доступа, а также может успешно использоваться региональными провайдерами, которые территориально расположены в различных часовых поясах и их резервных каналов.
Технология MCPC расшифровывается как "множество каналов на одну несущую" и применяется для построения спутниковых сетей связи, где любая из несущих может быть использована для передачи множества независимых постоянных виртуальных каналов. Данное техническое решение основывается на технологии SCPC c применением протокола FR на канальном и физическом уровне, и, преимущественно, используется при построении территориально распределенных корпоративных сетей, связанных с обеспечением гарантированной пропускной способности CIR в каналах передачи данных, голоса, видеоконференцсвязи и прочих. При этом данные из центральной станции спутниковой связи транслируются с помощью одного широкополосного спутникового канала на все удаленные станции, а обратные каналы представляют собой выделенные каналы SCPC. В данной конфигурации реализация протокола FR осуществляется на центральном маршрутизаторе, который является оборудованием DСE и маршрутизаторах на удаленных станциях, которые являются терминальным оборудованием каналов передачи данных DTE. При этом каждое DTE устройство удаленной станции имеет свой идентификатор DLCI. На каждое из них приходят фреймы, адресное поле которых содержит такой же идентификатор. Центральный маршрутизатор служит в роли генератора и коммутатора фреймов и распределяет трафик в общем широкополосном канале между удаленными станциями в соответствии с форматами фреймов. Он же обрабатывает извещения о перегрузках каналов в прямом и обратном направлениях, которые содержатся в адресном поле каждого фрейма, следит за трафиком всех виртуальных каналов и осуществляет перераспределение общего трафика, исходящего со стороны DCE устройства, между всеми DTE устройствами.
По технологии MSPS/Frame Relay спутниковый ресурс, выделенный на всю сеть, динамически перераспределяется между всеми станциями сети в зависимости от загрузки каждой станции, при этом для каждой станции задается только минимальная гарантированная скорость. Заранее определяется и гарантируется постоянная групповая скорость доступа в Интернет для всей сети и минимальные скорости CIR для каждой удаленной станции.
Бесспорными преимуществами данной сети как со стороны потребителя, так и со стороны поставщика являются следующие моменты. Во-первых, это динамическое перераспределение трафика из сети Интернет между клиентами. Во-вторых, сравнительно более низкая стоимость доступа в Интернет по сравнению с предоставлением SCPC каналов. В-третьих, пользователям предоставляется гарантированная скорость доступа в Интернет (CIR). В-четвертых, этот доступ предоставляется круглосуточно без ограничения трафика. Кроме этого, скорость доступа зависит от загрузки общего канала передачи данных по направлению к клиентам и может быть значительно выше CIR. Можно также отметить достаточно высокую надежность и качество предоставляемых услуг.
frame relay сеть частная

Заключение

Итак, Frame Relay был создан в конце прошлого века, как замена протоколу X.25 и ориентирован на надежные и быстрые каналы связи. данная технология архитектурно основывалась на X.25 и во многом схожа с ним. Тем не менее в отличие от X.25, который был ориентирован на линии с достаточно высокой частотой ошибок, FR может быть реализован в физических линиях с низкой частотой ошибок, а следовательно в состав стандарта FR значительная часть механизмов коррекции ошибок из X.25 не вошла. Спецификации для данной технологии разрабатывались при участии многих организаций, также как и множество разных поставщиков поддерживают его различные реализации, разрабатывая самостоятельно соответствующее аппаратное и программное обеспечение. Frame Relay - технология глобальных сетей, оптимизирована для работы на низких скоростях, отлично подходит для передачи голоса и видео. FR нельзя использовать для построения локальной сети.

В ходе исследования мы выяснили, что технология FR обеспечивает множество независимых виртуальных каналов в одной линии связи, с возможностью назначения минимальной гарантированной скорости (CIR) для каждого виртуального канала. Эти виртуальные каналы идентифицируются в FR-сети по идентификаторам подключения к соединению (DLCI). При этом, при отсутствии средств управления потоком, FR использует функции извещения о перегрузках в сети. Данная технология обычно используется при построении территориально распределённых корпоративных сетей, а также в составе решений, связанных с обеспечением гарантированной пропускной способности канала передачи данных (IP-телефония, видеоконференции и прочее).
Среди главных несомненных достоинств технологии FR можно назвать:
- возможность передавать чувствительный к временным задержкам трафик: (голос, видео),
- высокая надежность функционирования сети,
- гарантированное качество обслуживания - согласованная скорость передачи данных,
- относительно простые и дешевые средства управления.
Среди ее очевидных недостатков можно выделить:
- использование качественных и дорогостоящих каналы связи,
- возможность перегрузки отдельных узлов сети по причине отсутствия повсеместного эффективного контроля трафика,
- отсутствие надежных средств контроля доставки кадров (возможна потеря кадров в процессе передачи).
На сегодняшний день с сетями, где используется Frame Relay, увы, приходится встречаться все реже и реже. Однако, по мнению многих специалистов данная технология и в будущем будет еще актуальной и сохранит свои преимущества, поскольку будет обеспечивать идеальный доступ к высокоскоростной магистральной сети по низкоскоростным каналам связи.

Глоссарий

№ п/п	Понятие	Определение
1	CIR	гарантированная полоса пропускания виртуального канала в сетях Frame Relay.
2	FRAD	(Frame Relay Access Devices). Устройства доступа к сетям frame relay.
3	HDLC	протокол высокоуровнего управления каналом передачи данных, является опубликованным ISO стандартом и базовым для построения других протоколов канального уровня
4	ISDN	цифровая сеть с интеграцией служб. Позволяет совместить услуги телефонной связи и обмена данными.
5	OSI	модель взаимодействия открытых систем
6	PVC	постоянный виртуальный канал создаётся между двумя точками и существует в течение длительного времени, даже в отсутствие данных для передачи.
7	SVC	коммутируемый виртуальный канал создаётся между двумя точками непосредственно перед передачей данных и разрывается после окончания сеанса связи.
8	TCP	протокол управления передачей
9	TCP/IP	набор сетевых протоколов разных уровней модели сетевого взаимодействия DoD, используемых в сетях.
10	UDP	протокол пользовательских дейтаграмм
11	X.25	стандарт канального уровня сетевой модели OSI. Предназначалось для организации WAN на основе телефонных сетей с линиями с достаточно высокой частотой ошибок, поэтому содержит развитые механизмы коррекции ошибок. Ориентирован на работу с установлением соединений. Исторически является предшественником протокола Frame Relay.
12	Дейтаграмма	это блок информации, посланный как пакет сетевого уровня, через передающую среду, без предварительного установления виртуального канала. IP-дейтаграммы - основные информационные блоки в сети Интернет.
13	Пакет	логически сгруппированный блок информации, который включает заголовок, содержащий контрольную информацию, и (обычно) пользовательские данные. Термин "пакет" чаще всего употребляется в контексте блоков данных сетевого уровня.
14	Протокол	это совокупность соглашений, норм и правил, сообщений и процедур, определяющий формат и технологию обмена данными между устройствами в сети.
15	Сетевая топология	способ связи нескольких компьютеров в сеть.
16	Стандарт	набор правил и соглашений, используемых при создании локальной сети и организации передачи данных с применением определенной топологии, оборудования, протоколов и т.д.
17	Стек протоколов	иерархически организованный набор сетевых протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети.

Список использованных источников

1. Биячуев Т.А. Безопасность корпоративных сетей. /Под ред.Л.Г. Осовецкого. - СПб: СПб ГУ ИТМО, 2009. - 420 с.

2. Витаминюк А.И. Создание, обслуживание и администрирование сетей на 100% - Санкт-Петербург, 2010.232 с.
. Воробьев, Л.В. Системы и сети передачи информации: учеб. пособие / Воробьев, Л.В., Давыдов, А.В., Щербина, Л.П. - М.: Академия, 2009. - 329 с.
. Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы. - М.: ЕАОИ, 2009. - 292 с.
. Журнал "CHIP" №2 февраль 2014
. Журнал сетевых решений LAN декабрь 2014
. Кузин А. В Компьютерные сети 3-е изд. 2011год. 192 с.
. Материалы сайта "Интернет-Университет Информационных технологий". [Электронный ресурс]. - http://www.intuit.ru
. Мельников В.П. Информационная безопасность и защита информации. 5-е изд., стер. - М.: Академия, 2011. - 336 с.
. Олифер В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учебное пособие для вузов / В. Олифер, Н. Олифер. - СПб. - 2010. - 943 с.
. Пескова, С.А. Сети и телекоммуникации: учеб. пособие для вузов / Пескова, С.А., Кузин, А.В., Волков, А.Н. - М.: Академия, 2008. - 350 с.
. Пятибратов А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебное пособие. - М.: Кнорус, 2013. - 376 с.
. Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы. - М.: ЕАОИ, 2009. - 292 с.
. Столлингс Вильям: Компьютерные сети, протоколы и технологии Интернета / Кондукова Е.Ф. М.: BHV, 2005 г. - 832 с.
. Таненбаум Э., Уэзеролл Д. Компьютерные сети.5-е изд. М.: ЕАОИ, 2012. - 508 с.
. Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Юрчук А.Б. Сети мобильной связи LTE. Технологии и архитектура. 2010.
. Хайретдинов М.С. Сетевые информационные технологии.: учебное пособие / М.С. Хайретдинов - Новосибирск, 2011. - 250 c.

Приложение А