FRAME RELAY

Η πιο σπουδαία, τεχνικά, ανακάλυψη που προήλθε από την εργασία τυποποίησης του ISDN, είναι το Frame Relay. Αν και σχεδιάσθηκε για το ISDN, το frame relay χρησιμοποιείται τώρα ευρύτατα σε ποικίλα δημόσια και ιδιωτικά δίκτυα που δεν ακολουθούν τα στάνταρ του ISDN.

Το frame relay αποτελεί σημαντική πρόοδο σε σχέση με το παραδοσιακό packet switching και το X.25. Το παρόν ξεκινά με μία γενική εικόνα των διαφορών μεταξύ των δύο αυτών προσεγγίσεων. Στην συνέχεια εξετάζονται οι λεπτομέρειες του frame relay. Τέλος αναπτύσσονται τα σημεία κλειδιά του ελέγχου-συμφόρησης στα δίκτυα frame relay.

Η παραδοσιακή προσέγγιση στο packet-switching (μεταγωγή πακέτου) χρησιμοποιεί το X.25, το οποίο, όχι μόνον καθορίζει το interface μεταξύ χρήστη και δικτύου, αλλά επίσης επηρεάζει και το εσωτερικό σχέδιο του δικτύου. Μερικά βασικά χαρακτηριστικά του Χ.25 είναι:

Σχ. 1. Μετακίνηση Πληροφορίας κατά X.25 (αριστερά) και Frame Relay (δεξιά)

Η προσέγγιση του Χ.25 καταλήγει σε σημαντικό περίσσιο φόρτο. Όπως φαίνεται και από το Σχ. 1, υπάρχει μεγάλος φόρτος για την διακίνηση ενός και μόνον πακέτου με δεδομένα από την πηγή ως τον προορισμό. Σε κάθε βήμα του πακέτου στο δίκτυο, το πρωτόκολλο του data link layer απαιτεί την ανταλλαγή ενός πλαισίου (frame) δεδομένων και ενός πλαισίου επιβεβαίωσης. Επιπλέον, σε κάθε ενδιάμεσο κόμβο πρέπει να τηρούνται πίνακες κατάστασης για κάθε εικονικό κύκλωμα για την διαχείριση κλήσεων και θέματα ελέγχου ροής/σφαλμάτων του πρωτοκόλλου Χ.25.

Όλος αυτός ο επιπρόσθετος φόρτος μπορεί να δικαιολογηθεί όταν υπάρχει σημαντική πιθανότητα σφάλματος σε οποιοδήποτε σύνδεσμο του δικτύου. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να μην είναι η πλέον κατάλληλη για μοντέρνες εγκαταστάσεις ψηφιακής επικοινωνίας. Τα σημερινά δίκτυα χρησιμοποιούν αξιόπιστη τεχνολογία ψηφιακής επικοινωνίας, επάνω σε αξιόπιστους συνδέσμους επικοινωνίας, υψηλής ποιότητος, πολλοί από τους οποίους είναι πλέον οπτικές ίνες. Επιπλέον, με την χρήση οπτικών ινών και ψηφιακής επικοινωνίας, μπορούν να επιτευχθούν υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων. Σε αυτό το περιβάλλον, ο επιπρόσθετος φόρτος του Χ.25 είναι όχι μόνος άχρηστος, αλλά μειώνει και το ποσοστό πραγματικής χρήσης του δικτύου.

Το frame relay είναι σχεδιασμένο ώστε να απαλείφει μεγάλο μέρος από αυτό που το Χ.25 επιβάλει στα συστήματα τελικού χρήστη και σε δίκτυα τύπου packet-switching. Οι κύριες διαφορές μεταξύ του frame relay και του συμβατικής υπηρεσίας Χ.25 είναι:

Στο frame relay, ένα πλαίσιο δεδομένων (data frame) ενός χρήστη αποστέλλεται από την πηγή στον προορισμό, και μία επιβεβαίωση, που γεννάται σε υψηλότερο επίπεδο, μεταφέρεται πίσω σε ένα (άλλο) πλαίσιο.

Ας σκεφθούμε τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα αυτής της προσέγγισης. Το κύριο πιθανό μειονέκτημα του frame relay, συγκρινόμενο με το Χ.25, είναι ότι έχουμε χάσει την ικανότητα να εκτελούμε έλεγχο ροής και σφάλματος, σύνδεσμος-με-σύνδεσμο (κάτι που όμως μπορεί να παρασχεθεί σε υψηλότερο επίπεδο). Στο Χ.25, πολλαπλά εικονικά κυκλώματα μεταφέρονται σε ένα φυσικό κύκλωμα και το LAPB είναι διαθέσιμο στο link level για την παροχή αξιόπιστης εκπομπής από την πηγή στο δίκτυο μεταγωγής πακέτων, και από το τελευταίο δίκτυο στον προορισμό. Επιπλέον, σε κάθε άλμα μέσα στο δίκτυο, το πρωτόκολλο του data link layer μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αξιοπιστία. Με την χρήση του frame relay, αυτός ο έλεγχος, άλμα-κατά-άλμα συνδέσμου, χάνεται. Εν τούτοις, με την αυξανόμενη αξιοπιστία των μέσων εκπομπής και μεταγωγής, αυτή η έλλειψη δεν είναι κύριο μειονέκτημα.

Το πλεονέκτημα του frame relay είναι ότι έχουμε βελτιστοποιήσει την διεργασία επικοινωνίας. Η απαιτούμενη λειτουργικότητα του πρωτοκόλλου στον interface χρήστης-δίκτυο είναι μειωμένη, όπως άλλωστε και η εσωτερική επεξεργασία του δικτύου. Ως αποτέλεσμα, έχουμε χαμηλότερη καθυστέρηση και υψηλότερη πραγματική απόδοση. Μελέτες δείχνουν μία βελτίωση της απόδοσης χρησιμοποιώντας frame relay, συγκρινόμενο με X.25, τάξης μεγέθους ή περισσότερο. Η Πρόταση Ι.233 της ITU-T υποδεικνύει ότι το frame relay θα πρέπει να χρησιμοποιείται για ταχύτητες έως 2 Mbps, αν και προ πολλού το όριο αυτό έχει ξεπεραστεί κατά πολύ (π.χ. 46 Mbps).

Το στάνταρ Τ1.606 της ΑΝSΙ παραθέτει τέσσερα παραδείγματα εφαρμογών με καλύτερη απόδοση χρησιμοποιώντας frame relay:

1. Block-interactive data applications: Π.χ. γραφικά υψηλής ανάλυσης. Τα ιδιάζοντα χαρακτηριστικά τέτοιου τύπου εφαρμογής είναι χαμηλές καθυστερήσεις και υψηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων.

2. File transfer: Για μεταφορές μεγάλων αρχείων. Καθυστέρηση στην μεταφορά εδώ δεν είναι κρίσιμη όπως στην προηγούμενη περίπτωση. Υψηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων ίσως είναι αναγκαίος μόνον για μείωση συνολικού χρόνου μεταφοράς αρχείων.

3. Multiplexed low-bit rate: Αυτού του είδους η εφαρμογή εκμεταλλεύεται την ικανότητα πολύπλεξης του frame relay, ώστε να παράσχει έναν διακανονισμό χαμηλού κόστους για ένα μεγάλο πλήθος από εφαρμογές χαμηλού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων. Τέτοιο παράδειγμα είναι ακόμη και επόμενη κατηγορία.

4. Character-interactive traffic: Παράδειγμα αποτελεί η επεξεργασία κειμένου. Τα κύρια χαρακτηριστικά είναι μικρά πλαίσια, χαμηλές καθυστερήσεις και χαμηλό μεταδιδόμενο ποσό πληροφορίας.

Εδώ πρέπει να διακρίνουμε δύο ξεχωριστά επίπεδα λειτουργίας, όπως φαίνεται και στο Σχ. 2: Ένα επίπεδο ελέγχου (C), που έχει να κάνει με την δημιουργία και τερματισμό λογικών συνδέσεων, και ένα επίπεδο χρήστη (U), το οποίο είναι υπεύθυνο για την μεταφορά των δεδομένων χρήστη μεταξύ των συνδρομητών. Συνεπώς το επίπεδο C υφίσταται μεταξύ συνδρομητή και δικτύου, ενώ το U επίπεδο για διαλειτουργικότητα άκρου-με-άκρο (end-to-end).

Το επίπεδο ελέγχου είναι παρόμοιο με την σηματοδότηση στο ίδιο κανάλι για δίκτυα τύπου μεταγωγής κυκλώματος (circuit-switching), υπό την έννοια ότι ένα ξεχωριστό λογικό κανάλι δημιουργείται για πληροφορίες ελέγχου.

Στο data link layer, χρησιμοποιείται το LAPD (Q.921) για να παράσχει αξιόπιστη υπηρεσία ελέγχου, με έλεγχο ροής και σφαλμάτων, μεταξύ χρήστη (ΤΕ) και δικτύου (ΝΤ). Αυτή η υπηρεσία χρησιμοποιείται για την ανταλλαγή μηνυμάτων ελέγχου τύπου Q.933.

Για την μεταφορά πληροφοριών μεταξύ χρηστών, το αντίστοιχο πρωτόκολλο είναι το LAPF (Link Acsess Procedure for Frame-Mode Bearer Services), το οποίο είναι ορισμένο στο Q.922. Το τελευταίο είναι μία εξελιγμένη έκδοση του LAPD (Q.921). Ειδικά για το frame relay μόνον οι κύριες λειτουργίες του LAPF χρησιμοποιούνται:

Η κεντρική ιδέα είναι η χρήση μόνον ενός υπο-επιπέδου του data link layer για την μεταφορά πλαισίων μέσω frame-relay. Εάν είναι επιθυμητό να υπάρχουν επιπλέον υπηρεσίες, ώστε π.χ. το frame-relay να εμφανίζεται ως connection-oriented υπηρεσία, αυτές επιλέγονται επιπρόσθετα και δεν αποτελούν τμήμα του frame-relay. Αντίστοιχα και ο συνδρομητής μπορεί να επιλέξει υπηρεσία μεταφοράς πλαισίων είτε με π.χ. διατήρηση σειράς παραλαβής με εκείνη της εκπομπής, είτε με μικρή πιθανότητα απώλειας πλαισίων.

Εδώ εξετάζονται οι διάφορες προσεγγίσεις για δημιουργία frame relay συνδέσεων και μετά περιγράφεται το πρωτόκολλο για τον έλεγχο της σύνδεσης.

Εναλλακτικές Κλήσεις Ελέγχου

Το πρωτόκολλο ελέγχου κλήσεων πρέπει να είναι σε θέση να αντιμετωπίσει μία σειρά από εναλλακτικές περιπτώσεις. Πρώτα ας δούμε δύο περιπτώσεις για την παροχή υπηρεσιών χειρισμού πλαισίων. Στο frame relay, κάθε χρήστης δεν συνδέεται απ’ ευθείας με έναν άλλο χρήστη, αλλά με έναν χειριστή πλαισίων στο δίκτυο. Υπάρχουν δύο περιπτώσεις:

Όλα τα παραπάνω έχουν να κάνουν με την σύνδεση μεταξύ συνδρομητή και του χειριστή πλαισίων (access connection). Μόλις αυτή η σύνδεση επιτευχθεί, είναι δυνατόν να πολυπλεχθούν πολλές λογικές συνδέσεις (frame relay connections) επάνω από την παραπάνω σύνδεση.

Ας υποθέσουμε ότι ο συνδρομητής έχει δημιουργήσει, με κάποιον τρόπο, μία σύνδεση πρόσβασης (access connection) σε έναν διαχειριστή πλαισίων και είναι τώρα σε θέση να ανταλλάξει πλαίσια δεδομένων με έναν άλλο χρήστη που είναι συνδεδεμένος με το δίκτυο. Για τον σκοπό αυτό πρέπει πρώτα να δημιουργηθεί μία σύνδεση frame relay ανάμεσα στους δύο χρήστες.

Εδώ έχουμε λοιπόν πρώτα μία σύνδεση στο data link layer (από τις πολλές δυνατές επάνω από ένα φυσικό κανάλι), που διακρίνεται από τις υπόλοιπες μέσω ενός Data Link Connection Identifier (DLCI). Η μεταφορά δεδομένων περιλαμβάνει τα παρακάτω στάδια:

Η δημιουργία και απελευθέρωση μίας λογικής σύνδεσης επιτυγχάνεται με την ανταλλαγή μηνυμάτων επάνω από μία λογική σύνδεση, που είναι αφιερωμένη στον έλεγχο κλήσης, με DLCI=0. Ένα πλαίσιο με DLCI=0 περιέχει ένα μήνυμα ελέγχου κλήσης στο πεδίο πληροφορίας. Κατ’ ελάχιστον χρειάζονται τέσσερις τύποι μηνυμάτων: SETUP, CONNECT, RELEASE και RELEASE COMPLETE.

Οποιαδήποτε πλευρά ξεκινά την δημιουργία μίας λογικής σύνδεσης με την αποστολή ενός μηνύματος SETUP. Η άλλη πλευρά πρέπει να απαντήσει με CONNECT, εκτός εάν δεν αποδεχθεί την κλήση οπότε απαντά με το μήνυμα RELEASE COMPLETE. Η πρώτη πλευρά μπορεί να αναθέσει τον αριθμό DLCI, χρησιμοποιώντας έναν ελεύθερο αριθμό και περιλαμβάνοντάς τον στο μήνυμα SETUP. Διαφορετικά η δεύτερη πλευρά πρέπει να δημιουργήσει και να συμπεριλάβει έναν τέτοιο αριθμό στο μήνυμα CONNECT.

Οποιαδήποτε πλευρά μπορεί να ζητήσει τον τερματισμό μίας λογικής σύνδεσης με ένα μήνυμα RELEASE COMPLETE.

Ας δούμε την δημιουργία μίας σύνδεσης πρόσβασης (Access Connection). Εάν η σύνδεση είναι ημι-μόνιμη (πάντα διαθέσιμη), κανένα πρωτόκολλο ελέγχου δεν απαιτείται. Εάν είναι δυναμική (on-demand) όμως, χρειάζεται ένα πρωτόκολλο σηματοδότησης μέσω του ιδίου καναλιού, όπως το συνηθέστερα χρησιμοποιούμενο Q.931. Για περισσότερες λεπτομέρειες ο ενδιαφερόμενος αναγνώστης θα πρέπει να ανατρέξει στην παρατιθέμενη βιβλιογραφία.

Η λειτουργία του frame relay για μεταφορά δεδομένων χρήστη θα γίνει περισσότερο κατανοητή ξεκινώντας με την δομή του πλαισίου, όπως φαίνεται στο Σχ. 3.

Flag

Address

Information

FCS

Flag

Εφ’ όσον δεν υπάρχει πεδίο ελέγχου που να διακρίνει πιθανές διαφορετικές κατηγορίες πλαισίων, υπάρχει μόνον ένας τύπος πλαισίου, που χρησιμοποιείται για την μεταφορά δεδομένων. Επομένως δεν υπάρχει in-band signaling και κάθε τέτοια λογική σύνδεση μεταφέρει μόνον δεδομένα χρηστών. Αφού δεν υπάρχουν αριθμοί διαδοχής, προκύπτει ότι δεν είναι δυνατή η υλοποίηση ελέγχου σφαλμάτων ή ροής. Η μόνη χρήση του FCS (Frame Check Sequence) είναι ότι ελέγχεται για πιθανά λάθη. Εάν υπάρχει σφάλμα το πλαίσιο απορρίπτεται. Εναπόκειται σε υψηλότερα επίπεδα να προχωρήσουν σε ανάνηψη από σφάλματα.

Η δρομολόγηση των δεδομένων χρήστη γίνεται μέσω καταχωρίσεων σε έναν πίνακα σύνδεσης που βασίζεται στα DLCI. Ο χειριστής πλαισίων λαμβάνει πλαίσια από εισερχόμενα κανάλια και τα διοχετεύει σε εξερχόμενα, μεταφράζοντας κατάλληλα τους αριθμούς DLCI μέσα στα πλαίσια, πριν την περαιτέρω προώθησή τους. Το ερώτημα εδώ είναι πώς γίνεται η “συνεννόηση” μεταξύ δύο οντοτήτων που συμμετέχουν στην όλη διαδρομή. Αυτή επιτυγχάνεται μέσω του DLCI 0.

Η προσέγγιση στο πρόβλημα κατά το frame relay γίνεται σύμφωνα με τους παρακάτω στόχους:

Για τους παραπάνω σκοπούς, για κάθε χρήστη ορίζεται το CIR (Committed Information Rate). Αυτό αποτελεί την εγγύηση για ρυθμό μετάδοσης πληροφοριών από το δίκτυο. Εάν υπάρχει διαθέσιμο bandwidth είναι δυνατή η περαιτέρω αύξηση αυτού του ρυθμού. Εννοείται ότι πρέπει η τιμή του να είναι μικρότερη ή ίση με τον επιτρεπτό ρυθμό μετάδοσης που υποστηρίζεται από την αντίστοιχη φυσική σύνδεση.

Ο χειριστής πλαισίων (π.χ. ένας router του παροχέα δικτυακών υπηρεσιών) ελέγχει τον ρυθμό μετάδοσης πλαισίων. Εάν αυτός ξεπεράσει το προσυμφωνημένο όριο, συνεχίζεται η προώθηση πλαισίων, αλλά το bit DE (Discard Eligible) μεταβάλλεται, ώστε να είναι δυνατή η παρά πέρα απόρριψή τους, εφόσον απαιτείται κάτι τέτοιο λόγω συμφόρησης.

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ CISCO ROUTER

Οι πρώτες δύο γραμμές καθορίζουν μία θύρα Ethernet στο τοπικό δίκτυο. Μετά λέμε στον δρομολογητή μας να “μιλάει” Frame Relay με rfc1490 encapsulation και LMI τύπου ANSI στην σειριακή θύρα 0. Στο δικό μας άκρο ανατίθεται μία ταυτότητα κυκώματος – DLCI 101. Ο δρομολογητής μας προωθεί όλη την κυκλοφορία που προορίζεται για μέρη άλλα από το τοπικό LAN μέσω του Frame Relay PVC. Συνήθως το DLCI 0 ή DLCI 1023 είναι δεσμευμένο για κυκλοφορία LMI ανάμεσα στις συσκευές του χρήστη και το δίκτυο Frame Relay.

Το παραπάνω παράδειγμα παρατίθεται για την περίπτωση που δεν θέλουμε να αναθέσουμε IP αριθμό στην Σειριακή θύρα που διακινεί Frame Relay. Οι πρώτες δύο γραμμές είναι ίδιες με το προηγούμενο παράδειγμα.

Αφού είναι δυνατόν να έχουμε περισσότερα από ένα λογικά κυκλώματα να καταλήγουν σε ένα φυσικό άκρο, παίρνουμε μία σειριακή θύρα (Serial0) και την χρησιμοποιούμε σαν να αποτελούνταν από έναν αριθμό λογικών υπο-θυρών. Για αυτό και γίνεται χρήση του Serial0 (φυσική θύρα) και Serial0.1 (λογική υπο-θύρα). Αν είχαμε και άλλα λογικά κυκλώματα, θα είχαμε και άλλες λογικές υπο-θύρες με τα ονόματα Serial0.2, Serial0.3, κλπ. Σημειώστε ότι οι λογικές υπο-θύρες κληρονομούν τα χαρακτηριστικά της φυσικής θύρας.

Εδώ έχουμε δρομολόγηση (με την εντολή route) χωρίς διεύθυνση (IP) ή addressless. Για αυτό και χρησιμοποιείται το όνομα της λογικής υπο-θύρας, αντί για την IP διεύθυνση του άλλου άκρου.