Лабораторна робота №8

Налаштування та дослідження протоколу Frame Relay

Мета: вивчити основи технології Frame Relay та отримати практичні навички у настроюванні мереж Frame Relay та усуненні в них несправностей в ОС Cisco IOS на прикладі пакету моделювання роботи КМ Packet Tracer.

Основні теоретичні відомості

ОСНОВИ FRAME RELAY

Протокол frame relay орієнтований на встановлення з’єднання. Віртуальне з’єднання - постійне або комутоване (PVC або SVC) - необхідно встановити перш, ніж два вузли зможуть обмінюватися один з одним інформацією. PVC - це постійне з’єднання між двома вузлами, і воно не може бути довільним чином розірвано. Навпаки, SVC забезпечує на вимогу комутований сервіс frame relay між двома вузлами. Призначення цих з’єднань полягає в розширенні області застосування frame relay на інші типи додатків, такі як голос, відео і захищені додатки Internet, крім інших. Проте в даний час SVC не набули широкого поширення, оскільки реалізувати їх складніше, ніж PVC.

Як наслідок, PVC є найбільш поширеним режимом зв′язку в мережі frame relay. Кожне з’єднання PVC, як і SVC, ідентифікується унікальним чином за допомогою ідентифікатора каналу передачі даних (Data-Link Control Identifier, DLCI). DLCI схожий з телефонним номером, за тим виключенням, що сфера його дії обмежується тільки локальною ділянкою мережі. Завдяки цьому різні маршрутизатори в мережі можуть повторно використовувати той же самий DLCI, що дозволяє мережі підтримувати більше число віртуальних каналів. Таблиці перехресних з’єднань (cross-connect tables), поширювані між всіма комутаторами frame relay в мережі, встановлюють відповідність між вхідними DLCI і витікаючими DLCI. З’єднання frame relay функціонують на канальному рівні (другий рівень моделі OSI). У мережі frame relay дані діляться на кадри змінної довжини (аналогічно пакетам в локальній мережі), що містять адресну інформацію. В порівнянні з своїм попередником, X.25, frame relay має значні переваги в продуктивності.

Під час розробки X.25 з’єднання в глобальних мережах створювалися здебільшого на основі менш надійної аналогової технології. Тому, щоб пакети прибували до одержувача без помилок і по порядку, X.25 вимагає від кожного проміжного вузла між відправником і одержувачем підтвердження цілісності пакету і виправлення будь-якої виявленої помилки. Зв′язок з проміжним зберіганням уповільнює передачу пакетів, адже кожен вузол перевіряє контрольну послідовність (Frame Check Sequence, FCS) кожного пакету, що поступає, і тільки тоді передає його далі. З появою високонадійних цифрових каналів така перевірка стала зайвою. Тому frame relay, використання якого подразумеваєт наявність цифрової інфраструктури, не займається пошуком і корекцією помилок. Комутатори frame relay використовують технологію крізної комутації, при якій кожен пакет прямує на наступний транзитний вузол відразу ж після прочитання адресної інформації.

Якщо трапляється яка-небудь помилка, комутатори frame relay отбраковивают кадри, а не намагаються їх відновити. Відновлення здійснюється устаткуванням кінцевого користувача. Коли проміжне устаткування позбавлене від необхідності виявлення і виправлення помилок, накладні витрати по обробці з розрахунку на кадр знижуються, що, у свою чергу, підвищує пропускну спроможність.

Крім того, frame relay не використовує процедур управління потоками, що теж є одним з чинників, що визначають його вищу продуктивність. Управління потоком - це процедура управління швидкістю, з якою маршрутизатор подає пакети на комутатор. Якщо приймаючий комутатор не в змозі прийняти ще які-небудь пакети (наприклад, із-за перевантаження), то він може звернутися до маршрутизатора з проханням припинити відправку пакетів. Коли затор розчиститься, комутатор повідомить маршрутизатор, що можна відновити передачу даних. Цей процес гарантує, що приймаючому комутатору не треба буде самому отбраковивать дані.

Frame relay не регулює цей процес; якщо у комутатора frame relay немає достатнього буферного простору для прийому кадрів, що поступають, то він їх отбраковиваєт. Проте маршрутизатор може ініціалізувати процедуру відновлення даних. Зважаючи на відсутність в frame relay управління потоком користувачі можуть відправляти в мережу стільки даних, скільки їм необхідно.

Такого роду “вільна для всіх” смуга має значні переваги в продуктивності при пакетній передачі даних. Проте вона може стати і недоліком, якщо, скажімо, безліч користувачів направлять в мережу дані одночасно. Щоб уникнути таких ситуацій була розроблена концепція узгодженої швидкості передачі інформації (Committed Information Rate, CIR). CIR - мінімальна пропускна спроможність, гарантована кожному PVC або SVC. Ця швидкість (у бітах в секунду) вибирається абонентом відповідно до об’єму даних, які він збирається передавати по мережі, і гарантується вона оператором frame relay. Швидкість може варіюватися від 16 Кбит/с до 44,8 Мбит/с.

Якщо пакетні посилки не перевершують швидкість порту підключення абонента і пропускна спроможність мережі frame relay в даний момент вільна, то абонент може перевищити узгоджене значення CIR. Швидкість, з якою абонент посилає дані за наявності достатньої пропускної спроможності, називається oversubscription rate.

Коли система frame relay із-за перевантаженості мережі не може обробити всі кадри, вона відкидає надмірні. Поле дозволу на отбраковку (Discard Eligibility, DE) в кадрі frame relay дозволяє регулювати цей процес. Для кожного кадру, що пересилається по мережі, комутатор frame relay інвертує біт поля DE, якщо даний кадр перевищує специфікацію CIR абонента. Поки є достатня пропускна спроможність комутатор передає ці пакети. Проте у разі затору вони можуть бути отбраковани подальшими комутаторами. Про зв′язок між DE і управлінням потоком ми розповімо декілька пізніше.

Тепер, коли ми розглянули базові концепції frame relay, давайте обговоримо детальніше, чому ця технологія у багатьох відношеннях ідеально підходить для доставки клієнт-серверного трафіку по глобальній мережі. Ідеальна технологія для магістралі глобальної мережі повинна відповідати трьом основним вимогам клієнт-серверних платформ: надійність, доступність і зручність експлуатації.

Надійність.

Здійснення з’єднання по глобальній мережі пов′язане з деякою невизначеністю, тому що ви не володієте цією мережею і, таким чином, не маєте контролю над трактами. У подібних ситуаціях з’єднання по глобальній мережі повинне бути надзвичайне відмовостійко. Frame relay відповідає цій вимозі завдяки забезпеченню динамічної ремаршрутізациі у разі відмови PVC. Фізично мережі frame relay утворюють комірчасту структуру комутаторів. Одна з переваг такої комірчастої конфігурації полягає в тому, що вона забезпечує певний ступінь відмовостійкості. Якщо із-за виходу з ладу якого-небудь вузла PVC стає недоступним, то сусідній комутатор перенаправить з’єднання по альтернативному інформаційному каналу. В результаті характеристики передачі лише декілька погіршають. Крім того, завдяки такій комірчастій конфігурації комутатори можуть направляти кадри в обхід інших комутаторів, якщо ті випробовують значне перевантаження. Для захисту від збоїв на рівні вузла операторів frame relay пропонують дві опції: запасні і резервні PVC.

У разі запасного з’єднання (standby PVC) PVC встановлюється і активізується в запасному вузлі; цей канал має істотно меншу швидкість CIR, чим основне PVC. Якщо раптом вузол постраждає від землетрусу або пожежі, то запасне PVC буде активізоване практично негайно. У разі резервного з’єднання (backup PVC) PVC встановлюється на запасному майданчику, але не активізується.

Якщо функціонування основного вузла неможливе, PVC буде активізоване.

Запасне PVC підходить для найважливіших додатків завдяки тому, що його місткість може бути тимчасово збільшена для надання вищій пропускній спроможності; адміністраторові мережі досить тільки подзвонити операторові, і він надасть цю додаткову пропускну спроможність до тих пір, поки основний канал не буде відновлений. Підхід frame relay до захисту від збоїв гнучкіший і менш дорогостоящ, ніж у TDM. У разі TDM ви повинні будете мати декілька запасних виділених ліній. Така конфігурація і дорога, і складна. Після аварій адміністраторові доведеться конфігурувати все устаткування, зокрема маршрутизатори і CSU/DSU, в приміщенні замовника.

Доступність.

З’єднання по глобальній мережі повинне мати ті ж характеристики, що і локальна мережа, тобто воно повинне підтримувати пакетний трафік. Frame relay цілком відповідає цій вимозі доступності. Незалежно від того, які протоколи використовуються - TCP/IP, IPX/SPX або DECnet, всі мережі володіють двома фундаментальними характеристиками: трафік має пакетний характер, а всі пакети - змінну довжину.

Неважко уявити, що технологія глобальної мережі, що відповідає тим же характеристикам, матиме перевагу. Як згадувалося раніше, PVC допускають передачу трафіку понад узгоджений, якщо мережа frame relay здатна надати необхідну пропускну спроможність. Тому у разі клієнт-серверних додатків frame relay має переваги в продуктивності, оскільки може обслуговувати пакетні посилки даних. Клієнт-серверним додаткам необхідна, як правило, значна пропускна спроможність на короткі проміжки часу. Така особливість frame relay обіцяє економічну вигоду, оскільки абоненти можуть зайняти додаткову смугу за умови, що мережа здатна її надати.

Звичайно, якщо кадри перевершують узгоджену швидкість передачі, то комутатор frame relay виставляє прапор з дозволом на їх отбраковку, так що будь-який комутатор у разі затору мережі може їх видалити.

Якщо пакети загубилися при передачі, то приймаючий маршрутизатор, отримавши, скажімо, з 500 пакетів тільки 355, пошле повідомлення до відправляючого маршрутизатора про те, що він повинен відправити наново всю послідовність пакетів. Цей процес збільшує як час відгуку, так і споживання пропускної спроможності мережі.

Frame relay дозволяє передавати кадри розміром до 4096 байт, а це досить для пакетів Ethernet і Token Ring, максимальна довжина яких складає 1500 і 4096 байт відповідно. Завдяки цьому пакети не треба ділити на дрібніші шматки при передачі, а отже, frame relay не передбачає накладних витрат на сегментацію і збірку.

Зручність.

З’єднання по глобальній мережі повинне підтримувати різні швидкості передачі витікаючого трафіку, що входить. З огляду на те, що вхідний трафік до сервера, як правило, менше витікаючого трафіку до клієнта, глобальна мережа повинна підтримувати асиметричний режим роботи. Крім того, для забезпечення необхідного управління потоком технологія глобальної мережі повинна підтримувати TCP/IP на верхніх рівнях моделі OSI. Frame relay відповідає цим вимогам, оскільки надає асиметричні PVC і добре працює з TCP/IP. TCP/IP є стандартом де факто для мереж на базі клієнт-серверной архітектура.

З огляду на те, що цей протокол створювався з нуля спеціально для роботи в глобальних мережах, він сумісний з frame relay і, зокрема, здійснює управління потоками, яке, як уже згадувалося, frame relay не забезпечує. Нагадаємо, що frame relay призначений для роботи по цифрових лініях з дуже малим числом помилок.

Таким чином, він не здійснює перевірки на наявність помилок на кожному транзитному вузлі - така перевірка просто необхідна в мережах з комутацією пакетів по протоколу X.25, оскільки зазвичай вони базуються на менш надійних аналогових лініях. Це дозволяє скоротити накладні витрати по обробці кожного кадру і, як наслідок, підвищити пропускну спроможність мережі.

Проте перевага в швидкості має і оборотну сторону: коли комутатор frame relay унаслідок перевантаження мережі відкидає пакети з виставленим прапором DE, маршрутизатор по закінчення терміну очікування підтвердження отримання пакету з даним порядковим номером посилає кадр наново, що веде ще до більшого затору в мережі. На щастя, деяка міра управління потоками забезпечується TCP/IP і бітами явного сповіщення про перевантаження в прямому і зворотному напрямах (Forward Explicit Congestion Notification, FECN, і Backward Explicit Congestion Notification, BECN), причому останні є особливостями frame relay. Інформаційні біти FECN і BECN виставляються під час передачі кадру. Ці два біта використовуються для сповіщення відправника або одержувача про те, що на своєму шляху пакет пройшов через затор трафіку. Маршрутизатори з інтерфейсами frame relay можуть для запобігання перевантаженню мережі і втрати пакетів розшифрувати значення цих бітів і активізувати управління потоком на базі TCP/IP. Наприклад, маршрутизатор-одержувач має можливість уповільнити маршрутизатор-відправник за допомогою скидання свого вікна прийому до 0. Активізація цієї опції вельми ефективна, оскільки вона забороняє відправникові передавати які-небудь дані. Другий варіант управління потоком полягає в регулюванні таймера повторної передачі.

В цьому випадку, після того, як відправник не отримав підтвердження від одержувача кілька разів, значення таймера збільшується. Завдяки цьому відправник стримуватиметься від затоплення даними і без того переповненої мережі, так що мережа отримує передих для передачі відкладеного трафіку. Коли затор розчиститься, відправник поверне назад колишнє значення таймера. Можливо, одним з найпривабливіших аспектів frame relay є підтримка асиметричних PVC, що забезпечують різні швидкості передачі даних для вхідного і витікаючого трафіку.

У більшості клієнт-серверних конфігурацій (будь то додатки баз даних на базі SQL або додатки Internet/Intranet на базі Web) передбачається, що сервер взаємодіє з клієнтськими додатками по високошвидкісній мережі.

Зазвичай в рамках обміну повідомленнями типу запит/відповідь клієнт посилає різні невеликі пропозиції SQL або URL, а сервер відправляє у відповідь або декілька рядків з бази даних, або великий документ HTML. Іншими словами, картина входящего/исходящего трафіку для цих двох типів додатків асиметрична. Frame relay цілком відповідає цим вимогам. Сервери в головному офісі мають витікаючий CIR, в два рази що перевершує по місткості вхідні CIR з регіональних офісів. Така конфігурація забезпечує різні швидкості передачі даних для вхідного і витікаючого трафіку. Взагалі кажучи, frame relay є повнодуплексною технологією, тобто потоки даних двунаправленни.

Проте, коли йдеться про визначення CIR для PVC, то його можна задавати для кожного напряму окремо. Така конфігурація дозволяє визначити необхідну пропускну спроможність для приєднаних вузлів до серверів в центрі обробки даних.

Розуміння потреб додатків і призначених для користувача профілів допоможе визначити, як багато PVC вам необхідно і які повинні бути для них значення CIR. Сімплексний асиметричний підхід до PVC дає проектувальникам мереж більший контроль за швидкістю передачі даних і ціною. Уявіть собі, що вам необхідно зв′язати два вузли, скажемо А і Б. Згідно розрахункам вузлу А необхідний канал на 128 Кбит/с, тоді як вузлу Б - на 512 Кбит/с. Обидва вузли можуть передавати дані одночасно, використовуючи ту смугу, яка їм для цього необхідна. Для задоволення цим вимогам за допомогою виділених ліній, ви повинні будете орендувати неповну лінію T-1 на 640 Кбит/с, щоб клієнти і сервери могли взаємодіяти один з одним.

Іншими словами, необхідну місткість треба подвоїти, причому вона не буде потрібна вам весь час. У разі frame relay ви повинні будете надати PVC з витікаючим CIR на 128 Кбит/с для вузла А і PVC з витікаючим CIR на 512 Кбит/с для вузла А. Как легко зрозуміти, в такій ситуації frame relay набагато економічніший. Інша зручність frame relay в тому, що в управлінні він набагато простіше виділених каналів.

Наприклад, у разі центру обробки даних з серверами різні вхідні з’єднання можуть бути організовані через один абонентський шлейф і підведені до одного DSU/CSU. У разі TDM ви повинні будете мати окремі лінії доступу і CSU/DSU. До безперечних достоїнств frame relay відносяться також простота і гнучкість конфігурації. Збільшити CIR не складніше, ніж подзвонити операторові, який після цього конфігурує з’єднання програмним чином для роботи на вищій швидкості. Ніякого додаткового устаткування при переході на вищу швидкість не потрібне, якщо тільки вона не перевершує швидкість порту встановленого у вас устаткування.