Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Телекоммуникации и сети

Рис. 4.8. Форматы блоков данных физического уровня ISDN:

а - NT-кадр (из сети в терминал); б- ТЕ-кадр (из терминала в сеть), F - бит кадра, L- бит DC балансировки, Е - бит эхо D-канала (эхо гредьщущего D-6irra), D - D-канал (4 бит х 4000 fps = 16 Kbps), А ~ бит активации, S - резерв, В1 - биты В в канале 1, В2 - биты В в канале 2

Уровень 2 ISDN. Данный уровень обеспечивается процедурой доступа к каналу связи, реализованной в виде протокола обмена сигналами ISDN к D- каналу (Link Access Procedure, D-channel), известной также как LAPD. Проце­ дура LAPD аналогична процедуре управления каналом передачи данных высо­ кого уровня (HDLC) и процедуре доступа к каналу связи, сбалансированной (LAPB). Процедуру LAPD используют в D-канале для обеспечения передачи и приема потока данных и соответствующей управляющей и сигнализирующей информации. Формат блока данных LAPD (рис.4.9) очень похож на формат HDLC. В нем так же, как в HDLC, использован супервизорный, информацион­ ный и ненумерованный блоки данных. Протокол LAPD формально определен в спецификациях CCITT Q.920 и CCITT Q.92L

Ч

SAPI СЖ EA ТЫ EA

Рис. 4.9. Формат блока данных LAPD

270

4.3. Технология Frame relay

Поля Flag и Control LAPD идентичны таким полям в HDLC. Длина поля Address LAPD может составлять 1 или 2 байт. Если в первом байте задан бит расширенного адреса (ЕА), то адрес состоит из одного байта; если он не задан, то адрес состоит из двух байтов. Первый байт адресного поля содержит иден­ тификатор точки доступа к услугам (SAPI - Servise Access Point Identifier), определяющий главный вход, в котором услуги LAPD предоставляются Уров­ ню 3. Бит C/R указьшает, содержит ли блок данных команду или ответный сигнал. Поле идентификатора конечной точки терминала (TEI - Terminal Endpoint Identifier) указывает, является ли терминал единственным или их много. Этот идентификатор единственный из перечисленных выше, который указыва­ ет на широковещание.

Уровень 3 ISDN. Для передачи сигналов ISDN используют две специфика­ ции Уровня 3: CCITT 1.450 (известная также как CCITT Q.930) и CCITT 1.451 (известная также как CCITT Q.931). Вместе оба протокола обеспечивают три типа соединеш1я:

•пользователь - пользователь;

•с коммутацией каналов;

•с коммутацией пакетов.

В протоколах ССПТ 1.450 и 1.451 определены разнообразные сообщеьшя по организации и завершению обращения, информационные и смешанные сооб­ щения, в том числе SETUP (УСТАНОВКА), CONNECT (ПОДКЛЮЧАТЬ), RELEASE (ОТКЛЮЧЕНИЕ), USER INFORMATION (ИНФОРМАЦИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ), CANCEL (ОТМЕНА), STATUS (СОСТОЯНИЕ) и DISCONNECT (РАЗЪЕДИНЯТЬ). Эти сообщения функционально схожи с со­ общениями, которые обеспечивает протокол Х.25.

4.3. Технология Frame relay

Сети Frame relay - сравнительно новые сети, которые более удобны для передачи пульсирующего трафика локальных сетей по сравнению с сетями Х.25, правда это преимущество проявляется лишь тогда, когда каналы связи прибли­ жаются по качеству к каналам локальных сетей, а для глобальных каналов такое качество обычно достижимо только при использовании волоконно-опти­ ческих кабелей. Преимущество сетей Frame relay заключено в их низкой про­ токольной избыточности и дейтаграммном режиме работы, что обеспечивает высокую пропускную способность и небольшие задержки кадров. Надежную передачу кадров технология Frame relay не обеспечивает. Сети Frame relay специально разрабатывались как общественные сети для соединения частных локальных сетей. Они обеспечивают скорость передачи данных до 2 Мбит/с.

Особенностью технологии Frame relay является гарантироваьшая поддержка основных показателей качества транспортного обслуживания локальных сетей - средней скорости передачи данных по виртуальному каналу при допу­ стимых пульсациях трафика. Кроме технологии Frame relay гарантии качества обслуживания на сегодня может предоставить только технология ATM, в то

271

4. Технологии глобальных сетей

Время как остальные технологии предоставляют требуемое качество обслу­ живания на сегодня только в режиме «с максимальными усилиями» (best effort), X е. без гарантий.

Стандарты Frame relay так же, как и Х.25, определяют два типа виртуаль­ ных каналов: постоянные (PVC) и коммутируемые (SVC). Однако производи­ тели оборудования Frame relay и поставщики услуг сетей Frame relay начали с поддержки только постоянных виртуальных каналов. Это, естественно, явля­ ется большим упрощением технологии. В последние годы разработано обору­ дование, поддерживающее коммутируемые виртуальные каналы, и соответ­ ственно появились поставщики, предлагающие такую услугу.

Стек протоколов Frame relay

Технология Frame relay использует для передачи данных пришщп виртуаль­ ных соединений, аналогичный применяемому в сетях Х.25. Отличие заключа­ ется в том, что стек протоколов Frame relay передает кадры (при установлен­ ном виртуальном соединении) по протоколам только физического и канального уровней, в то время как в сетях Х.25 и после установления соединения пользо­ вательские данные передаются протоколом сетевого уровня. Кроме того, про­ токол канального уровня LAP-F в сетях Frame relay имеет два режима работы: основной (core) и управляющий (control). В основном режиме кадры переда­ ются без преобразоваршя и контроля, как и в коммутаторах локальных сетей. За счет этого в сетях Frame relay высокая производительность, так как кадры в коммутаторах не подвергают преобразованию, а сеть не передает квиташщи подтверждения между коммутаторами на каждый пользовательский кадр, как это происходит в сети Х.25. Пульсации трафика передаются сетью Frame relay достаточно быстро и без больших задержек. При таком подходе накладные расходы при передаче пакетов локальных сетей меньше, так как они вклады­ ваются сразу в кадры канального уровня, а не в пакеты сетевого уровня, как это происходит в сетях Х.25.

Структура стека протоколов Frame relay представлена на рис.4.10. Как ви­ дим из рисунка сети Frame relay заимствуют многое из стека протоколов ISDN. Основу технологии Frame relay составляет протокол LAP-F core, который пред­ ставляет собой упрощенную версию протокола LAPD. Протокол LAP-F (стан­ дарт Q.922 ITU-T) работает на любьпс каналах сети ISDN, а также на каналах типа Т1/Е1. Терминальное оборудование посьшает в сеть кадры LAP-F в лю­ бой момент времени, считая, что виртуальный канал в сети коммутаторов уже проложен. При использовании PVC оборудованию Frame relay нужно поддер­ живать только протокол LAP-F core.

Протокол LAP-F control является необязательной надстройкой над LAP-F core, которая выполняет функщш контроля доставки кадров и управления пото­ ком.

272

Рис. 4.10. Стек протоколов Frame relay

Для установки коммутируемых виртуальных каналов используется канал D пользовательского интерфейса с протоколом LAPD, который обеспечивает на­ дежную передачу кадров в сетях ISDN. Поверх этого протокола работает про­ токол Q.931 или протокол Q.933 (упрощение и модификация протокола Q.931 ISDN), устанавливающий виртуальное соединение на основе адресов конеч­ ных абонентов (в стандарте Е. 164 или ISO 7498), а также номера виртуального соединения, который в технологии Frame relay назьюают DLCI - Data Link Connection Identifier.

После того как коммутируемый виртуальный канал в сети Frame relay уста­ новлен посредством протоколов LAPD и Q.931/933, кадры можно транслиро­ вать по протоколу LAP-F. Этот протокол коммутирует их с помощью таблиц коммутащш портов, в которых использованы локальные значения DLCI. Про­ токол LAP-F core вьшолняет не все функщш канального уровня по сравнению с протоколом LAPD, поэтому ITU-T изображает его на пол-уровня ниже, чем протокол LAPD, оставляя место для функщш надежной передачи пакетов про­ токолу LAP-F control.

Из-за того, что технология Frame relay ограничена канальным уровнем, она хорошо согласуется с идеей инкапсулящш пакетов единого сетевого протокола, например IP, в кадры канального уровня любых сетей, составляющих интерсеть. Процедуры взаимодействия протоколов сетевого уровня с технологией Frame relay стандартизованы. Принята спецификация RFC 1490, определяю­ щая методы инкапсуляции в трафик Frame relay графика сетевых протоколов и протоколов канального уровня локальных сетей и SNA.

Особенностью технологии Frame relay является отказ от коррекции обнару­ женных в кадрах искажений. Протокол Frame relay подразумевает, что конеч­ ные узлы будут обнаруживать и корректировать ошибки за счет работы прото­ колов транспортного или более высоких уровней. Это требует некоторой степени интеллектуальности от конечного оборудования. В современных локальных се­ тях данное требование, как правило, вьшолняется. В этом отношении техноло-

273

4. Технологии глобальных сетей

гия Frame relay близка к технологиям локальных сетей, таким как Ethernet, Token Ring и FDDI, которые тоже только отбрасьшают искаженные кадры и повторно их не передают.

Структура кадра протокола LAP-F

Структура кадра протокола LAP-F приведена на рис. 4.11. За основу струк­ туры взят формат кадра HDLC, но в поле адреса существенно изменен фор­ мат, а поле управления отсутствует.

Поле номера виртуального соединения (DLCI) состоит из 10 бит, что позво­ ляет использовать до 1024 виртуальных соединений. Поле DLCI может зани­ мать и большее число разрядов, этим управляют признаки ЕАО и ЕА1 (Extended Address - расширенный адрес). Если бит в этом признаке установлен в «О», то признак называется ЕАО и означает, что в следующем байте имеется продол­ жение поля адреса, а если бит признака равен «1», то поле называется ЕА1 и оно определяет окончание поля адреса.

Десятиразрядный формат DLCI является основным, но при использовании 3 байт для адресации поле DLCI имеет длину 16 бит, а при использовании 4 байт - 23 бит.

Стандарты Frame relay (ANSI, ITU-T) распределяют адреса DLCI между пользователями и сетью следующим образом:

•О - используется для виртуального канала локального управления (LMI);

•1-15 - зарезервированы для дальнейшего применения;

•16-991 - используют абоненты для нумерации PVC и SVC;

•992-1007 - использует сетевая транспортная служба для внутрисетевых соединений;

•1008-1022 - зарезервированы для дальнейшего применения;

•1023 - используют для управления канальным уровнем.

Таким образом, в любом интерфейсе Frame relay для оконечных устройств пользователя отводится 976 адресов DLCI. Поле данных может иметь размер до 4056 байт.

Поле C/R имеет обьР1Ный для протокола семейства HDLC смысл - признак «команда-ответ». Протоколом это поле не используется и передается по сети прозрачно.

Рис 4.11. Формат кадра LAP-F

274

4.3. Технология Frame relay

Поля FECN, BECN и DE используются протоколом для управлением трафи­ ком и поддержания заданного качества обслуживания виртуального канала. FECN - информирует узел назначения о заторе, BECN - информирует узелисточник о заторе, DE - идентифицирует кадры, которые могут бьггь сброше­ ны в случае затора.

Качество обслуживания

Для каждого виртуального соединения определено несколько параметров, влияющих на качество обслуживания:

•CIR (Committed Information Rate) - согласованная информационная ско­ рость, с которой сеть будет передавать данные пользователя;

•В^ (Committed Burst Size) - согласованный объем пульсации, т. е. макси­ мальное количество байтов, которое сеть будет передавать от пользователя за интервал времени Г;

•В^ (Excess Burst Size) - дополнительный объем пульсации, т. е. макси­ мальное количество байтов, которое сеть будет пытаться передать сверх ус­ тановленного значения В^ за интервал времени Г.

Если эти величины известны, то время можно вычислить по формуле:

Т^В /CIR.

с

Можно задать значения CIR и Г, тогда производной величиной станет вели­ чина всплеска трафика В^, Реакция сети на поведение пользователя приведена на рис. 4.12.

Гарантий по задержкам передачи кадров технология Frame relay не дает, оставляя эту услугу сетям ATM.

t, с

Рис. 4.12. Реакция сети на поведение пользователя: R - скорость канала доступа;У]-^ - кадры

275

4. Технологии глобальных сетей

Основным параметром, по которому абонент и сеть заключают соглашение при установлении виртуального соединения, является согласованная скорость передачи данных. Для постоянных виртуальных каналов это соглашение опре­ деляется контрактом на пользование услугами сети. При установлении комму­ тируемого виртуального канала соглашение о качестве обслуживания заклю­ чается автоматически с помощью протокола Q.931/933. Требуемые параметры CIR, В^ и В^ передаются в пакете запроса на установление соединения.

Так как скорость передачи данных измеряют на каком-то интервале време­ ни, то интервал Г и является тем контрольным интервалом, на котором прове­ ряют 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», т. е. как кадр, подлежащий удалению. Однако кадры, отмеченные таким при­ знаком, удаляются из сети только в том случае, если коммутаторы сети испы­ тывают перегрузки. Если же перегрузок нет, то кадры с признаком DE = 1 доставляются адресату. Такое щадящее поведение сети соответствует слу­ чаю, когда общее количество данных, переданных пользователем в сеть за период Г, не превьппает объема В^ + В^, Если же этот порог превьппен, то кадр не помечается признаком DE^ а немедленно удаляется из сети.

На рис.4.12 изображен случай, когда за интервал времени Гв сеть по вирту­ альному каналу поступило 5 кадров. Средняя скорость поступления информаЩ1И в сеть составила на этом интервале R бит/с, и она оказалась вьппе CIR, Кадры ^ , ^ и ^ доставили в сеть данные, суммарный объем которых не пре­ высил порог 5^, поэтому эти кадры передаются дальше транзитом с признаком DE = 0. Данные кадра^^, прибавленные к данным кадров^,^ и^, уже превы­ сили порог 5^, но еще не превысили порога В^ + В^, поэтому кадрj^ также пере­ дается дальше, но уже с признаком DE = 1. Данные кадра^, прибавленные к данным предьщущих кадров, превысили порог В^ + В^, поэтому этот кадр бьш удален из сети.

Для контроля соглашения о параметрах качества обслуживания все комму­ таторы сети Frame relay вьшолняют так называемый алгоритм «дьфявого вед­ ра» (Leaky Bucket). Алгоритм использует счетчик поступивших от пользова­ теля байт. Каждые Гсекунд этот счетчик уменьшает свое значение на величину В^ (или же сбрасьшается в «О», если значение счетчика меньше, чем В^). Все кадры, данные которых не увеличили значение счетчика свыше порога В^, про­ ходят в сеть со значением признака DE = 0. Кадры, данные которых привели к значению счетчика, большему 5^, но меньшему В^ + В^, также передаются в сеть, но с признаком DE = 1. И, наконец, кадры, которые привели к значению счетчика, большему В^ + В^, коммутатор отбрасывает.

Пользователь может заказать включение не всех параметров качества об­ служивания на данном виртуальном канале, а только некоторых. Например,

276

4.3. Технология Frame relay

можно использовать только параметры CIR и В^. Этот вариант дает более ка­ чественное обслуживание, так как коммутатор никогда не отбрасьшает кадры сразу. Он только помечает кадры, данные которых превьппают порог В^ за вре­ мя Г, признаком DE = 1. Если в сети не наблюдаются перегрузки, то кадры такого канала всегда доходят до конечного узла, даже если пользователь по­ стоянно нарушает договор с сетью.

Популярен еще один вид заказа на качество обслуживания, при котором ого­ варивается только порог В^, а скорость CIR полагают равной нулю. Все кадры такого канала сразу же отмечают признаком DE = 1, но отправляют в сеть, а при превьппении порога В^ их отбрасывают. Контрольный интервал времени в этом случае равен

где R - скорость доступа канала.

На рис. 4.13. приведен пример сети Frame relay с пятью удаленными отде­ лениями. Обычно доступ к сети осуществляют каналы с большей, чем у CIR, пропускной способностью. Но при этом пользователь платит не за пропускную способность канала, а за заказанные параметры CIR, В^ и В^, Так, при исполь­ зовании в качестве канала доступа канала Т1 и заказа службы со скоростью CIR, равной 128 кбит/с, пользователь буцет платить только за скорость 128 кбит/с, а скорость канала Т1 в 1,544 Мбит/с будет влиять на верхнюю границу возмож­ ной пульсащш В^ + В^,

С//г=512кбиг/с Вс = 128 кбнгг 5, = 64 кбит

Рис. 4.13. Пример использоваюм сети Frame relay

277

4. Технологии глобальных сетей

Параметры качества обслуживания могут быть различными для разных направлений виртуального канала. Так, на рис. 4.13 абонент 1 соединен с або­ нентом 2 виртуальным каналом с DLCI =136. При направлении от абонента 1 к абоненту 2 канал имеет среднюю скорость 128 кбит/с с пульсациями В^- 256 кбит (интервал Т составил 1 с) и 5^ = 64 кбит. А при передаче кадров в обратном направлении средняя скорость уже может достигать 256 кбит/с с пульсациями 5 = 512 кбит и 5 = 128 кбит.

се

Механизм заказа средней пропускной способности и максимальной пульса­ ции является основным механизмом управления потоками кадров в сетях Frame relay. Соглашения должны заключаться таким образом, чтобы сумма средних скоростей виртуальных каналов не превосходила возможностей портов комму­ таторов. При заказе постоянных каналов за это отвечает администратор, а при установлении коммутируемых виртуальных каналов - программное обеспече­ ние коммутаторов. При правильно взятых на себя обязательствах сеть борет­ ся с перегрузками путем удаления кадров с признаком DE = 1 и кадров, превы­ сивших порог В^ + В^,

Управление перегрузками

В технологии Frame relay определен еще и дополнительный (необязатель­ ный) механизм управления кадрами - механизм оповещения конечных пользо­ вателей о том, что в коммутаторах сети возникли перегрузки (переполнение необработанными кадрами). Бит FECN (Forward Explicit Congestion Bit) кадра извещает об этом принимающую сторону. На основании значения этого бита принимающая сторона должна с помощью протоколов более высоких уровней (TCP/IP, SPX и т. п.) известить передающую сторону о том, что та должна снизить интенсивность отправки пакетов в сеть.

Бит BECN (Backward Explicit Congestion Bit) извещает о переполнении пе­ редающую сторону и является требованием немедленного снижения темпа пе­ редачи. Бит BECN обычно отрабатывается на уровне устройств доступа к сети Frame relay - маршрутизаторов, мультиплексоров и устройств CSU/DSU, Протокол Frame relay не требует от устройств, получивших кадры с установ­ ленными битами FECN и BECN, немедленного прекращения передачи кадров в данном направлении, как того требуют кадры RNR сетей Х.25. Эти биты служат указанием для протоколов более высоких уровней (TCP, SPX, NCP и т. п.) о снижении темпа передачи пакетов. Так как регулирование потока инищшруется в различных протоколах по-разному - как принимающей стороной, так и передающей, - то разработчики протоколов Frame relay учли оба направ­ ления снабжения предупреждающей информацией о переполнении сети.

В общем случае биты FECN и BECN могут игнорироваться. Но обычно устройства доступа к сети Frame relay (FRAD - Frame relay Access Device) отрабатьшают no крайней мере признак BECN.

278

4.3. Технология Frame relay

Создание коммутируемого виртуального канала

При создании коммутируемого виртуального канала параметры качества обслуживания передаются в сеть с помощью протокола Q.931. Этот протокол устанавливает виртуальное соединение с помощью нескольких служебных па­ кетов.

Абонент сети Frame relay, желающий установить коммутируемое вирту­ альное соединение с другим абонентом, должен передать в сеть по каналу D сообщение SETUP, которое имеет несколько параметров, в том числе:

•DLCI;

•адрес назначения (в формате Е.164, Х.121 или ISO 7498);

•максимальный размер кадра в данном виртуальном соединении;

•запрашиваемое значение CIR ддя двух направлений;

•запрашиваемое значение В^ для двух направлений;

•запрашиваемое значение В^ для двух направлений.

Коммутатор, с которым соединен пользователь, сразу же передает пользо­ вателю пакет CALL PROCEEDING (вызов обрабатывается). Затем он ана­ лизирует параметры, указаршые в пакете, и если коммутатор может их удов­ летворить (располагая, естественно, информащ1ей о том, какие виртуальные каналы на каждом порту он уже поддерживает), то пересьшает сообщение SETUP следующему коммутатору, который выбирается по таблице марпфутизащш. Протокол автоматического составления таблиц маршрутизации для технологии Frame relay не стандартизирован, поэтому можно использовать фир­ менный протокол производителя оборудования или же ручное составление таб­ лицы. Если все коммутаторы на пути к конечному узлу согласны принять зап­ рос, то пакет SETUP передается в конечном счете вызываемому абоненту. Вызьюаемый абонент немедленно передает в сеть пакет CALL PROCEEDING и начинает обрабатьюать запрос. Если запрос принят, то вызываемый абонент передает в сеть новый пакет - CONNECT, который проходит в обратном по­ рядке по виртуальному пути. Все коммутаторы должны отметить, что данный виртуальный канал принят вызываемым абонентом. При поступлении сообще­ ния CONNECT вызывающему абоненту он должен передать в сеть пакет CONNECT ACKNOWLEDGE.

Сеть также должна передать вызываемому абоненту пакет CONNECT ACKNOWLEDGE. На этом соединение считается установленным и по вирту­ альному каналу можно передавать данные.

Использование сетей Frame relay

Полезная пропускная способность прикладных протоколов при работе че­ рез сети Frame relay зависит от качества каналов и методов восстановления пакетов на уровнях стека, расположенного над протоколом Frame relay. Поэто­ му сети Frame relay следует применять только на магистральных каналах с волоконно-оптическим кабелем высокого качества. Каналы доступа использу­ ют витую пару, как это разрешает интерфейс G.703, или абонентское окончание

279