15. Сети Frame Relay. Структура сети. Формат кадра. Поддержка качества обслуживания.
Сети Frame Relay гораздо лучше подходят для передачи пульсирующего трафика локальных сетей по сравнению с сетями Х.25, но только тогда, когда каналы связи приближаются по качеству к каналам локальных сетей, а для глобальных каналов такое качество обычно достижимо только при использовании волоконно-оптических кабелей. Особенностью технологии frame relay является гарантированная поддержка основных показателей качества транспортного обслуживания локальных сетей - средней скорости передачи данных по виртуальному каналу при допустимых пульсациях трафика.
Структура сети
Структура сети FramRelay, очень похожа на сети Х.25.
Рисунок 39: Сеть Frame Relay
Пакеты ЛВС, например, IP или IPX, передаются специальному «сборщику-разборщику» кадров FRAD (Frame assembler-disassembler). Основная функция FRAD – мультиплексирование / демультиплексирование нескольких различных высокоуровневых пакетов (IP, IPX и др.) в кадры FR. Кроме этого, адаптеры FRAD могут поддерживать необязательный интерфейс управления сетью - LMI (Local Management Interface), позволяющий конечному пользователю осуществлять мониторинг сети FR.
Сформированные FRAD пакеты передаются через цепочку коммутаторов FRC (Frame Relay Commutator) к другому адаптеру FRAD, где из кадра FR восстанавливаются высокоуровневые пакеты.
Коммутаторы FR работают подобно коммутаторам Ethernet: ретранслируют кадр без изменений и без контроля ошибок, не восстанавливают высокоуровневые пакеты из кадров, не соблюдают порядок кадров, не блокируют прохождение испорченных кадров.
Такой «упрощенный» режим работы коммутатора позволяет передавать кадры очень быстро.
В сетях FR используется статическая маршрутизация: таблицы маршрутизации заполняются на этапе конфигурации системы и не изменяются в процессе ее работы.
Таким способом реализуются постоянные виртуальные каналы (PVC). В последних спецификациях FR реализованы коммутируемые (временные) виртуальные каналы (SVC), устанавливаемые динамически, но распространения не получают в силу вытеснения FR более эффективной в этом плане сетью ATM.
Другая особенность маршрутизации кадров через коммутаторы – использование вместо адреса приемника и передатчика одного идентификатора соединения, в соответствии с которым определяется маршрут в каждом коммутаторе. Личные адреса абонентов используются только на этапе установления соединения, выполняемом системным администратором.
Формат кадра Frame Relay
FR является бит-ориентированным синхронным протоколом и использует "кадр" в качестве основного информационного элемента.
Рисунок 40: Структура кадра Frame Relay
[15.1]
Флаг. Все кадры начинаются и заканчиваются комбинацией "флаг": "01111110". С целью предотвращения имитации комбинации "флаг" при передаче кадра проверяется все его содержание между двумя флагами и вставляется бит "0" после каждой последовательности, состоящей из пяти идущих подряд бит "1". Данная процедура (bit stuffing) обязательна при формировании любого кадра FR. На приемном конце биты "0" отбрасываются (проходили битстаффинг).
DLCI. Поле номера виртуального соединения (Data Link Connection Identifier, DLCI) состоит из 10 битов, что позволяет использовать до 1024 виртуальных соединений. Поле DLCI может занимать и большее число разрядов - этим управляют признаки ЕА0 и ЕА1 (Extended Address - расширенный адрес). Если бит в этом признаке установлен в ноль, то признак называется ЕА0 и означает, что в следующем байте имеется продолжение поля адреса, а если бит признака равен 1, то поле называется ЕА1 и индицирует окончание поля адреса.
Стандарты Frame Relay (ANSI, ITU-T) распределяют адреса DLCI между пользователями и сетью следующим образом:
- 0 - используется для виртуального канала локального управления (LMI);
- 1 -15 - зарезервированы для дальнейшего применения;
- 16-991 - используются абонентами для нумерации PVC и SVC;
- 992-1007 - используются сетевой транспортной службой для внутрисетевых соединений;
- 1008-1022 - зарезервированы для дальнейшего применения;
- 1023 - используются для управления канальным уровнем.
Таким образом, в любом интерфейсе Frame Relay для оконечных устройств пользователя отводится 976 адресов DLCI.
Поле C/R (Command/Response) имеет обычный для протокола семейства HDLC смысл - это признак «команда-ответ».
Поля DE, FECN и BECN используются протоколом для управлением трафиком и поддержания заданного качества обслуживания виртуального канала.
Поле данных может иметь размер до 4056 байт.
Одним из основных отличий протокола FR от HDLC является то, что он не предусматривает передачу управляющих сообщений (нет командных или супервизорных кадров, как в HDLC). Для передачи служебной информации используется специально выделенный канал сигнализации. Другое важное отличие - отсутствие нумерации последовательно передаваемых (принимаемых) кадров. Дело в том, что протокол FR не имеет никаких механизмов для подтверждения правильно принятых кадров.
Поддержка качества обслуживания
Способность технологии Frame Relay гарантировать некоторые параметры качества обслуживания (QoS) является ключевой. Именно поэтому данная технология получила широкое распространение и считается одной из самых перспективных технологий глобальных сетей.
Технология Frame Relay благодаря особому подходу гарантированно обеспечивает основные параметры качества транспортного обслуживания, необходимые при объединении локальных сетей.
Вместо приоритезации трафика используется процедура заказа качества обслуживания при установлении соединения.
Рисунок 41: Соотношение параметров качества
[15.2]
Для каждого виртуального соединения определяется несколько параметров, влияющих на качество обслуживания.
- CIR (Committed Information Rate) - согласованная информационная скорость, с которой сеть будет передавать данные пользователя.
- Bc (Committed Burst Size) - согласованный объем пульсации, то есть максимальное количество байтов, которое сеть будет передавать от этого пользователя за интервал времени Т.
- Be (Excess Burst Size) - дополнительный объем пульсации, то есть максимальное количество байтов, которое сеть будет пытаться передать сверх установленного значения Вс за интервал времени Т.
Если эти величины определены, то время Т определяется формулой:
Т =Bc/CIR.
Можно задать значения CIR и Т, тогда производной величиной станет величина всплеска трафика Вс.
Соотношение между параметрами CIR, Be, Be и Т иллюстрирует рисунок 41.
Основным параметром, по которому абонент и сеть заключают соглашение при установлении виртуального соединения, является согласованная скорость передачи данных.
Для постоянных виртуальных каналов это соглашение является частью контракта на пользование услугами сети. При установлении коммутируемого виртуального канала соглашение о качестве обслуживания заключается автоматически с помощью протокола Q.931/933 — требуемые параметры CIR, Вс и Be передаются в пакете запроса на установление соединения.
Так как скорость передачи данных измеряется на каком-то интервале времени, то интервал Т и является таким контрольным интервалом, на котором проверяются условия соглашения. В общем случае пользователь не должен за этот интервал передать в сеть данные со средней скоростью, превосходящей CIR. Если же он нарушает соглашение, то сеть не только не гарантирует доставку кадра, но помечает этот кадр признаком DE(Discard Eligibility), равным 1, то есть как кадр, подлежащий удалению. Однако кадры, отмеченные таким признаком, удаляются из сети только в том случае, если коммутаторы сети испытывают перегрузки. Если же перегрузок нет, то кадры с признаком DE=1 доставляются адресату.
Такое щадящее поведение сети соответствует случаю, когда общее количество данных, переданных пользователем в сеть за период Т, не превышает объема Вс+Ве. Если же этот порог превышен, то кадр не помечается признаком DE, а немедленно удаляется из сети.
На рисунке 41 изображен случай, когда за интервал времени Т в сеть по виртуальному каналу поступило 5 кадров. Средняя скорость поступления информации в сеть составила на этом интервале R бит/с, и она оказалась выше CIR. Кадры f1, f2 и f3 доставили в сеть данные, суммарный объем которых не превысил порог Вс, поэтому эти кадры ушли дальше транзитом с признаком DE=0. Данные кадра 4, прибавленные к данным кадров f1, f2 и f3, уже превысили порог Вс, но еще не превысили порога Вс+Ве, поэтому кадр f4 также ушел дальше, но уже с признаком DE=1. Данные кадра f5, прибавленные к данным предыдущих кадров, превысили порог Вс+Ве, поэтому этот кадр был удален из сети.
Для контроля соглашения о параметрах качества обслуживания все коммутаторы сети Frame Relay выполняют так называемый алгоритм «дырявого ведра» (Leaky Bucket).
Алгоритм использует счетчик C 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, данные которых не увеличили значение счетчика свыше порога Вс, пропускаются в сеть со значением признака DE=0. Кадры, данные которых 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.
[15.3]
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.