Особенности сетей и технологий Frame Relay

Курсовая работа По дисциплине: Сети и телекоммуникации Тема: Особенности сетей и технологий Frame Relay

• Введение
• 1. Основы технологии Frame Relay
• 1.1 Ключевые особенности и принципы работы Frame Relay
• 1.2 Виртуальные каналы
• 1.3 Преимущества Frame Relay
• 2. Реализация технологии Frame Relay
• 2.1 Проблемы реализации
• 2.2 Пример реализации в корпоративной сети
• Заключение
• Глоссарий
• Список использованных источников
• Приложение А
• Приложение Б

Проблематика. В конце прошлого века, когда потребности в объемах и скоростях передачи информации в сетях резко возросли, стало понятно, что применение существующих на тот момент сетей типа Х.25 или выделенных каналов стало малоэффективным и не отвечающим новым требованиям. Тогда и возникла необходимость создания новых высокоскоростных и экономичных методов трансляции данных и коммутации данных, чтобы заменить и дополнить существующие технологии. Именно таким методом и стал Frame Relay (FR) — метод ретрансляции кадров, определенный стандартами ITU-T, ANSI и FR. Данный метод и начал составлять основу сетевых технологий и получивших самостоятельное применение сетей Frame Relay. Технология Frame Relay изначально разрабатывалась для использования в сетях ISDN еще в 80-х годах прошлого века. Применение данной технологии давало целый ряд преимуществ по сравнению с технологиями X.25 и ISDN. Для передачи полезной информации FR может задействовать около 90% полосы пропускания, а X.25 — не более 40%, а на практике и того меньше — 5−10%. Для низкоскоростных каналов связи данное преимущество технологии является решающим.

Тема исследования: «Особенности сетей и технологий Frame Relay» .

Актуальность. Технология ретрансляции кадров, созданная в качестве новой формы коммутации пакетов, не только обладала важнейшими характеристиками (низкие задержки, высокая скорость, разделение портов, и разделение полосы пропускания на основе виртуальных каналов), но она также имела и имеет сильную коммерческую сторону, ибо число поставщиков и пользователей услуг FR растет и по сей день. При этом за годы применения данной технологии был накоплен не колоссальный опыт и в области сервиса услуг FR, который хорошо послужит для дальнейшего развития сетевых технологий.

Цель исследования состоит в рассмотрении и описании принципов и особенностей технологии и построения сетей Frame Relay. В соответствии с целью исследования ставятся следующие задачи:

— подробно описать технологию FR и принципы ее работы,

— рассмотреть основные стандарты и характеристики данной технологии,

— исследовать особенности реализации данной технологии, а также проблемы построения сетей FR,

— выявить основные преимущества и недостатки при использовании данной технологии,

— привести реальные примеры организации сети Frame Relay,

— сделать выводы.

Методику и методологию исследования составляет изучение и анализ научной и учебной литературы, публикаций, анализ и обобщение практики, а также сравнение и анализ полученных сведений. Информационную базу составляет научная литература, учебные пособия, публикации и статьи, справочники, материалы научных конференций, материалы Интернет-сайтов.

1. Основы технологии Frame Relay

1.1 Ключевые особенности и принципы работы Frame Relay

Сеть Frame Relay является сетью с коммутацией кадров или сетью с ретрансляцией кадров, ориентированной на использование цифровых линий связи. Ретрансляция кадров (frame relay) — это метод доставки данных в сетях с коммутацией пакетов, а также и с коммутацией каналов и сообщений. Frame Relay поддерживает физический и канальный уровни OSI. Данная технология применяет при передаче данных технику коммутируемых и постоянных виртуальных соединений. Скорость передачи данных до 44 Мбит/с, но без гарантии целостности данных и достоверности их доставки. Обычно применяется при построении территориально распределённых корпоративных сетей, а также в составе решений, связанных с обеспечением гарантированной пропускной способности канала передачи данных (IP-телефония, видеоконференции и прочее).

В технологии Frame Relay на канальном уровне выполняется мультиплексирование потока данных в кадры. При этом осуществляется мультиплексирование в одном канале связи нескольких потоков данных. Кадры при передаче через коммутатор не подвергаются преобразованиям, поэтому сеть получила название ретрансляции кадров. Следовательно, сеть коммутирует уже не пакеты, а кадры.

Отдельный кадр FR имеет в себе минимальное управляющей информации, что приводит к достаточно высокой эффективности передачи данных. При этом изначально допускается, что каналы передачи данных должны быть достаточно надежными, а функции управления потоком выполняются протоколами верхних уровней. Это обусловлено тем, что технология FR не оснащена встроенными функциями контроля доставки и управления потоком кадров. Основу сети Frame Relay образуют специализированные коммутаторы — FRAD (Frame Relay Access Device, устройство доступа к сети с ретрансляцией кадров). Коммутаторы FR применяют технологию сквозной коммутации, когда каждый кадр посылается на следующий транзитный узел сразу же по прочтении адресной информации. В случае возникновения ошибок, коммутаторы FR не пытаются их восстановить кадры и отбраковывают. Отправленные данные восстанавливаются оборудованием конечного пользователя, и промежуточное оборудование освобождено от нужды выявления и исправления ошибок. При этом накладные расходы по обработке данных из расчета на кадр уменьшаются, что существенно повышает пропускную способность.

Изначально информационное взаимодействие технологии FR реализовывалось лишь на физическом и канальном уровне. Принципиальное отличие технологии FR от ранее имевшихся технологий построения сетей заключалось именно в отсутствии сетевого уровня взаимодействия и заключается. На физическом уровне FR поддерживает интерфейсы по стандартам как ITU-T, так и ANSI: X.21, V.24, V.35, DDN, DDS, интерфейсы BRI и PRI сетей ISDN, полные и дробные протоколы T1/E1, SDH. На уровне звена данных используется процедура доступа LAPF, стандартизованная Рекомендацией Q.922 ITU-T. Столлингс Вильям: Компьютерные сети, протоколы и технологии Интернета / Кондукова Е. Ф. М.: BHV, 2005 г. — 832 с. Стек протоколов FR передает кадры при установленном виртуальном соединении по протоколам физического и канального уровней. Функции сетевого уровня перемещены на канальный уровень, поэтому необходимость в сетевом уровне отпала. Тем самым, указанные особенности и обеспечивают преимущества сетей, которые построены по технологии FR.

Кадр протокола FR содержит минимально необходимое количество служебных полей. Структура и формат кадра FR состоит из следующих элементов: Пятибратов А. П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебное пособие. — М.: Кнорус, 2013. — 376 с.

Поле FLAG. Каждый кадр начинается и замыкается «флагом» — последовательностью «1 111 110». Данное поле выполняет функцию обрамления кадра. Чтобы предотвратить случайную имитацию последовательности «флаг» внутри кадра, в процессе его передачи проверяется всё его содержание между двумя флагами и после каждой последовательности, состоящей из пяти идущих подряд бит «1», вставляется бит «0». Данная процедура неукоснительно должна выполняться при формировании любого кадра FR, при приёме эти биты «0» отбрасываются. Принцип формирования поля FLAG в кадре FR соответствует принципам формирования поля FLAG в кадре других технологий. Узлам сети FR разрешено уничтожать искаженные кадры, не уведомляя об этом пользователя. Искаженным считается кадр, которому присущ какой-либо из следующих признаков:

— наблюдается менее пяти октетов между флагами;

— искажено поле адреса (для случая, когда проверка не выявила ошибки в FCS);

— имеется ошибка в FCS;

— отсутствует корректное ограничение флагов;

— отсутствует целое число октетов после удаления бит обеспечения прозрачности;

— превышен допустимый максимальный размер;

— имеется несуществующий DLCI.

Поле HEADER. Поле заголовка кадра содержит информацию, которая используется для управления виртуальными соединениями и процессами передачи данных в сети Frame Relay. Данное поле кадра FR, помимо собственно адресной информации, содержит также и дополнительные поля управления потоком данных и уведомлений о перегрузке канала (Приложение А): Пятибратов А. П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебное пособие. — М.: Кнорус, 2013. — 376 с.

Механизмы уведомления о возникновении перегрузок и их устранения реализуются посредством битов FECN и BECN в заголовке кадра LAPF. Информационные биты FECN и BECN выставляются в момент попадания кадра в затор трафика. Если узел сети FR обнаруживает, что его входные очереди начинают переполняться, предыдущему узлу (источнику трафика) передается пакет с установленным битом BECN, чтобы приостановить поступление данных до разрешения ситуации. Маршрутизаторы с интерфейсом FR могут расшифровать значения этих битов и активизировать управление потоком на базе протокола верхлежащего уровня, например, — TCP/IP. При этом представленный механизм не вписался бы в концепцию регламентирования пропускной способности сети, поддерживаемую FR, без введения соглашения о согласованной скорости передачи информации (Committed Information Rate, CIR). Столлингс Вильям: Компьютерные сети, протоколы и технологии Интернета / Кондукова Е. Ф. М.: BHV, 2005 г. — 832 с.

Поле данных. Поле полезной нагрузки в кадре Frame Relay имеет переменную длину и предназначено для переноса блоков данных протоколов верхних уровней. Поле полезной нагрузки имеет минимальную длину в 1 октет, максимальную согласно стандарту — 1600 октетов, тем не менее в реализациях некоторых производителей FR-оборудования допускается превышение максимального размера (до 4096 октетов).

Поле FCS. Проверочная последовательность кадра (FCS) применяется для выявления возможных ошибок при его передаче и состоит из 2 октетов. FCS формируется аналогично циклическому коду HDLC. Пескова, С. А. Сети и телекоммуникации: учеб. пособие для вузов / Пескова, С.А., Кузин, А.В., Волков, А.Н. — М.: Академия, 2008. — 350 с.

1.2 Виртуальные каналы

Невзирая на тот факт, что протоколы FR относительно просты и предельно открыты для протоколов верхних уровней, они тем не менее достаточно сложны в плане осуществления передачи данных. При этом они сами независимо осуществляют маршрутизацию данных внутри сети, не используя при этом механизмы маршрутизации вышерасположенных уровней Х.25 или IP в Интернете. Протоколы FR обладают собственными механизмами управления постоянными виртуальными каналами и для инкапсуляции протоколов вышерасположенных уровней. Таким образом, передача данных между пользователями в сети Frame Relay осуществляется при создании виртуальных каналов — (VC — Virtual Circuit) двух типов: постоянный (PVC — Permanent Virtual Circuit) и коммутируемый (SVC — Switched Virtual Circuit).

Постоянный виртуальный канал создаётся между двумя точками и существует в течение длительного времени, даже в отсутствие данных для передачи. Данный канал позволяет начинать передачу данных по сети без необходимости сначала установить соединение между устройствами. Данное соединение используется для выполнения одной определенной задачи (подобно выделенной телефонной линии). Внутри каждого физического канала может быть организовано несколько PVC, которые конфигурируются таким образом, чтобы обеспечить определенный уровень производительности и качества обслуживания. PVC являются двунаправленными; в каждом направлении могут быть заданы различные значения параметров. Процесс передачи данных через предварительно установленные постоянные виртуальные каналы осуществляется так:

— передача данных по установленному логическому каналу;

— режим ожидания, когда коммутируемая виртуальная цепь установлена, но обмен данными не происходит.

Коммутируемый виртуальный канал создаётся между двумя точками непосредственно перед передачей данных и разрывается после окончания сеанса связи. Представляет собой временно существующее виртуальное соединение между двумя пользователями. Это позволяет использовать всю доступную полосу частот только для тех виртуальных каналов, которые активны в настоящий момент, вместо того, чтобы разделять ее между постоянными виртуальными каналами. Коммутируемые виртуальные каналы используются для передачи импульсного трафика между двумя устройствами DTE. Постоянные виртуальные каналы применяются для постоянного обмена сообщениями между двумя устройствами DTE. Процесс передачи данных через коммутируемые виртуальные каналы осуществляется так:

— установление вызова — образуется коммутируемый логический канал между двумя DTE;

— передача данных по установленному логическому каналу;

— режим ожидания, когда коммутируемая виртуальная цепь установлена, но обмен данными не происходит;

— завершение вызова — используется для завершения сеанса, осуществляется разрыв конкретного виртуального соединения. Пятибратов А. П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебное пособие. — М.: Кнорус, 2013. — 376 с.

Виртуальное соединение (PVC или SVC) должно быть установлено прежде, чем два пользователя получат возможность обмениваться друг с другом данными. PVC не может быть произвольным образом разорвано, в отличие от SVC, который обеспечивает коммутируемый сервис FR по требованию между двумя узлами. Предназначение этих соединений состоит в расширении области применения FR помимо прочих и на такие тивы данных, как голос, видео и защищенные Интернет-приложения. Тем не менне на сегодняшний день SVC так и не нашли широкого применения, так как реализовать их сложнее, чем постоянные каналы. Как следствие, последние являются самым широко распространенным режимом связи в сетях FR.

Следует отметить, что оба вида соединений идентифицируются уникальным образом с помощью идентификатора канала передачи данных (Data-Link Control Identifier, DLCI). Данный идентификатор сходен с номером телефона. Основным принципиальным отличием при этом является то, что сфера его действия ограничивается только локальным участком сети. В силу этого различные маршрутизаторы в сети могут повторно применить тот же самый идентификатор DLCI, что дает возможность сети поддерживать большее число виртуальных каналов. Устанавливают соответствие между входящими DLCI и исходящими DLCI специальные таблицы перекрестных соединений (cross-connect tables), распространяемые между всеми коммутаторами FR в сети.

Для описания и характеристики качества виртуальных каналов, к которым относятся FR, обычно используется три параметра: «согласованная информационная скорость» (CIR — Committed Information Rate), «согласованный импульсный объем» (BC — Burst Committed) и «дополнительный импульсный объем» (BE — Burst Excess).

Значение CIR характеризует максимальную согласованную скорость передачи по данному виртуальному каналу, которая обычно несколько меньше физической скорости подключения пользователя к порту сети FR. Обычно CIR задается в соответствии со средним коэффициентом загрузки канала. Сумма значений CIR по всем виртуальным каналам для каждого физического порта не может быть больше общей пропускной способности порта. CIR выражается в бит/с и вычисляется относительно информационной части кадра FR (служебные поля кадра не учитываются).

BC определяет максимальный объем информации в битах, которую пользователь может передать по данному виртуальному каналу в течение некоторого ограниченного периода времени. Данный параметр услуги предназначен для определения временного интервала допустимой неравномерности трафика пользователя TС в соответствии с формулой:

TС = BC /CIR.

Усреднение по времени играет здесь важную роль. Предположим, что через линию доступа с пропускной способностью 64 Кбит/с пользователь определяет одно виртуальное соединение с CIR, равной 32 Кбит/с. Это значит, что приняв, например, в первые полсекунды 32 Кбит, коммутатор вправе отвергнуть все остальные биты, пришедшие за остальные полсекунды. Поэтому вводится понятие согласованного импульсного объема передаваемой информации (Committed Burst Size — BC) — максимального объема данных, который сеть «обязуется» передавать за время TС. Параметр BC характеризует максимальный объем данных пользователя, который может быть передан без потерь за период TС. При подключении к сети пользователь обычно получает по каждому PVC действующие в нем значения CIR и BC. Для пользователя это значит, что он может передавать информацию либо с постоянной скоростью, равной CIR, либо с гораздо большей скоростью, но в течение ограниченного времени, определяемого формулой BC/CIR.

Таким образом, параметр BE определяет величину предельного увеличения трафика пользователя для конкретного виртуального канала. Кадрам пользователя, которые образовали добавку BE к согласованному значению BC, присваивается признак DE (флаг разрешения на отбраковку), что означает их удаление при возникновении перегрузок в сети. Параметр BE позволяет задавать дополнительный объем трафика, который может быть передан по данному виртуальному каналу. Пескова, С. А. Сети и телекоммуникации: учеб. пособие для вузов / Пескова, С.А., Кузин, А.В., Волков, А.Н. — М.: Академия, 2008. — 350 с.

1.3 Преимущества Frame Relay

Оптимальная технология для линий глобальной сети должна отвечать трем важнейшим требованиям клиент-серверных платформ: доступность, надежность и удобство эксплуатации. С этих позиций и следует теперь проанализировать технологию Frame Relay.

Доступность. Невзирая на то, какие протоколы применяются, все сети имеют две основные фундаментальные зарактеристики: трафик имеет пакетный характер, а все пакеты — переменную длину. Соединение по глобальной сети должно обладать теми же характеристиками, что и локальная сеть, другими словами оно должно поддерживать пакетный трафик. FR вполне отвечает этому требованию доступности. Нетрудно представить, что технология глобальной сети, отвечающая тем же характеристикам, будет иметь преимущество.

Как уже было отмечено, виртуальные каналы позволяют передавать трафик сверх согласованного, если сеть FR может предоставить требуемую пропускную способность. Следовательно, в случае клиент-серверных приложений FR обладает определенными преимуществами в производительности, поскольку способна обслуживать пакетные посылки данных. Таким приложениям нужна, обычно, большая пропускная способность на короткие интервалы времени. Данная специфическая особенность FR обещает некоторую экономическую выгоду, так как абоненты получают возможность использовать дополнительную полосу, если конечно сама сеть в состоянии предоставить таковую. Разумеется, если кадры превышают согласованную скорость передачи, то коммутатор FR выставляет флаг с разрешением на их обнуление, поэтому всякий коммутатор при возникновении затора сети способен их удалить. В случае потери пакетов при передаче данных, конечный маршрутизатор, приняв, к примеру, из 1000 пакетов только 855, отправит сообщение к посылающему маршрутизатору об необходимости повторной отправки всей последовательности пакетов данных. Данный процесс увеличивает как время отклика, так и потребление пропускной способности сети.

FR способен транспортировать кадры размером до 4096 байт, что вполне достаточно для пакетов Ethernet или Token Ring, максимальная длина которых равна соответственно 1500 и 4096 байт. В силу этого нет необходимости расчленять пакеты на более мелкие части при их передаче, а это значит, FR не требует накладных расходов на сегментацию и сборку.

Надежность. Реализация соединения по глобальной сети всегда обусловлено некоторой неопределенностью, поскольку мы не являемся владельцами этой сети, а следовательно не можем контролировать над каналами передачи данных. В таких условиях требуется высокая отказоустойчивость соединения по глобальной сети. FR в достаточной степени отвечает данному требованию, поскольку обеспечивает динамическую ремаршрутизацию в случае отказа виртуального канала.

Чтобы обеспечить реализацию защиты от сбоев на уровне узла предлагаются две опции: запасные и резервные PVC. При запасном соединении (standby PVC) PVC устанавливается и активируется на запасном узле. Однако этот канал обладает существенно меньшей скоростью CIR, по сравнению с основным PVC. Так или иначе при выходе из строя узла, запасное PVC будет активизировано практически сразу. При резервном соединении (backup PVC), постоянное виртуальное соединение устанавливается на запасной площадке, но не активизируется, а будет активировано при невозможности функционирования основного узла. Следует отметить, что запасное соединение подходит для наиболее важных приложений в силу того, что его емкость может быть временно увеличена для предоставления более высокой пропускной способности. Для этого админу нужно лишь обратиться к оператору, и он предоставит эту дополнительную пропускную способность на все время восстановления поврежденного канала. Поэтому к безусловным достоинствам FR относятся также простота и гибкость конфигурации. Увеличить CIR не сложнее, чем позвонить оператору, который после этого конфигурирует соединение программным образом для работы на более высокой скорости. При этом ему не нужно никакого дополнительного оборудования при переходе на более высокую пропускную способность, если конечно, она не превосходит скорость порта установленного оборудования. Данное свойство доказывает не только надежность, но и значительную удобность данной технологии, о которой речь пойдет далее.

Реализация сетей FR представляет собой ячеистую структуру коммутаторов, характерным преимуществом которой является облеспечение определенной степени отказоустойчивости. В случае выхода из строя какого-нибудь узла виртуальное соединение становится недоступным, тогда ближайший коммутатор для восстановления соединения задействует альтернативный информационный канал. При этом произойдет некоторое ухудшение характеристик передачи данных, но благодаря подобной ячеистой структуре коммутаторы способны направлять кадры в обход других коммутаторов, при возникновении в них значительных перегрузок. Олифер В. Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учебное пособие для вузов / В. Олифер, Н. Олифер. — СПб. — 2010. — 943 с.

Следует отметить, что подход FR к защите от сбоев является более гибким и дешевым, нежели у TDM. В случае TDM вы должны будете иметь несколько запасных выделенных линий, что довольно недешево и сложно. В случае возникновения сбоев в следствии аварий админу нужно будет переконфигурировать все маршрутизаторы и другое оборудование, в помещении клиента. Таненбаум Э., Уэзеролл Д. Компьютерные сети. 5-е изд. М.: ЕАОИ, 2012. — 508 с.

Удобство. Всякое соединение по глобальной сети должно поддерживать асимметричный режим работы, поскольку требуется поддержка различных скоростей передачи исходящего и входящего трафика. При этом входящий трафик к серверу, зачастую бывает меньше исходящего трафика к клиенту. Помимо этого, для осуществления управления потоком в технологическом смысле, глобальная сеть должна поддерживать TCP/IP на верхних уровнях модели OSI. TCP/IP представляет собой стандарт де факто для сетей на базе клиент-серверной архитектуры. А поскольку данный протокол создавался с нуля специально для работы в глобальных сетях, он совместим с FR. он же и осуществляет управление потоками, которое, как известно, FR не может обеспечить. Поэтому FR вполне соответствует всем указанным требованиям, поскольку хорошо взаимодействует с TCP/IP и предоставляет асимметричные виртуальные каналы. Пескова, С. А. Сети и телекоммуникации: учеб. пособие для вузов / Пескова, С.А., Кузин, А.В., Волков, А.Н. — М.: Академия, 2008. — 350 с.

Как уже было отмечено FR предназначен для функционирования по цифровым линиям с крайне низким числом ошибок. Поэтому, он не выполняет контроля наличия ошибок на каждом транспортном узле, хотя данный контроль просто необходим в сетях с коммутацией пакетов по некоторым другим протоколам, поскольку, как правило, они базируются низко надежных аналоговых линиях. Все это дает возможность снизить накладные расходы по обработке каждого кадра и, поэтому повысить пропускную способность сети. Тем не менее данное преимущество в обеспечении пропускной способности имеет и оборотную сторону: когда коммутатор FR вследствие перегрузки сети отбраковывает кадры с выставленным флагом DE, маршрутизатор по истечение срока ожидания подтверждения получения пакета с данным порядковым номером посылает кадр заново, что может повлечь за собой еще большую засоренность в сети.

Однако, при этом отчасти управление потоками реализует TCP/IP, а также битами явного сообщения о заторах каналов в том и другом направлениях (FECN и BECN), которые имеются в FR (Приложение А) и выставляются во время ретрансляции кадра применяются для уведомления отправителя или получателя о заторах трафика на пути следования пакета. При этом оборудование с интерфейсами FR расшифровывают значение этих битов и активизируют управление потоком посредством TCP/IP для предотвращения перегрузки сети и потери данных.

В частности, конечный маршрутизатор может замедлить маршрутизатор-отправитель с помощью сброса своего окна приема до нуля. На практике использование данной опции повышает эффективность, так как запрещает отправителю передавать какие-либо данные. Другой способ управления потоком заключается в регулировке таймера повторной передачи. В данной ситуации, после неоднократного отсутствия подтверждения получения данных от получателя, происходит увеличения значения таймера, что будет сдерживать отправителя от излишнего засорения трафика данными и без того переполненной сети. Поэтому она получает передышку для передачи отложенных пакетов, а после устранения затора отправитель возвращает обратно первоначальное значение таймера.

Другим аспектом удобства FR заключается в том, что в управлении он намного проще выделенных каналов. В частности, с серверами различные входящие соединения могут быть организованы через один абонентский шлейф и подведены к одному DSU/CSU. В случае TDM вы должны будете иметь отдельные линии доступа и CSU/DSU. Олифер В. Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учебное пособие для вузов / В. Олифер, Н. Олифер. — СПб. — 2010. — 943 с.

Наверное, самым привлекательным свойством FR является поддержка асимметричных PVC, которые обеспечивают разные скорости передачи данных для входящего и исходящего трафика. FR вполне отвечает этим требованиям. В большинстве клиент-серверных приложений (например, приложения баз данных на базе SQL или иные) сервер взаимодействует с клиентскими приложениями по высокоскоростной сети. Как правило при обмене сообщениями типа запрос/ответ клиент посылает различные небольшие предложения SQL или URL, а сервер в свою очередь может отправлять данные объемом от нескольких строк из баз данных до большой порции данных в виде большого документа HTML. Иначе говоря, схема входящего и исходящего трафика для таких типов приложений асимметрична.

В целом, технология FR представляет собой полнодуплексную технологию, поскольку потоки данных двунаправленны. Тем не менее, если встает вопрос об определении CIR для постоянных виртуальных каналов, то его можно задавать для каждого направления по отдельности. Подобная конфигурация дает возможность определить необходимую пропускную способность для подсоединенных узлов к серверам. Понимание потребностей приложений и пользовательских профилей поможет определить, как много постоянных виртуальных каналов требуется пользователю и каковы должны быть для них значения CIR. Таненбаум Э., Уэзеролл Д. Компьютерные сети. 5-е изд. М.: ЕАОИ, 2012. — 508 с.

Симплексный асимметричный подход к постоянным виртуальным каналам предоставляет проектировщикам сетей неплохие возможности контроля скорости передачи данных и цены. Для примера, если возникает необходимость связать два узла, скажем, А и Б. Согласно расчетам узлу, А необходим канал на 512 Кбит/с, в то время как узлу Б — на 1 Мбит/с. Оба узла могут передавать данные одновременно, применяя ту полосу, которая им для этого нужна. Чтобы данные требования были удовлетворены с использованием выделенных линий, вы должны будете арендовать неполную линию T-1 на 1,5 Мбит/с, чтобы клиенты и серверы могли взаимодействовать друг с другом. Иначе говоря, нужную пропускную способность необходимо удвоить, учитывая тот факт, что она не требуется постоянно. При использовании же FR, предоставляются постоянные виртуальные каналы с исходящим CIR на 512 Кбит/с для узла, А и с исходящим CIR на 1 Мбит/с для узла А. Получается, что в данной ситуации FR оказывается существенно более экономичным.

2. Реализация технологии Frame Relay

2.1 Проблемы реализации

Сети и сервисы FR и по сей день используются и предоставляются местными и междугородними телекоммуникационными фирмами с поддержкой скоростей от 56 Кбит/с до 44,736 Мбит/с. Сеть FR привлекает потребителей тем, что стоимость услуг и сервиса в целом зависит зачастую только от конфигурации и требуемой скорости доступа, а не от расстояния. Хотя это не всегда так. Технологии FR предоставляет стандартный интерфейс в виде сетевого интерфейса пользователя (UNI) между разнообразным оборудованием внутри помещения и оборудованием сети FR. Этот стандарт предопределяет также интерфейс между двумя сетями FR (межсетевой интерфейс или NNI), которые могут принадлежать различным организациям. Управляющий идентификатор канала передачи данных (DLCI, называемый также логическим портом) идентифицирует виртуальное соединение FR, или, иначе, постоянный виртуальный канал. DLCI может идентифицировать оба конца виртуального соединения UNI или NNI посредством указания объектов передачи информации кому и от кого. При этом, маршрутизатор в помещении должен быть сконфигурирован таким образом, чтобы каждый IP-адрес порта соответствовал определенному DLCI. Столлингс Вильям: Компьютерные сети, протоколы и технологии Интернета / Кондукова Е. Ф. М.: BHV, 2005 г. — 832 с.

Обычно соответствие между DLCI и портом назначения устанавливается заранее; таким образом, в этом случае мы имеем постоянный виртуальный канал, что упрощает процесс маршрутизации, поскольку маршрутизаторы должны только найти в своих таблицах маршрутов/соответствий нужный DLCI и направить трафик на порт в соответствии со значением идентификатора.

Некоторые телекоммуникационные компании предоставляют также коммутируемые виртуальные каналы (SVC), вы которых установка соединения осуществляется только по требованию. Однако сегодня это редкий случай. Поэтому PVC на сегодняшний день являются единственным вариантом. При этом получается, что в среде OSPF маршрутизатор не в состоянии выбрать альтернативный путь, если конечно админ не предусмотрел такую возможность и не определил этот путь. Зачастую суть проблемы, связанной с определением ячеистой среды PVC, а именно возможности использования всех достоинств OSPF, заключается в том, что такая среда значительно увеличивает общую стоимость сети.

PVC является двунаправленным, а это значит, что каждому направлению может быть выделена разная полоса пропускания; иначе говоря, линия для запроса данных с хоста может быть сделана низкоскоростной, а линии передачи данных или файлов с хоста на запрашивающую станцию — высокоскоростной.

Невзирая на тот факт, что FR отказывается от такой функции протокола третьего уровня, как адресация, тем не менее идентификация адреса все же производится с помощью конфигурации PVC вручную. Одной из фундаментальных функций FR является идентификация виртуального соединения. Фенкционирование устройств FR как правило основываются на PVC-соединениях, конфигурирование которых осуществляется вручную так же, как и статические маршруты, применяемые при IP-маршрутизации. В IP-среде статические маршруты говорят маршрутизатору, что весь трафик, адресованный указанному объекту, должен идти по сконфигурированному вручную маршруту. Такой подход упрощает определение маршрута, а также снижает нагрузку на процессор и время задержки. Правда, при этом снижается и возможность маршрутного протокола (например OSPF) после выполнения высокоуровневых функций, в том числе в распределении нагрузки и выборе альтернативного пути. Так или иначе, при возникновении затора или невозможности соединения альтернативный маршрут или постоянный виртуальный канал должен быть прописан вручную. В тех случаях, когда IP использует статические маршруты и реализован поверх FR с назначенными постоянными виртуальными каналами, надо позаботиться о том, чтобы было соответствие между ними и статическими маршрутами. Пятибратов А. П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебное пособие. — М.: Кнорус, 2013. — 376 с.

При использовании технологии FR обмен трафиком осуществляется по следующей схеме: от входящей линии к соответствующему соединению по исходящей линии через назначенное соединение. Маршрутизатор в помещении пользователя отвечает за создание кадра FR, установление значения DLCI в заголовок кадра и передачу кадра через локальный интерфейс UNI на коммутатор FR из облака. Если в качестве протокола третьего уровня используется IP, то формирование кадра сопряжено с фрагментацией дейтаграмм IP и инкапсуляцией дейтаграмм в кадры FR. Маршрутизируемый протокол сетевого уровня IP не знает о том, что происходит, до того момента, когда дейтаграммы не будут заново собраны принимающим.

При использовании IP коррекция ошибок высокого уровня выявляет их на стороне получателя и просит передать их повторно. Сеть FR должна транслировать трафик на маршрутизатор на удаленном UNI. Отождествление и маршрутизация осуществляется посредством специальной таблицы маршрутов, соответствий или перекрестных связей. Существует очень значимый на локальном уровне подход, когда управление DLCI осуществляется таким образом, что одни и те же числа могут повторно применяться другим маршрутизатором в сети. Это дает возможность создавать большее количество виртуальных каналов в одной сети FR. При этом следует позаботится о том, чтобы был установлен запрет раскрытия значений DLCI другим маршрутизатором в донной сети. Существует также и другой подход, когда используется глобальная адресация. При этом DLCI имеет одно и то же значение во всей сети. Присвоенные адресам номера указывают на одно и то же место назначения вне зависимости от маршрутизатора. Олифер В. Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учебное пособие для вузов / В. Олифер, Н. Олифер. — СПб. — 2010. — 943 с.

При использовании маршрутных протоколов типа RIP и OSPF является безразличным, какой из подходов применяется для DLCI. До тех пор пока IP-адреса отождествляются с DLCI правильно, OSPF принимает решение о маршруте в соответствии с доступностью пути и скоростью передачи, а RIP — на основе подсчета промежуточных маршрутизаторов. Сам смысл глобальной адресации заключается в упрощении управления адресами, тем не менее ограничение на заголовок кадра в два октета предоставляет возможность иметь только 922 идентификатора (1024 минус 32 зарезервированных DLCI). Получается, что при глобальной адресации один и тот же идентификатор не может применяться двумя портами. Применение DLCI для идентификации постоянных виртуальных каналов становится возможным только в том случае, если он используется лишь один раз во всей сети.

Как уже было отмечено в работе, техническая функция CIR заключается в определении доступной полосы пропускания для данного соединения, которую PVC может задействовать. В том случае, если загруженность PVC превышает CIR, то избыточные кадры маркируются для отбраковки. Однако они отбраковываются, только если облако начинает испытывать перегрузки. Важность правильной установки CIR очевидна, так как отбракованные кадры будут посылаться заново, в результате чего трафик и перегрузки возрастают, а конечные пользователи остаются недовольны работой сети. Задание значения CIR равным нулю предоставляет PVC всю полосу пропускания данной линии с обслуживанием в порядке очередности. Однако если данный PVC использует линию непрерывно, то он не даст доступа к ней другим пользователям. Конечно, если установить максимально возможное значения CIR, то это может стать хорошим решением проблемы, однако это приводит к удорожанию технологии, а многие поставщики устанавливают тарифы в зависимости от значения CIR — чем выше CIR, тем дороже, — а это означает, что сеть должна быть оптимально сконфигурирована по цене и производительности.

Это все касается взаимодействия между сетью frame relay, или облаком, и оборудованием внутри помещения. Однако внутри самого облака работают те же правила, кроме того момента, что коммутаторам FR нет необходимости поддерживать виртуальные каналы. Трафик может быть адресован посредством либо настроенных вручную DLCI, либо преобразования трафика в соответствии с протоколом IP, после чего он маршрутизуется динамически.

Используются два подхода к маршрутизации — фиксированный и динамический. Вне зависимости от метода он прозрачен для конечных устройств внутри помещения. В случае RIP промежуточными устройствами считаются только маршрутизаторы. Поэтому система может выбрать путь, в котором на один маршрутизатор меньше, но на несколько коммутаторов больше. Благодаря достигаемому за счет функционирования на втором уровне превосходству в скорости, число промежуточных коммутаторов на данном маршруте не имеет большого значения. В силу того, что FR не поддерживает такие высокоуровневые функции, как управление потоком и коррекция ошибок, перемещение данных осуществляется с оптимальной скоростью. Олифер В. Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учебное пособие для вузов / В. Олифер, Н. Олифер. — СПб. — 2010. — 943 с.

Существенным моментом для взаимодействующих протоколов является размер кадра или пакета. Стандарт FR не ограничивает размер кадров, однако сеть FR поддерживает чаще всего минимальный размер кадров в 262 октета, а наиболее распространенные реализации употребляют кадры от 1600 до 4096 октетов. Максимальный размер кадра устанавливается поставщиком телекоммуникационных услуг в зависимости от возможностей оборудования. Стандарт IP способен создавать дейтаграммы размером до 65 535 октетов. Невзирая на тот факт, что в реальности размер дейтаграммы, обычно, меньше, дейтаграмма как правило превышает по размеру кадр. Получается, что передающее оборудование вынуждено дробить дейтаграммы на приемлемые куски для инкапсуляции в кадры FR. Принимающее оборудование отвечает за их сборку.

Как правило, FR функционирует вне рабочих станций или хостов конечных пользователей, а загружается на маршрутизатор или внешний процессор, что изолирует пользовательскую станцию от самого процесса. Поэтому при установке использовании FR программное и аппаратное обеспечение пользователя не нуждается в модификации. В ЛВС область действия их протоколов распространяется до маршрутизатора, который инкапсулирует заголовки и полезную нагрузку протоколов верхних уровней (с третьего по седьмой) в кадры FR. Эти данные передается далее по сети FR до места назначения, где уже конечный маршрутизатор убирает заголовки и хвосты пакетов, собирает в случае необходимости фрагментированные части данных, помещает трафик в кадр локальной сети и доставляет его конечным пользователям. Таненбаум Э., Уэзеролл Д. Компьютерные сети. 5-е изд. М.: ЕАОИ, 2012. — 508 с.

2.2 Пример реализации в корпоративной сети

Обычным способом реализации частной сети является дополнение традиционных мультиплексоров интерфейсами FR для информационных устройств, а также интерфейсами (не являющимися специализированными интерфейсами FR) для других прикладных задач, таких как передача голоса и проведение видео-телеконференций. Фреймы FR направляются в сеть через интерфейс FR, а обычные потоки передаются соответствующему приложению или службам, таким как мини-АТС (РВХ), видео — и телеконференции. Типичная сеть FR состоит из нескольких устройств DTE, например маршрутизаторов, соединенных с удаленными портами на мультиплексоре традиционными каналами типа «точка-точка». Протокол FR реализуется как в общедоступных сетях, так и в частных сетях предприятий.

Многие компании и организации по всему миру и поныне используют частные сети FR. В таких сетях администрированием и поддержкой сети занимается сама компания или организация и использует свое собственное оборудование. В общедоступных сетях FR коммутирующее оборудование протокола FR помещается в центральных офисах телекоммуникационных компаний. С пользователей берется плата в зависимости от степени использования ими сети, но им не приходится выполнять административные работы и поддерживать оборудование и службы сетей FR. Как правило оборудование DCE также принадлежит компании-поставщику и арендуется клиентом, тем не менее оно может также принадлежать и клиенту. В данном случае клиенты могут получать экономические выгоды от тарифов начислений за пользование услугами, чувствительных к трафику, и освобождены от работы по администрированию, поддержанию и обслуживанию оборудования сети.

И в частной, и в общедоступной сети отсутствует необходимость обеспечения устройств пользователя интерфейсами FR и использования протокола FR. Поэтому могут быть использованы традиционные технологии коммутации цепей, коммутации пакетов, или гибридные методы, комбинирующие различные технологии.

На предприятии, где я проходил практику, использовалась корпоративная спутниковая сеть MCPC/Frame Relay. Наглядная схема данной технологии изображена в Приложении (Приложение Б). Преимущество данных сетей по сравнению с теми, что построены на выделенных каналах, является экономия спутникового ресурса за счет динамического перераспределения трафика прямого канала между удаленными станциями, полоса которого может быть значительно ниже суммарной полосы в случае SCPC каналов. Следует отметить, что в целом данное решение предназначено для подключения к глобальной сети отдельных офисов клиентов, а также корпоративных сетей с невысокой среднесуточной загрузкой каналов доступа, а также может успешно использоваться региональными провайдерами, которые территориально расположены в различных часовых поясах и их резервных каналов.

Технология MCPC расшифровывается как «множество каналов на одну несущую» и применяется для построения спутниковых сетей связи, где любая из несущих может быть использована для передачи множества независимых постоянных виртуальных каналов. Данное техническое решение основывается на технологии SCPC c применением протокола FR на канальном и физическом уровне, и, преимущественно, используется при построении территориально распределенных корпоративных сетей, связанных с обеспечением гарантированной пропускной способности CIR в каналах передачи данных, голоса, видеоконференцсвязи и прочих. При этом данные из центральной станции спутниковой связи транслируются с помощью одного широкополосного спутникового канала на все удаленные станции, а обратные каналы представляют собой выделенные каналы SCPC. В данной конфигурации реализация протокола FR осуществляется на центральном маршрутизаторе, который является оборудованием DСE и маршрутизаторах на удаленных станциях, которые являются терминальным оборудованием каналов передачи данных DTE. При этом каждое DTE устройство удаленной станции имеет свой идентификатор DLCI. На каждое из них приходят фреймы, адресное поле которых содержит такой же идентификатор. Центральный маршрутизатор служит в роли генератора и коммутатора фреймов и распределяет трафик в общем широкополосном канале между удаленными станциями в соответствии с форматами фреймов. Он же обрабатывает извещения о перегрузках каналов в прямом и обратном направлениях, которые содержатся в адресном поле каждого фрейма, следит за трафиком всех виртуальных каналов и осуществляет перераспределение общего трафика, исходящего со стороны DCE устройства, между всеми DTE устройствами.

По технологии MSPS/Frame Relay спутниковый ресурс, выделенный на всю сеть, динамически перераспределяется между всеми станциями сети в зависимости от загрузки каждой станции, при этом для каждой станции задается только минимальная гарантированная скорость. Заранее определяется и гарантируется постоянная групповая скорость доступа в Интернет для всей сети и минимальные скорости CIR для каждой удаленной станции.

Бесспорными преимуществами данной сети как со стороны потребителя, так и со стороны поставщика являются следующие моменты. Во-первых, это динамическое перераспределение трафика из сети Интернет между клиентами. Во-вторых, сравнительно более низкая стоимость доступа в Интернет по сравнению с предоставлением SCPC каналов. В-третьих, пользователям предоставляется гарантированная скорость доступа в Интернет (CIR). В-четвертых, этот доступ предоставляется круглосуточно без ограничения трафика. Кроме этого, скорость доступа зависит от загрузки общего канала передачи данных по направлению к клиентам и может быть значительно выше CIR. Можно также отметить достаточно высокую надежность и качество предоставляемых услуг.

frame relay сеть частная

Заключение

Итак, Frame Relay был создан в конце прошлого века, как замена протоколу X.25 и ориентирован на надежные и быстрые каналы связи. данная технология архитектурно основывалась на X.25 и во многом схожа с ним. Тем не менее в отличие от X.25, который был ориентирован на линии с достаточно высокой частотой ошибок, FR может быть реализован в физических линиях с низкой частотой ошибок, а следовательно в состав стандарта FR значительная часть механизмов коррекции ошибок из X.25 не вошла. Спецификации для данной технологии разрабатывались при участии многих организаций, также как и множество разных поставщиков поддерживают его различные реализации, разрабатывая самостоятельно соответствующее аппаратное и программное обеспечение. Frame Relay — технология глобальных сетей, оптимизирована для работы на низких скоростях, отлично подходит для передачи голоса и видео. FR нельзя использовать для построения локальной сети.

В ходе исследования мы выяснили, что технология FR обеспечивает множество независимых виртуальных каналов в одной линии связи, с возможностью назначения минимальной гарантированной скорости (CIR) для каждого виртуального канала. Эти виртуальные каналы идентифицируются в FR-сети по идентификаторам подключения к соединению (DLCI). При этом, при отсутствии средств управления потоком, FR использует функции извещения о перегрузках в сети. Данная технология обычно используется при построении территориально распределённых корпоративных сетей, а также в составе решений, связанных с обеспечением гарантированной пропускной способности канала передачи данных (IP-телефония, видеоконференции и прочее).

Среди главных несомненных достоинств технологии FR можно назвать:

— возможность передавать чувствительный к временным задержкам трафик: (голос, видео),

— высокая надежность функционирования сети,

— гарантированное качество обслуживания — согласованная скорость передачи данных,

— относительно простые и дешевые средства управления.

Среди ее очевидных недостатков можно выделить:

— использование качественных и дорогостоящих каналы связи,

— возможность перегрузки отдельных узлов сети по причине отсутствия повсеместного эффективного контроля трафика,

— отсутствие надежных средств контроля доставки кадров (возможна потеря кадров в процессе передачи).

На сегодняшний день с сетями, где используется Frame Relay, увы, приходится встречаться все реже и реже. Однако, по мнению многих специалистов данная технология и в будущем будет еще актуальной и сохранит свои преимущества, поскольку будет обеспечивать идеальный доступ к высокоскоростной магистральной сети по низкоскоростным каналам связи.

Глоссарий

Список использованных источников

1. Биячуев Т. А. Безопасность корпоративных сетей. /Под ред.Л. Г. Осовецкого. — СПб: СПб ГУ ИТМО, 2009. — 420 с.

2. Витаминюк А. И. Создание, обслуживание и администрирование сетей на 100% - Санкт-Петербург, 2010.232 с.

3. Воробьев, Л. В. Системы и сети передачи информации: учеб. пособие / Воробьев, Л.В., Давыдов, А.В., Щербина, Л.П. — М.: Академия, 2009. — 329 с.

4. Гудыно Л. П., Кириченко А. А. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы. — М.: ЕАОИ, 2009. — 292 с.

5. Журнал «CHIP» № 2 февраль 2014

6. Журнал сетевых решений LAN декабрь 2014

7. Кузин А. В Компьютерные сети 3-е изд. 2011 год. 192 с.

8. Материалы сайта «Интернет-Университет Информационных технологий». [Электронный ресурс]. — http://www.intuit.ru

9. Мельников В. П. Информационная безопасность и защита информации. 5-е изд., стер. — М.: Академия, 2011. — 336 с.

10. Олифер В. Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учебное пособие для вузов / В. Олифер, Н. Олифер. — СПб. — 2010. — 943 с.

11. Пескова, С. А. Сети и телекоммуникации: учеб. пособие для вузов / Пескова, С.А., Кузин, А.В., Волков, А.Н. — М.: Академия, 2008. — 350 с.

12. Пятибратов А. П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебное пособие. — М.: Кнорус, 2013. — 376 с.

13. Пятибратов А. П., Гудыно Л. П., Кириченко А. А. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы. — М.: ЕАОИ, 2009. — 292 с.

14. Столлингс Вильям: Компьютерные сети, протоколы и технологии Интернета / Кондукова Е. Ф. М.: BHV, 2005 г. — 832 с.

15. Таненбаум Э., Уэзеролл Д. Компьютерные сети.5-е изд. М.: ЕАОИ, 2012. — 508 с.

16. Тихвинский В. О., Терентьев С. В., Юрчук А. Б. Сети мобильной связи LTE. Технологии и архитектура. 2010.

17. Хайретдинов М. С. Сетевые информационные технологии.: учебное пособие / М. С. Хайретдинов — Новосибирск, 2011. — 250 c.

Приложение А

Адрес кадра Frame Relay

Приложение Б

Организация корпоративной спутниковой сети с применением технологии MCPC/Frame Relay