Технология FrameRelay.

Технология FrameRelay.

Технология FrameRelay

Предыстория развития В конце 80-х годов одним из немногих методов передачи данных, полностью соответствовавшим семиуровневой системе БОС, был протокол X.25. Эта технология создавалась для того, чтобы при передаче данных обеспечить хорошую работоспособность пользовательских приложений независимо от типа системы или производителя оборудования.

Необходимо отметить, что стандарт предусматривал передачу данных по каналам с высоким уровнем ошибок (BER (Bit Error Rate) = 10-5). Для надежной и достоверной передачи информации были разработаны и стандартизованы механизмы обнаружения и коррекции ошибок, а также процедуры управления потоками данных. Подобный подход определил невысокое качество сервиса, предоставляемого абоненту сети: низкие скорости передачи данных, а также значительные и неконтролируемые задержки при передаче пользовательской информации через сеть. Эти особенности практически не влияют на функционирование традиционных для ЛВС приложений, но резко ограничивают применение технологии в приложениях, чувствительных к временный задержкам — передаче голосовой информации и трафика SNA (Systems Network Architecture). Избавиться от этих недостатков удалось в протоколе Frame Relay.

Стандарт Frame Relay описывает интерфейс доступа к сетям с быстрой коммутацией кадров и обеспечивает функции первого, частично второго и третьего уровней семнуровневой системы ВОС, включая в себя небольшой набор правил и процедур организации информационного обмена.

Отличительной особенностью Frame Relay является отсутствие механизмов коррекции ошибок и управления потоком данных, характерных для X. 25. Кадр, принятый промежуточным или оконечным узлом с ошибками, сбрасывается сетью, а функции исправления ошибок возлагаются на протоколы более высоких уровней, например, TCP.

Механизмы, с помощью которых обеспечивается надежная передача данных в X.25, предусматривают квитирование и буферизацию кадров/пакетов, требующих подтверждения, повторную передачу неправильно принятых кадров и некоторые другие алгоритмы. Эти процедуры вносят дополнительные задержки, величина которых зависит от вероятности возникновения ошибок на канальном уровне звена передачи данных, а также от загруженности буферной памяти промежуточных узлов.

Отказ от этих алгоритмов уменьшает задержки в сети при передаче данных пользователей, а главное, позволяет их прогнозировать. Кроме того, из формата кадра исключается несколько служебных полей. Таким образом, сокращается протокольная избыточность, а следовательно, повышается эффективность использования пропускной способности канала. Такой подход ограничивает допустимую величину BER до 10-7 и предъявляет более строгие требования к качеству каналов.

Абонентским доступом к сети Frame Relay управляет интерфейс «пользователь-сеть» (UNI — User-to-Network Interface). Его основной задачей является описание характеристик и особенностей мультиплексирования логических соединений PVC (Permanent Virtual Connection), а также контроль их состояния и конфигурации. Каждое такое логическое соединение обладает своим уникальным номером — DLCI (Data Link Connection Identifier).

Как уже отмечалось, процедуры Frame Relay не предусматривают управления потоком данных. Вместо этого в стандарт заложены очень простые механизмы уведомления о перегрузках, информирующие устройство пользователя о том, что ресурсы сети практически, исчерпаны. Стандарт Frame Relay определяет основные характеристики каждого логического соединения, в соответствии с которыми система варьирует темп передачи кадров в сеть абонентским устройством.

Первой такой характеристикой является гарантированная скорость передачи данных CIR (Committed Information Rate) — средняя скорость доставки сообщений конечному устройству. Вторая характеристика — гарантированный импульсный объем передаваемой информации Вc (Committed Burst Size) — определяет количество битов, которые могут быть переданы в сеть по PVC с. заданной гарантированной скоростью за время Т. Последний параметр — дополнительный импульсный объем передаваемой информации Be (Excess Burst Size) — указывает число бит, которые передаются в сеть без гарантии доставки. Если ресурсы сети позволяют, то кроме сообщения объемом Вc будет отправлен (со скоростью, превышающей CIR) дополнительный объем данных, меньший или равный Be. Все кадры при этом будут помечены битом DE: для любого устройства сети этот бит означает разрешение сбросить кадр в случае, если узел испытывает перегрузку. Всю информацию, переданную сверх объема, равного (Вc + Вe), сеть сбросит (рис. 3).

Рис. 3. Механизм управления потоком данных в технологии Frame Relay

Однако сброс любого кадра влечет за собой его повторную передачу в соответствии с процедурами коррекции ошибок протоколов более высокого уровня, а значит, сеть по-прежнему будет перегружена. Чтобы проинформировать передатчик о необходимости снизить темп передачи кадров, для оконечных устройств виртуального канала создаются служебные сообщения BECN (Backward Explicit Congestion Notification) — они передаются источнику — и FECN (Forward Explicit Congestion Notification) — передаются адресату. Получение устройством такого сообщения означает необходимость снизить скорость передачи данных в сеть.

Преимущества и недостатки

Исследования показывают, что применение методов временного мультиплексирования TDM (Time Division Multiplexing) с жестким закреплением пропускной способности физического канала за логическими соединениями позволяет использовать ресурс цифрового канала передачи данных не более чем на 50°. Приложения не занимают выделенный им ресурс канала постоянно. С другой стороны, когда ресурс свободен, он не может быть отдан другому приложению.

Технологии статистического мультиплексирования, в том числе и Frame Relay, распределяют пропускную способность канала между входящими потоками данных в зависимости от доступных ресурсов сети и заранее определенных характеристик логических соединений, выделяя необходимый ресурс только для активных приложений. Кроме того, Frame Relay отлично приспособлена для передачи импульсного трафика, а также для комбинирования потоков данных с различными временными характеристиками, что выгодно отличает ее от TDM (рис. 4).

Рис.4. Сравнение временных характеристик технологий Frame Relay и TDM

Поскольку и X. 25, и АТМ тоже реализуют статистическое мультиплексирование, возникает вопрос: «А каковы же достоинства Frame Relay перед этими способами организации транспортной системы?».

Из-за особенностей архитектуры X.25 не в состоянии обеспечить временные характеристики логических соединений, требуемые приложениями, чувствительными к временпы’м задержкам. Frame Relay может комбинировать различные услуги связи, используя один и тот же ресурс сети для передачи и голоса, и данных. Кроме того, за счет сокращения объема служебной информации этот протокол эффективнее использует доступную пропускную способность канала.

АТМ поддерживает те же функции, что и Frame Relay, но в этой технологии не описаны стандарты, предусматривающие передачу информации на скоростях ниже 2 Мбит/с. Если принять во внимание, во-первых, стоимость цифрового канала, обеспечивающего такую пропускную способность, а во-вторых, цену самого оборудования АТМ, то становится очевидным, что затраты на реализацию и дальнейшую эксплуатацию одного и того же технического решения в рамках двух этих технологий будут различаться на порядок. Кроме того, если учесть мировую тенденцию спроса на услуги связи, то можно заметить, что для приложений 70% первичных пользователей требуются скорости, не превышающие 2,048 Мбит/с.

Frame Relay и АТМ необходимо рассматривать как взаимное дополнение. Организуя низкоскоростной доступ к магистральной сети АТМ по протоколу Frame Relay, оператор средств связи может создавать гибкие и производительные информационные системы, обеспечивающие требуемое качество сервиса.

Стандарт Frame Relay обеспечивает передачу трафика протоколов IP, IPX, SNA и X.25, организацию мостовых соединений сетей Ethernet/Token Ring, передачу голосовой информации и видеоданных.

Говоря о мультимедийных приложениях, нельзя не упомянуть о таком понятии, как «качество услуги». Под этим термином понимается обеспечение заданных характеристик логических соединений для различных приложений.

Например, голосовой трафик чувствителен к задержкам — значит, буферизация кадров, содержащих рече вую информацию, должна быть минимальной. В отличие от голосового трафика, видеоданные допускают существенную задержку в канале и малочувствительны к изменению ее величины, однако они очень требовательны к пропускной способности канала, следовательно, необходимо обеспечить ее резервирование.

Обеспечение качества сервиса — сложная задача, особенно в условиях передачи разнородного трафика. Следует отметить, что, в отличие от технологии АТМ, комитеты по стандартизации Frame Relay — в частности, Frame Relay Forum — не предусматривают для данного протокола средств обеспечения качества сервиса QoS (Quality of Service). В этом вопросе Frame Relay Forum предоставляет производителям оборудования полную свободу действий.

Некоторые разработчики считают, что гарантированные параметры услуг должны обеспечиваться за счет коммутационного оборудования территориально распределенных сетей передачи данных, но большинство производителей предусматривает в своей аппаратуре функции, обеспечивающие расстановку приоритетов и резервирование пропускной способности для различных видов трафика, протоколов и отдельных логических соединений.

Однако никакими способами не удастся оптимизировать функционирова ние системы в том случае, если сеть Frame Relay испытывает перегрузки или неправильно выбраны параметры виртуального канала. Поэтому, приобретая у оператора связи услугу Frame Relay, необходимо заранее знать, между какими приложениями будет распределяться пропускная способность виртуального канала и какие именно требования предъявляет каждое из этих приложений к параметрам соединения (в том числе к CIR и Вc).

В пользу технологии говорит тот факт, что, подключившись один раз к ресурсам цифровой сети, абонент потом сможет получить любое (в пределах пропускной способности физической линии и выделенного ресурса) количество новых каналов передачи данных путем создания логических соединений. Кроме того, оператор, предоставляющий услуги Frame Relay, обеспечивает полный контроль за состоянием сети, перегрузками и сбоями в работе, гарантирует быстрое восстановление и перемаршрутизацию логических соединений в случае нарушения их работы.

Какие бы широкие возможности ни предлагала любая новая технология, пользователь не сможет оценить ее по достоинству в том случае, если она окажется слишком дорогой для внедрения и эксплуатации. Простота, высокий уровень стандартизации и гибкость технологии Frame Relay существенно снижают затраты на создание и эксплуатацию информационных систем. Отдав предпочтение Frame Relay, пользователь выигрывает в следующем:

• обеспечивая мультиплексирование практически всех видов трафика, Frame Relay позволяет отказаться от эксплуатации нескольких параллельных телекоммуникацион ных систем (сети IP, X.25, коммутируемая телефонная сеть) и перейти к единой цифровой сети с интеграцией услуг;

• статистическое мультиплексирование гарантирует эффективное использование пропускной способности канала, объединяя входящие потоки, суммарная пропускная способность которых может превышать ресурс физического канала;

• сокращение протокольной избыточности обусловливает минимальные затраты на бит передаваемой информации;

• благодаря простой технологии организации транспортной среды уменьшаются стоимость оборудования и эксплуатационные расходы, обеспечивается более высокая надежность и производительность системы, а несложная процедура реконфигурации параметров сети не требует привлечения высококвалифицированных специалистов.

При всех своих достоинствах технология Frame Relay не лишена и некоторых недостатков. Один из самых существенных — отсутствие развитого механизма установления коммутируемых виртуальных соединений (SVC — Switched Virtual Circuit) в оборудовании ведущих производителей. Технология SVC-соединений обладает рядом очевидных преимуществ перед традиционными PVC-соединениями:

• решения на основе SVC более гибкие и реализуются абонентом без участия оператора сети;

• требуется меньшее число логических соединений в рамках наложенной корпоративной сети;

• предусмотрен переход к эксплуатации PVC в случае больших объемов передаваемой информации и гибкое совмещение двух этих методов;

• пользователь получает возможность устанавливать соединение «по запросу», то есть только тогда, когда ему необходимо получить доступ к ресурсам сети. Таким образом он экономит свои средства, а провайдер — ресурсы своей сети.

Сейчас стандарт, описывающий коммутацию виртуальных соединений через сеть Frame Relay, уже принят, и осталось лишь реализовать его в оборудовании и начать предоставление услуг на его основе.

Обычно оператор сети Frame Relay взимает плату по следующим основным параметрам и характеристикам услуг:

• скорость доступа — это максимальная пропускная способность, которую можно получить на предоставленном провайдером услуг физическом интерфейсе;

• согласованная информационная скорость (CIR);

•импульсные характеристики трафика (Вc и Вe);

• плата за порт определяет арендную плату за порт, предоставляемый провайдером для доступа в сеть;

• аренда оконечного оборудования. Оборудование может быть предоставлено оператором услуг связи и установлено в офисе клиента — в этом случае оператор решает все вопросы, связанные с эксплуатацией устройства. Однако такая услуга практикуется очень редко, и, как правило, пользователь использует свое оконечное оборудование;

• удаление между точками доступа в сеть оператора сети Frame Relay. Если логическое соединение обеспечивает взаимодействие значительно удаленных объектов, то плата зависит от расстояния между точками доступа;

• тарификация соединения. Оплачивается стоимость передачи единицы информации. Чаще всего единицей измерения служит 1 Мбайт.

Для того, чтобы правильно выбрать параметры канала связи и не переплачивать за избыточную пропускную способность, необходимо знать характеристики и особенности тех приложе ний, чей трафик будет передаваться через сеть Frame Relay. Наиболее квалифицированную оценку могут дать технические эксперты компании-поставщика оборудования доступа к сетям Frame Relay. Однако самые общие рекомендации можно сформулировать следующим образом.

• Для приложений, чувствительных к задержкам, потере кадров, характеризующихся постоянной во времени интенсивностью трафика, необходимо выбирать CIR, равную суммарной пропускной способности в рамках одного логического соединения, и минимальное значение Be.

• Передачу импульсного трафика, например локальных вычислительных сетей, лучше организовывать на основе виртуальных соединений с CIR, равной нулю, и максимальным Be.

Особенности выбора оборудования

Современное оборудование Frame Relay выпускают многие известные компании, в том числе Northern Telecom, Motorola ISG, Cisco, Memotec. Набор функциональных возможностей оборудования от разных производителей практически одинаков. Поэтому основной акцент в главе будет сделан на особенностях реализации конкретных технологий в устройствах FRAD.

Из-за требовательности голосового трафика к временным характеристикам канала оконечное оборудование, обеспечивающее передачу голоса, должно выполнять некоторые дополнительные функции.

В процессе передачи данных в сеть может возникнуть ситуация, когда в буфере устройства кадр данных большого размера окажется перед кадром с голосовой информацией. Обработка длинного кадра потребует много времени, следовательно, возникнет задержка при передаче кадра голосовой информации. При повторе такой ситуации и переменной длине больших кадров в сеансе голосовой связи появятся посторонние паузы и замирания. Чтобы избежать подобного нежелательного эффекта, используется механизм сегментации трафика. У этого алгоритма есть один недостаток: в формате одного кадра отношение служебной информации к полезной с включением сегментации увеличивается, а значит, снижается эффективность использования пропускной способности канала передачи данных. Поэтому оконечное устройство должно распознавать речевую информацию в потоке данных, включая сегментацию в случае необходимости и отключая ее в отсутствие речи.

Кроме того, чтобы обеспечить минимальную задержку кадров с голосовой информацией, в устройствах FRAD необходимо предусмотреть возможность расстановки приоритетов для разных видов трафика.

Другой важной особенностью функционирования оборудования доступа в сети Frame Relay является возможность мультиплексирования голосовых соединений и трафика данных в рамках одного PVC (Permanent Virtual Circuit). Некоторые производители устройств FRAD разделяют передачу голосовых сообщений и траф?1ка данных по различным логическим соединениям, каждому из которых присваивается отдельный DLCI. Это значительно удорожает систему, так как оператор взимает плату за каждое логическое соединение. Мультиплексирование данных в пределах одного PVC дает дополнительный экономический эффект. Кроме того, в современное оборудование, выполняющее функции FRAD, встроены механизмы сжатия голоса, которые обеспечивают еще более эффективное использование пропускной способности каналов передачи данных. Для передачи голоса в устройстве FRAD должна быть предусмотрена функция подавления пауз DSI (Digital Speech Interpolation). Алгоритм его работы определяет наличие речевой активности, и тогда в сеть передаются кадры голосовой информации. В отсутствие речи ресурс пропускной способности может быть задействован под другое голосовое сообщение или передачу данных.

Обсуждая технологии передачи разнородного трафика через сети Frame Relay, нельзя не затронуть такой вопрос, как организация взаимодействия локальных сетей. Наиболее простой способ — организация мостовых соединений — оказывается не самым лучшим. Объясняется это тем, что широковещательный характер трафика, а также служебная информация протоколов ЛВС значительно сокращают доступные ресурсы канала передачи данных. Поэтому наиболее приемлемым вариантом решения этой задачи является организация взаимодействия ЛВС на сетевом уровне. Такой подход позволяет резко снизить количество широковещательных сообщений, а также избавиться от служебной информации протоколов канального уровня.

Прогнозы и перспективы Несмотря на то, что стандарты на передачу речи через сети Frame Relay уже давно существуют, далеко не все производители оборудования поддерживают их в своих продуктах, реализуя фирменные алгоритмы обработки голосовой информацир1. Поэтому важным щагом на пути развития Frame Relay станет создание единых, не зависящих от модели оборудования механизмов взаимодействия устройств сети при передаче речи. По прогнозам Vertical System Group, передача голосовой информации (VoFR — Voice over Frame Relay) и в дальнейшем останется одной из наиболее быстрорастущих услуг на рынке Frame Relay (рис. 5).

Рис.5. Рис. 5. Прогнозируемый рост услуг VoFR

В целом же, основываясь на мировом опыте развития технологии Frame Relay, можно отметить ее плавное сближение с решениями на базе АТМ. Подобная интеграция обусловлена тем, что корпоративные сети, функционирующие на основе виртуальных каналов цифровых сетей, имеют топологию «звезды». При такой конфигурации удаленные офисы не нуждаются в большой пропускной способности для обеспечения потребностей всех своих приложений. В то же время в центральном узле сети происходит концентрация всех логических соединений, которые занимают большую часть ресурсов канала взаимодействия пользователя с сетью. Наиболее эффективным в данном случае оказывается использование протокола Frame Relay для низкоскоростных подключений и АТМ — для концентрации трафика в центральном узле. Похожие задачи операторы связи решают при обеспечении доступа клиентов к различным ресурсам сети.

Основная проблема процесса объединения технологий заключается в том, что для Frame Relay не разработаны стандарты, подобные стандартам АТМ для обеспечения «качества услуг». Возможным выходом из сложившегося положения является комбинирование механизмов QoS технологии Frame Relay, реализованных в оборудовании некоторых производителей, и технических решений на основе АТМоборудования. Такой подход к построению сетей передачи данных позволяет получать гибкие и масштабируемые решения, поддерживая весь ряд возможных приложений и услуг связи.