Особенности сетей и технологий Frame Relay

1. Основы технологии Frame Relay

1.1 Ключевые особенности и принципы работы Frame Relay

Сеть Frame Relay является сетью с коммутацией кадров или сетью с ретрансляцией кадров, ориентированной на использование цифровых линий связи. Ретрансляция кадров (frame relay) - это метод доставки данных в сетях с коммутацией пакетов, а также и с коммутацией каналов и сообщений. Frame Relay поддерживает физический и канальный уровни OSI. Данная технология применяет при передаче данных технику коммутируемых и постоянных виртуальных соединений. Скорость передачи данных до 44 Мбит/с, но без гарантии целостности данных и достоверности их доставки. Обычно применяется 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).

В технологии Frame Relay на канальном уровне выполняется мультиплексирование потока данных в кадры. При этом осуществляется мультиплексирование в одном канале связи нескольких потоков данных. Кадры при передаче через коммутатор не подвергаются преобразованиям, поэтому сеть получила название ретрансляции кадров. Следовательно, сеть коммутирует уже не пакеты, а кадры.
Отдельный кадр FR имеет в себе минимальное управляющей информации, что приводит к достаточно высокой эффективности передачи данных. При этом изначально допускается, что каналы передачи данных должны быть достаточно надежными, а функции управления потоком выполняются протоколами верхних уровней. Это обусловлено тем, что технология FR не оснащена встроенными функциями контроля доставки и управления потоком кадров. Основу сети Frame Relay образуют специализированные коммутаторы - FRAD (Frame Relay Access Device, устройство доступа к сети с ретрансляцией кадров). Коммутаторы FR применяют технологию сквозной коммутации, когда каждый кадр посылается на следующий транзитный узел сразу же по прочтении адресной информации. В случае возникновения ошибок, коммутаторы FR не пытаются их восстановить кадры и отбраковывают. Отправленные данные восстанавливаются оборудованием конечного пользователя, и промежуточное оборудование освобождено от нужды выявления и исправления ошибок. При этом накладные расходы по обработке данных из расчета на кадр уменьшаются, что существенно повышает пропускную способность.
Изначально информационное взаимодействие технологии FR реализовывалось лишь на физическом и канальном уровне. Принципиальное отличие технологии FR от ранее имевшихся технологий построения сетей заключалось именно в отсутствии сетевого уровня взаимодействия и заключается. На физическом уровне FR поддерживает интерфейсы по стандартам как ITU-T, так и ANSI: X.21, V.24, V.35, DDN, DDS, интерфейсы BRI и PRI сетей ISDN, полные и дробные протоколы T1/E1, SDH. На уровне звена данных используется процедура доступа LAPF, стандартизованная Рекомендацией Q.922 ITU-T. Стек протоколов FR передает кадры при установленном виртуальном соединении по протоколам физического и канального уровней. Функции сетевого уровня перемещены на канальный уровень, поэтому необходимость в сетевом уровне отпала. Тем самым, указанные особенности и обеспечивают преимущества сетей, которые построены по технологии FR.
Кадр протокола FR содержит минимально необходимое количество служебных полей. Структура и формат кадра FR состоит из следующих элементов:

FLAG (1 Byte)

HEADER (2-4 Byte)

Данные (переменный размер)

FCS (2 Byte)

FLAG (1 Byte)

Поле FLAG. Каждый кадр начинается и замыкается "флагом" - последовательностью "01111110". Данное поле выполняет функцию обрамления кадра. Чтобы предотвратить случайную имитацию последовательности "флаг" внутри кадра, в процессе его передачи проверяется всё его содержание между двумя флагами и после каждой последовательности, состоящей из пяти идущих подряд бит "1", вставляется бит "0". Данная процедура неукоснительно должна выполняться при формировании любого кадра FR, при приёме эти биты "0" отбрасываются. Принцип формирования поля FLAG в кадре FR соответствует принципам формирования поля FLAG в кадре других технологий. Узлам сети FR разрешено уничтожать искаженные кадры, не уведомляя об этом пользователя. Искаженным считается кадр, которому присущ какой-либо из следующих признаков:

- наблюдается менее пяти октетов между флагами;
- искажено поле адреса (для случая, когда проверка не выявила ошибки в FCS);
- имеется ошибка в FCS;
- отсутствует корректное ограничение флагов;
- отсутствует целое число октетов после удаления бит обеспечения прозрачности;
- превышен допустимый максимальный размер;
- имеется несуществующий DLCI.
Поле HEADER. Поле заголовка кадра содержит информацию, которая используется для управления виртуальными соединениями и процессами передачи данных в сети Frame Relay. Данное поле кадра FR, помимо собственно адресной информации, содержит также и дополнительные поля управления потоком данных и уведомлений о перегрузке канала (Приложение А):

DLCI (6 Bit)

C/R (1 Bit)

EA (1 Bit)

DLCI (4 Bit)

FECN (1 Bit)

BECN (1 Bit)

DE (1 Bit)

EA (1 Bit)

Механизмы уведомления о возникновении перегрузок и их устранения реализуются посредством битов FECN и BECN в заголовке кадра LAPF. Информационные биты FECN и BECN выставляются в момент попадания кадра в затор трафика. Если узел сети FR обнаруживает, что его входные очереди начинают переполняться, предыдущему узлу (источнику трафика) передается пакет с установленным битом BECN, чтобы приостановить поступление данных до разрешения ситуации. Маршрутизаторы с интерфейсом FR могут расшифровать значения этих битов и активизировать управление потоком на базе протокола верхлежащего уровня, например, - TCP/IP. При этом представленный механизм не вписался бы в концепцию регламентирования пропускной способности сети, поддерживаемую FR, без введения соглашения о согласованной скорости передачи информации (Committed Information Rate, CIR).

Поле данных. Поле полезной нагрузки в кадре Frame Relay имеет переменную длину и предназначено для переноса блоков данных протоколов верхних уровней. Поле полезной нагрузки имеет минимальную длину в 1 октет, максимальную согласно стандарту - 1600 октетов, тем не менее в реализациях некоторых производителей FR-оборудования допускается превышение максимального размера (до 4096 октетов).
Поле FCS. Проверочная последовательность кадра (FCS) применяется для выявления возможных ошибок при его передаче и состоит из 2 октетов. FCS формируется аналогично циклическому коду HDLC.

1.2 Виртуальные каналы

Невзирая на тот факт, что протоколы FR относительно просты и предельно открыты для протоколов верхних уровней, они тем не менее достаточно сложны в плане осуществления передачи данных. При этом они сами независимо осуществляют маршрутизацию данных внутри сети, не используя при этом механизмы маршрутизации вышерасположенных уровней Х.25 или IP в Интернете. Протоколы FR обладают собственными механизмами управления постоянными виртуальными каналами и для инкапсуляции протоколов вышерасположенных уровней. Таким образом, передача данных между пользователями в сети Frame Relay осуществляется при создании виртуальных каналов - (VC - Virtual Circuit) двух типов: постоянный (PVC - Permanent Virtual Circuit) и коммутируемый (SVC - Switched Virtual Circuit).