Frame Relay — это стандартизированная технология глобальной сети (WAN), которая определяет физические и канальные уровни цифровых телекоммуникационных каналов с использованием методологии пакетной коммутации . Первоначально разработанная для транспортировки через инфраструктуру цифровой сети с интеграцией услуг (ISDN), сегодня она может использоваться в контексте многих других сетевых интерфейсов.
Сетевые провайдеры обычно реализуют Frame Relay для голоса ( VoFR ) и данных как метод инкапсуляции , используемый между локальными сетями ( LAN ) через WAN. Каждый конечный пользователь получает частную линию (или выделенную линию ) к узлу Frame Relay . Сеть Frame Relay обрабатывает передачу по часто меняющемуся пути, прозрачному для всех широко используемых конечным пользователем протоколов WAN. Она менее затратна, чем выделенные линии, и это одна из причин ее популярности. Крайняя простота настройки пользовательского оборудования в сети Frame Relay является еще одной причиной популярности Frame Relay.
С появлением Ethernet по оптоволокну, MPLS , VPN и выделенных широкополосных сервисов, таких как кабельный модем и DSL , Frame Relay стал менее популярным в последние годы.
Разработчики Frame Relay стремились предоставить телекоммуникационный сервис для экономически эффективной передачи данных для прерывистого трафика между локальными сетями (LAN) и между конечными точками в глобальной сети (WAN). Frame Relay помещает данные в блоки переменного размера, называемые «кадрами», и оставляет любую необходимую коррекцию ошибок (например, повторную передачу данных) конечным точкам. Это ускоряет общую передачу данных. Для большинства услуг сеть предоставляет постоянный виртуальный канал (PVC), что означает, что клиент видит непрерывное выделенное соединение без необходимости платить за постоянно арендованную линию , в то время как поставщик услуг вычисляет маршрут, по которому каждый кадр перемещается к месту назначения, и может взимать плату на основе использования.
Предприятие может выбрать уровень качества обслуживания , отдавая приоритет некоторым кадрам и делая другие менее важными. Frame Relay может работать на дробных T-1 или E1 , или полных T-carrier или E-carrier системных носителях. Frame Relay дополняет и предоставляет услуги среднего уровня между базовой скоростью ISDN , которая предлагает полосу пропускания в 128 кбит/с, и асинхронным режимом передачи (ATM), который работает примерно так же, как Frame Relay, но на скоростях от 155,520 Мбит/с до 622,080 Мбит/с. [1]
Frame Relay имеет свою техническую основу в старой технологии коммутации пакетов X.25 , разработанной для передачи данных по аналоговым голосовым линиям. В отличие от X.25, разработчики которой ожидали аналоговые сигналы с относительно высокой вероятностью ошибок передачи, Frame Relay — это быстрая технология коммутации пакетов, работающая по каналам с низкой вероятностью ошибок передачи (обычно практически без потерь, как PDH ), что означает, что протокол не пытается исправлять ошибки. Когда сеть Frame Relay обнаруживает ошибку в кадре, она просто отбрасывает этот кадр. Конечные точки несут ответственность за обнаружение и повторную передачу отброшенных кадров. (Однако цифровые сети предлагают чрезвычайно малую частоту ошибок по сравнению с аналоговыми сетями.)
Frame Relay часто служит для соединения локальных сетей (LAN) с основными магистралями , а также в публичных глобальных сетях (WAN) и в частных сетевых средах с арендованными линиями по линиям T-1. Он требует выделенного соединения в течение периода передачи. Frame Relay не обеспечивает идеального пути для передачи голоса или видео, которые требуют постоянного потока передач. Однако при определенных обстоятельствах передача голоса и видео использует Frame Relay.
Frame Relay возникла как расширение цифровой сети с интеграцией услуг (ISDN). Ее разработчики стремились сделать так, чтобы пакетная коммутируемая сеть могла передавать данные по технологии коммутации каналов. Технология стала автономным и экономически эффективным средством создания WAN.
Коммутаторы Frame Relay создают виртуальные каналы для подключения удаленных локальных сетей к глобальной сети. Сеть Frame Relay существует между граничным устройством локальной сети, обычно маршрутизатором, и коммутатором оператора. Технология, используемая оператором для передачи данных между коммутаторами, варьируется и может различаться у разных операторов (т. е. для функционирования практическая реализация Frame Relay не обязательно должна полагаться исключительно на свой собственный механизм транспортировки).
Сложность технологии требует глубокого понимания терминов, используемых для описания работы Frame Relay. Без четкого понимания Frame Relay трудно устранять неполадки в ее работе.
Структура кадра Frame Relay по сути почти точно отражает структуру, определенную для LAP-D. Анализ трафика позволяет отличить формат Frame Relay от LAP-D по отсутствию поля управления. [2]
Каждый блок данных протокола Frame Relay (PDU) состоит из следующих полей:
Сеть Frame Relay использует упрощенный протокол на каждом коммутационном узле. Он достигает простоты, исключая управление потоком по ссылкам. В результате предлагаемая нагрузка в значительной степени определяет производительность сетей Frame Relay. Когда предлагаемая нагрузка высока из-за всплесков в некоторых сервисах, временная перегрузка на некоторых узлах Frame Relay приводит к коллапсу пропускной способности сети. Поэтому сети Frame Relay требуют некоторых эффективных механизмов для управления перегрузкой.
Контроль перегрузки в сетях Frame Relay включает в себя следующие элементы:
После того, как сеть установила соединение, граничный узел сети Frame Relay должен контролировать поток трафика соединения, чтобы гарантировать, что фактическое использование сетевых ресурсов не превышает эту спецификацию. Frame Relay определяет некоторые ограничения на скорость передачи информации пользователя. Это позволяет сети принудительно устанавливать скорость передачи информации конечного пользователя и отбрасывать информацию при превышении скорости доступа, указанной в подписке.
Явное уведомление о перегрузке предлагается в качестве политики предотвращения перегрузки. Она пытается поддерживать работу сети в желаемой точке равновесия, чтобы можно было достичь определенного качества обслуживания (QoS) для сети. Для этого в адресное поле Frame Relay были включены специальные биты управления перегрузкой: FECN и BECN. Основная идея заключается в том, чтобы избежать накопления данных внутри сети.
FECN означает прямое явное уведомление о перегрузке. Бит FECN может быть установлен в 1, чтобы указать, что перегрузка произошла в направлении передачи кадра, поэтому он информирует получателя о том , что произошла перегрузка. BECN означает обратное явное уведомление о перегрузке. Бит BECN может быть установлен в 1, чтобы указать, что перегрузка произошла в сети в направлении, противоположном передаче кадра, поэтому он информирует отправителя о том, что произошла перегрузка.
Frame Relay начинался как урезанная версия протокола X.25, освобождая себя от бремени исправления ошибок, которое обычно ассоциируется с X.25. Когда Frame Relay обнаруживает ошибку, он просто отбрасывает проблемный пакет. Frame Relay использует концепцию общего доступа и полагается на технику, называемую «best-effort», при которой исправление ошибок практически не существует и практически нет гарантии надежной доставки данных. Frame Relay обеспечивает стандартную для отрасли инкапсуляцию, используя сильные стороны высокоскоростной технологии коммутации пакетов, способной обслуживать несколько виртуальных каналов и протоколов между подключенными устройствами, такими как два маршрутизатора.
Хотя Frame Relay стал очень популярен в Северной Америке, он никогда не был очень популярен в Европе. X.25 оставался основным стандартом до тех пор, пока широкая доступность IP не сделала коммутацию пакетов практически устаревшей. Иногда он использовался в качестве магистрали для других служб, таких как трафик X.25 или IP. В то время как в США Frame Relay использовался также в качестве носителя трафика TCP/IP, в Европе в качестве магистральных сетей IP часто использовались ATM или PoS , которые позже были заменены на Carrier Ethernet [3]
X.25 был важным ранним протоколом WAN и часто считается прародителем Frame Relay, поскольку многие из базовых протоколов и функций X.25 до сих пор используются Frame Relay (с обновлениями). [5]
X.25 обеспечивает качество обслуживания и доставку без ошибок, тогда как Frame Relay был разработан для максимально быстрой передачи данных по сетям с низким уровнем ошибок. Frame Relay устраняет ряд процедур и полей более высокого уровня, используемых в X.25. Frame Relay был разработан для использования на соединениях с коэффициентами ошибок, намного ниже, чем было доступно при разработке X.25.
X.25 подготавливает и отправляет пакеты, в то время как Frame Relay подготавливает и отправляет кадры. Пакеты X.25 содержат несколько полей, используемых для проверки ошибок и управления потоком , большинство из которых не используются Frame Relay. Кадры в Frame Relay содержат расширенное поле адреса канального уровня , которое позволяет узлам Frame Relay направлять кадры к месту назначения с минимальной обработкой. Устранение функций и полей по сравнению с X.25 позволяет Frame Relay передавать данные быстрее, но оставляет больше места для ошибок и больших задержек, если данные необходимо передать повторно.
Пакетные коммутируемые сети X.25 обычно выделяют фиксированную полосу пропускания через сеть для каждого доступа X.25, независимо от текущей нагрузки. Такой подход к распределению ресурсов, хотя и подходит для приложений, требующих гарантированного качества обслуживания, неэффективен для приложений, которые являются высокодинамичными по своим характеристикам нагрузки или которые выиграли бы от более динамического распределения ресурсов. Сети Frame Relay могут динамически выделять полосу пропускания как на физическом, так и на логическом уровне канала.
Как протокол WAN, Frame Relay чаще всего реализуется на уровне 2 ( канальном уровне ) семиуровневой модели взаимодействия открытых систем (OSI) . Существует два типа цепей: постоянные виртуальные цепи (PVC), которые используются для формирования логических сквозных соединений, отображаемых через физическую сеть, и коммутируемые виртуальные цепи (SVC). Последние аналогичны концепциям коммутации цепей телефонной сети общего пользования (PSTN), глобальной телефонной сети.
Первоначальные предложения по Frame Relay были представлены Консультативному комитету по международной телефонной и телеграфной связи ( CCITT ) в 1984 году. Отсутствие взаимодействия и стандартизации препятствовало любому значительному развертыванию Frame Relay до 1990 года, когда Cisco , Digital Equipment Corporation (DEC), Northern Telecom и StrataCom сформировали консорциум, чтобы сосредоточиться на его разработке. Они создали протокол, который предоставлял дополнительные возможности для сложных межсетевых сред. Эти расширения Frame Relay называются локальным интерфейсом управления (LMI).
Идентификаторы соединения Datalink ( DLCI ) — это числа, которые относятся к путям через сеть Frame Relay. Они имеют только локальное значение, что означает, что когда устройство A отправляет данные устройству B, оно, скорее всего, будет использовать другой DLCI, чем устройство B использовало бы для ответа. Несколько виртуальных каналов могут быть активны на одних и тех же физических конечных точках (это выполняется с помощью подынтерфейсов ).
Расширение глобальной адресации LMI придает значениям идентификатора соединения канала передачи данных Frame Relay (DLCI) глобальное, а не локальное значение. Значения DLCI становятся адресами DTE, которые являются уникальными в Frame Relay WAN. Расширение глобальной адресации добавляет функциональность и управляемость к объединенным сетям Frame Relay. Например, отдельные сетевые интерфейсы и конечные узлы, подключенные к ним, могут быть идентифицированы с помощью стандартных методов разрешения и обнаружения адресов. Кроме того, вся сеть Frame Relay представляется типичной локальной сетью для маршрутизаторов на ее периферии.
Сообщения о состоянии виртуального канала LMI обеспечивают связь и синхронизацию между устройствами Frame Relay DTE и DCE . Эти сообщения используются для периодического отчета о состоянии PVC, что предотвращает отправку данных в черные дыры (то есть через PVC, которые больше не существуют).
Расширение LMI multicasting позволяет назначать multicast-группы. Multicasting экономит полосу пропускания, позволяя отправлять обновления маршрутизации и сообщения о разрешении адресов только определенным группам маршрутизаторов. Расширение также передает отчеты о состоянии multicast-групп в сообщениях об обновлениях.
Соединения Frame Relay часто получают фиксированную скорость передачи данных (CIR) и допустимую пропускную способность , известную как расширенная скорость передачи данных (EIR). Провайдер гарантирует, что соединение всегда будет поддерживать скорость C, а иногда и скорость PRa, если будет достаточная пропускная способность. Кадры, отправленные сверх CIR, помечаются как допускающие отбрасывание (DE), что означает, что они могут быть отброшены, если в сети Frame Relay возникнет перегрузка. Кадры, отправленные сверх EIR, немедленно отбрасываются.
Frame Relay был нацелен на более эффективное использование существующих физических ресурсов, позволяя телекоммуникационным компаниям предоставлять своим клиентам избыточные услуги передачи данных, поскольку клиенты вряд ли будут использовать услуги передачи данных 45 процентов времени. В последние годы Frame Relay приобрел плохую репутацию на некоторых рынках из-за чрезмерного перебронирования полосы пропускания . [ необходима цитата ]
Телекоммуникационные компании часто продают Frame Relay компаниям, ищущим более дешевую альтернативу выделенным линиям ; его использование в различных географических зонах во многом зависело от политики правительства и телекоммуникационных компаний. Некоторые из первых компаний, производивших продукцию Frame Relay, включали StrataCom (позже приобретенную Cisco Systems ) и Cascade Communications (позже приобретенную Ascend Communications , а затем Lucent Technologies ).
По состоянию на июнь 2007 года AT&T была крупнейшим поставщиком услуг Frame Relay в США с локальными сетями в 22 штатах, а также национальными и международными сетями. [ необходима цитата ]
При мультиплексировании пакетных данных из разных виртуальных каналов или потоков часто возникают проблемы с качеством обслуживания . Это связано с тем, что кадр из одного виртуального канала может занимать линию достаточно долго, чтобы нарушить гарантию обслуживания, предоставленную другому виртуальному каналу. Фрагментация IP является методом решения этой проблемы. Входящий длинный пакет разбивается на последовательность более коротких пакетов, и добавляется достаточно информации для повторной сборки этого длинного кадра на дальнем конце. FRF.12 — это спецификация от Frame Relay Forum, которая определяет, как выполнять фрагментацию трафика Frame Relay, в первую очередь для голосового трафика. Спецификация FRF.12 описывает метод фрагментации кадров Frame Relay на более мелкие кадры. [6] [7] [8] [9] [10]