Архитектура сети Frame Relay

Frame Relay как глобальная сеть обеспечивает передачу потоков данных на основе коммутации пакетов между локальными сетями. Сеть, обеспечивающая интерфейс Frame Relay может быть публичной (поддерживается национальными или региональными операторами) или частной (оборудование принадлежит и обслуживается одной или несколькими компаниями).

Сеть FR состоит из коммутаторов (switches) FR, объединенных цифровой средой передачи. Конечное оборудование, к примеру, маршрутизаторы, связываются через FR сеть в одном или нескольких направлениях. В стандартной терминологии, коммутаторы FR принадлежат к классу устройств DCE (Data Communications Equipment), а конечное оборудование пользователя — к классу DTE (Data Terminal Equipment).

Физически сети FR образуют ячеистую структуру коммутаторов. Общая топология сети приведена на рис. 14.1.

Коммутатор FR читает адреса приходящих кадров и маршрутизирует их в соответствующем направлении.

Пользователь выходит в сеть Frame Relay с помощью специального оборудования доступа в сеть Frame Relay – устройства доступа к сетям frame relay - FRAD (Frame Relay Access Devices). Эти устройства представляют собой специализированные маршрутизаторы с интерфейсом глобальной сети Frame Relay. При передаче данных через глобальную сеть маршрутизаторы работают точно так же, как и при соединении локальных сетей - если они принимают решение о передаче пакета через глобальную сеть, то упаковывают пакеты принятого в локальных сетях сетевого протокола (например, IP) в кадры канального уровня глобальной сети (frame relay) и отправляют их в соответствии с интерфейсом UNI ближайшему коммутатору глобальной сети. Каждый пользовательский интерфейс с глобальной сетью имеет свой собственный адрес в формате, принятом для технологии этой сети. В соответствии с этим адресом коммутаторы глобальной сети передают свои кадры друг другу, пока кадр не дойдет до абонента-получателя. При получении кадра маршрутизатор абонента извлекает из него сетевой пакет и передает его по локальной сети уже в соответствии с ее канальным протоколом.

Рисунок 14.1 - Общая структура сети FR

FR позволяет передавать кадры размером до 4096 байт, а этого достаточно для пакетов Ethernet, максимальная длина которых составляет 1500 байт. Благодаря этому FR не предусматривает накладные расходы на сегментацию и сборку.

В магистральных каналах сети Frame Relay используются волоконно-оптические кабели, а в каналах доступа может применяться высококачественная витая пара.

Основные интерфейсы. Стандартами предусмотрено два типа интерфейсов в сети Frame Relay: это интерфейс "пользователь-сеть" (UNI) и интерфейс "узел-узел" (NNI).

Оборудование доступа позволяет согласовать протоколы и интерфейсы локальных сетей с протоколами и интерфейсами сети Frame Relay. Интерфейс взаимодействия пользователей с сетью - User Network Interface, UNI строго описан и стандартизован. Это необходимо для того, чтобы пользователи могли без проблем подключаться к сети с помощью коммуникационного оборудования любого производителя, который соблюдает стандарт UNI.

Поскольку протокол Frame Relay охватывает только канальный уровень, каждый интерфейс обеспечивает передачу логических сигналов между соседними устройствами. Так, интерфейс UNI обеспечивает передачу данных от ближайшего узла сети пользователю и от пользователя ближайшему узлу сети. Адресация в сети возможна только на канальном уровне по номеру идентификатора канала передачи данных (Data Link Connection Identifier - DLCI). Отсутствие сквозной адресации в сети при­водит к тому, что DLCI передачи и приема могут быть различными.

Аналогично NNI обеспечивает взаимодействие только между соседними сетями. NNI определяется для соединений PVC. На рис. 14.2 показано соединение PVC, образованное тремя сегментами PVC через три сети Frame Relay.

Рисунок 14.2 - Соединение PVC, образованное тремя сегментами PVC через три сети Frame Relay

Виртуальные каналы

Техника виртуальных каналов, используемая во всех территориальных сетях с коммутацией пакетов, кроме TCP/IP, состоит в следующем.

Прежде чем пакет будет передан через сеть, необходимо установить виртуальное соединение между абонентами сети - терминалами, маршрутизаторами или компьютерами. Для передачи данных от отправителя к получателю в сети Frame Relay создаются виртуальные каналы, VC (англ. Virtual Circuit), которые бывают двух видов:

· постоянный виртуальный канал, PVC (Permanent Virtual Circuit), который создаётся между двумя точками и существует в течение длительного времени, даже в отсутствие данных для передачи; PVC создается заранее, коммутаторы настраиваюся заранее администратором сети

· коммутируемый виртуальный канал, SVC (Switched Virtual Circuit), который создаётся между двумя точками непосредственно перед передачей данных и разрывается после окончания сеанса связи. Создается по инициативе конечного узла с помощью автоматической процедуры

ВК могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными.

При создании коммутируемого виртуального канала коммутаторы сети настраиваются на передачу пакетов динамически, по запросу абонента, а создание постоянного виртуального канала происходит заранее, причем коммутаторы настраиваются вручную администратором сети, возможно, с привлечением централизованной системы управления сетью.

Процедура установления коммутируемого виртуального канала подобна процедуре установления соединения в телефонных сетях. При этом создание коммутируемого виртуального канала требует наличия в коммутаторах таблиц маршрутизации – неважно, как они построены: вручную или автоматически с помощью какого-либо протокола. В сетях Frame Relay протокол составления таблиц маршрутизации также не определен; может использоваться любой фирменный протокол производителя оборудования, либо таблицы составляются вручную.

Смысл создания виртуального канала состоит в том, что маршрутизация пакетов между коммутаторами сети на основании таблиц маршрутизации происходит только один раз - при создании виртуального канала (имеется в виду создание коммутируемого виртуального канала, поскольку создание постоянного виртуального канала осуществляется вручную и не требует передачи пакетов по сети). После создания виртуального канала передача пакетов коммутаторами происходит на основании так называемых идентификаторов виртуальных каналов (Virtual Channel Identifier, VCI) или идентификаторов канала передачи данных (Data Link Connection Identifier, DLCI). Каждому виртуальному каналу присваивается значение DLCI на этапе создания виртуального канала, причем это значение имеет не глобальный характер, как адрес абонента, а локальный - каждый коммутатор самостоятельно нумерует новый виртуальный канал. Кроме нумерации виртуального канала, каждый коммутатор при создании этого канала автоматически настраивает так называемые таблицы коммутации портов - эти таблицы описывают, на какой порт нужно передать пришедший пакет, если он имеет определенный номер DLCI. Так что после прокладки виртуального канала через сеть коммутаторы больше не используют для пакетов этого соединения таблицу маршрутизации, а продвигают пакеты на основании номеров DLCI небольшой разрядности. Сами таблицы коммутации портов также включают обычно меньше записей, чем таблицы маршрутизации, так как хранят данные только о действующих на данный момент соединениях, проходящих через данный порт.

Работа сети по маршрутизации пакетов ускоряется за счет двух факторов. Первый состоит в том, что решение о продвижении пакета принимается быстрее из-за меньшего размера таблицы коммутации. Вторым фактором является уменьшение доли служебной информации в пакетах. Адреса конечных узлов в глобальных сетях обычно имеют достаточно большую длину - 14-15 десятичных цифр, которые занимают до 8 байт в служебном поле пакета. Номер же виртуального канала обычно занимает 10-12 бит, так что накладные расходы на адресную часть существенно сокращаются, а значит, полезная скорость передачи данных возрастает.

Режим продвижения пакетов на основе готовой таблицы коммутации портов обычно называют не маршрутизацией, а коммутацией и относят не к третьему, а ко второму (канальному) уровню стека протоколов.

При установлении соединения между конечными узлами используется специальный тип пакета «запрос на установление соединения» который содержит длинный адрес узла адресата, а также номер виртуального соединения, присвоенного данному виртуальному соединению в узле отправителе, например, 15 (рис. 14.3). Узел-инициатор посылает запрос на установление соединения с узлом назначения, содержащий адрес назначения и начальный идентификатор канала. Запрос посылается коммутатору, выбранному узлом-инициатором на основе собственной таблицы маршрутизации. Адрес назначения используется для маршрутизации пакета на основании таблиц маршрутизации. В приведенном примере оказалось необходимым передать пакет с порта 1 на порт 0. Одновременно с передачей пакета маршрутизатор изменяет у пакета номер виртуального соединения он присваивает пакету первый неиспользованный номер виртуального канала для данного коммутатора. Каждый конечный узел и каждый коммутатор ведет свой список использованных и свободных номеров виртуальных соединений. По мере продвижения запроса каждый коммутатор присваивает каналу свой собственный (локальный) идентификатор и отражает всю информацию о канале в своей таблице коммутации. В таблице коммутации входного порта маршрутизатор отмечает, что в дальнейшем пакеты, прибывшие на этот порт с номером 15, должны передаваться на порт 0, причем номер виртуального канала должен быть изменен на 10, Одновременно делается и соответствующая запись в таблице коммутации порта 0 пакеты с номером 10 нужно передавать на порт с номером 1, меняя номер виртуального канала на 15.

Рисунок 14.3 - Коммутация в сетях с виртуальными соединениями.

Далее, на основании таблиц коммутации, будут передаваться пользовательские данные.

Для коммутатора (рис. 3) определены следующие таблицы маршрутизации и коммутации:

Таблица маршрутизации

Таблица коммутации порта 0

Таблица коммутации порта 1

Таблица коммутации порта 2

По существу, техника виртуальных каналов позволяет реализовать два режима продвижения пакетов - стандартный режим маршрутизации пакета на основании адреса назначения и режим коммутации пакетов на основании номера виртуального канала. Эти режимы применяются поэтапно, причем первый этап состоит в маршрутизации всего одного пакета - запроса на установление соединения.

Таким образом, DLCI адресует логическое соединение, мультиплексируемое в физический канал. В базовом варианте Frame Relay (без расширения LMI) значение DLCI имеет локальный смысл, т.е. два устройства на разных концах одного соединения могут использовать разные значения DLCI для общего виртуального канала. На рис. 14.4 показано использование DLCI при стандартной адресации Frame Relay.