Технологию frame relay рассматривают как идеальную магистраль глобальной сети для клиент-серверного трафика. Поэтому, думается, настало время поговорить и об этой технологии, и об ее достоинствах более подробно.


ОСНОВЫ FRAME RELAY
ПОЧЕМУ FRAME RELAY?
БУДУЩЕЕ FRAME RELAY

Все большие и большие объемы клиент-серверного трафика передаются по глобальным сетям. Трафик, порождаемый клиент-серверными приложениями, написанными для локально-сетевых сред, имеет, как правило, чрезвычайно неравномерный характер: значительная пропускная способность требуется в течение коротких интервалов времени. Передача такого трафика по выделенным линиям или по сети с временным разделением каналов неэффективна, поскольку большую часть времени доступная емкость расходуется впустую: временные слоты резервируются вне зависимости от того, передается информация или нет. Поэтому если организация собирается развертывать клиент-серверные приложения по глобальным сетям, то frame relay будет более выгодным, чем выделенные линии, решением.

Протокол frame relay опирается на концепцию пакетной коммутации, и, как следствие, он больше подходит для передачи клиент-серверного трафика по глобальной сети. С помощью этой технологии несколько абонентов могут совместно использовать одну и ту же магистраль таким образом, что каждый из них получает необходимую ему пропускную способность в нужный для себя момент. Одно из основных преимуществ frame relay состоит в том, что он обслуживает пакетные посылки данных таким образом, что абонентские сети могут отправлять столько данных по сети frame relay, сколько им необходимо в тот или иной момент времени. Пользователи получают большую пропускную способность за меньшую, чем в случае TDM, цену, поскольку им не приходится платить за неиспользуемую выделенную емкость.

В предлагаемой статье мы рассмотрим, как frame relay работает и какие выгоды он имеет в связи с клиент-серверными вычислениями. Однако сначала необходимо прояснить термины и концепции.

ОСНОВЫ FRAME RELAY

Протокол frame relay ориентирован на установление соединения. Виртуальное соединение - постоянное или коммутируемое (PVC или SVC) - необходимо установить прежде, чем два узла смогут обмениваться друг с другом информацией. PVC - это постоянное соединение между двумя узлами, и оно не может быть произвольным образом разорвано. Напротив, SVC обеспечивает по требованию коммутируемый сервис frame relay между двумя узлами. Предназначение этих соединений состоит в расширении области применения frame relay на другие типы приложений, такие как голос, видео и защищенные приложения Internet, помимо прочих. Однако в настоящее время SVC не получили широкого распространения, поскольку реализовать их сложнее, чем PVC. Как следствие, PVC является наиболее распространенным режимом связи в сети frame relay.

Каждое соединение PVC, как и SVC, идентифицируется уникальным образом посредством идентификатора канала передачи данных (Data-Link Control Identifier, DLCI). DLCI схож с телефонным номером, за тем исключением, что сфера его действия ограничивается только локальным участком сети. Благодаря этому разные маршрутизаторы в сети могут повторно использовать тот же самый DLCI, что позволяет сети поддерживать большее число виртуальных каналов. Таблицы перекрестных соединений (cross-connect tables), распространяемые между всеми коммутаторами frame relay в сети, устанавливают соответствие между входящими DLCI и исходящими DLCI (см. Рисунок 1).

Picture_1

Рисунок 1.
Каждое соединение PVC и SVC в сети frame relay идентифицируется уникальным образом с помощью DLCI, сфера действия которого ограничена только локальным участком сети.

Соединения frame relay функционируют на канальном уровне (второй уровень модели OSI). В сети frame relay данные делятся на кадры переменной длины (аналогично пакетам в локальной сети), содержащие адресную информацию. На Рисунке 2 изображена структура кадра frame relay.

Picture_2(1x1)

Рисунок 2.
В среде frame relay данные разбиваются на кадры переменной длины, напоминая тем самым пакеты в локальной сети. Каждый кадр содержит адресную информацию.

По сравнению со своим предшественником, X.25, frame relay имеет значительные преимущества в производительности. Во время разработки X.25 соединения в глобальных сетях создавались по большей части на основе менее надежной аналоговой технологии. Поэтому, чтобы пакеты прибывали к получателю без ошибок и по порядку, X.25 требует от каждого промежуточного узла между отправителем и получателем подтверждения целостности пакета и исправления любой обнаруженной ошибки. Связь с промежуточным хранением замедляет передачу пакетов, ведь каждый узел проверяет контрольную последовательность (Frame Check Sequence, FCS) каждого поступающего пакета и только затем передает его дальше.

С появлением высоконадежных цифровых каналов такая проверка стала излишней. Поэтому frame relay, использование которого подразумевает наличие цифровой инфраструктуры, не занимается поиском и коррекцией ошибок. Коммутаторы frame relay используют технологию сквозной коммутации, при которой каждый пакет направляется на следующий транзитный узел сразу же по прочтении адресной информации. Если случается какая-либо ошибка, коммутаторы frame relay отбраковывают кадры, а не пытаются их восстановить. Восстановление осуществляется оборудованием конечного пользователя. Когда промежуточное оборудование избавлено от необходимости обнаружения и исправления ошибок, накладные расходы по обработке в расчете на кадр снижаются, что, в свою очередь, повышает пропускную способность.

Кроме того, frame relay не использует процедур управления потоками, что тоже является одним из факторов, определяющих его более высокую производительность. Управление потоком - это процедура управления скоростью, с которой маршрутизатор подает пакеты на коммутатор. Если принимающий коммутатор не в состоянии принять еще какие-либо пакеты (например, из-за перегрузки), то он может обратиться к маршрутизатору с просьбой приостановить отправку пакетов. Когда затор расчистится, коммутатор сообщит маршрутизатору, что можно возобновить передачу данных. Этот процесс гарантирует, что принимающему коммутатору не надо будет самому отбраковывать данные. Frame relay не регулирует этот процесс; если у коммутатора frame relay нет достаточного буферного пространства для приема поступающих кадров, то он их отбраковывает. Однако маршрутизатор может инициализировать процедуру восстановления данных.

Ввиду отсутствия в frame relay управления потоком пользователи могут отправлять в сеть столько данных, сколько им необходимо. Такого рода "свободная для всех" полоса имеет значительные преимущества в производительности при пакетной передаче данных. Однако она может стать и недостатком, если, скажем, множество пользователей направят в сеть данные одновременно. Во избежание таких ситуаций была разработана концепция согласованной скорости передачи информации (Committed Information Rate, CIR).

CIR - минимальная пропускная способность, гарантированная каждому PVC или SVC. Эта скорость (в битах в секунду) выбирается абонентом в соответствии с объемом данных, которые он собирается передавать по сети, и гарантируется она оператором frame relay. Скорость может варьироваться от 16 Кбит/с до 44,8 Мбит/с. Если пакетные посылки не превосходят скорость порта подключения абонента и пропускная способность сети frame relay в данный момент свободна, то абонент может превысить согласованное значение CIR. Скорость, с которой абонент посылает данные при наличии достаточной пропускной способности, называется oversubscription rate.

Когда система frame relay из-за перегруженности сети не может обработать все кадры, она отбрасывает избыточные. Поле разрешения на отбраковку (Discard Eligibility, DE) в кадре frame relay позволяет регулировать этот процесс. Для каждого кадра, пересылаемого по сети, коммутатор frame relay инвертирует бит поля DE, если данный кадр превышает спецификацию CIR абонента. Пока есть достаточная пропускная способность коммутатор передает эти пакеты. Однако в случае затора они могут быть отбракованы последующими коммутаторами. О связи между DE и управлением потоком мы расскажем несколько позже.

ПОЧЕМУ FRAME RELAY?

Теперь, когда мы рассмотрели базовые концепции frame relay, давайте обсудим более подробно, почему эта технология во многих отношениях идеально подходит для доставки клиент-серверного трафика по глобальной сети. Идеальная технология для магистрали глобальной сети должна отвечать трем основным требованиям клиент-серверных платформ: надежность, доступность и удобство эксплуатации.

Надежность. Осуществление соединения по глобальной сети связано с некоторой неопределенностью, потому что вы не владеете этой сетью и, таким образом, не имеете контроля над трактами. В подобных ситуациях соединение по глобальной сети должно быть чрезвычайно отказоустойчиво. Frame relay отвечает этому требованию благодаря обеспечению динамической ремаршрутизации в случае отказа PVC.

Физически сети frame relay образуют ячеистую структуру коммутаторов. Одно из преимуществ такой ячеистой конфигурации состоит в том, что она обеспечивает определенную степень отказоустойчивости. Если из-за выхода из строя какого-либо узла PVC становится недоступным, то соседний коммутатор перенаправит соединение по альтернативному информационному каналу. В результате характеристики передачи лишь несколько ухудшатся. Кроме того, благодаря такой ячеистой конфигурации коммутаторы могут направлять кадры в обход других коммутаторов, если те испытывают значительную перегрузку.

Для защиты от сбоев на уровне узла операторы frame relay предлагают две опции: запасные и резервные PVC. В случае запасного соединения (standby PVC) PVC устанавливается и активизируется в запасном узле; этот канал имеет существенно меньшую скорость CIR, чем основное PVC. Если вдруг узел пострадает от землетрясения или пожара, то запасное PVC будет активизировано практически немедленно.

В случае резервного соединения (backup PVC) PVC устанавливается на запасной площадке, но не активизируется. Если функционирование основного узла невозможно, PVC будет активизировано. Запасное PVC подходит для наиважнейших приложений благодаря тому, что его емкость может быть временно увеличена для предоставления более высокой пропускной способности; администратору сети достаточно только позвонить оператору, и он предоставит эту дополнительную пропускную способность до тех пор, пока основной канал не будет восстановлен.

Подход frame relay к защите от сбоев более гибок и менее дорогостоящ, нежели у TDM. В случае TDM вы должны будете иметь несколько запасных выделенных линий. Такая конфигурация и дорога, и сложна. После аварий администратору придется конфигурировать все оборудование, в том числе маршрутизаторы и CSU/DSU, в помещении заказчика.

Доступность. Соединение по глобальной сети должно иметь те же характеристики, что и локальная сеть, т. е. оно должно поддерживать пакетный трафик. Frame relay вполне отвечает этому требованию доступности.

Независимо от того, какие протоколы используются - TCP/IP, IPX/SPX или DECnet, все сети обладают двумя фундаментальными характеристиками: трафик имеет пакетный характер, а все пакеты - переменную длину. Нетрудно представить, что технология глобальной сети, отвечающая тем же характеристикам, будет иметь преимущество.

Как упоминалось ранее, PVC допускают передачу трафика сверх согласованного, если сеть frame relay способна предоставить необходимую пропускную способность. Поэтому в случае клиент-серверных приложений frame relay имеет преимущества в производительности, т. к. может обслуживать пакетные посылки данных. Клиент-серверным приложениям необходима, как правило, значительная пропускная способность на короткие промежутки времени. Такая особенность frame relay сулит экономическую выгоду, поскольку абоненты могут занять дополнительную полосу при условии, что сеть способна ее предоставить. Конечно, если кадры превосходят согласованную скорость передачи, то коммутатор frame relay выставляет флаг с разрешением на их отбраковку, так что любой коммутатор в случае затора сети может их удалить. Если пакеты потерялись при передаче, то принимающий маршрутизатор, получив, скажем, из 500 пакетов только 355, пошлет сообщение к отправляющему маршрутизатору о том, что он должен отправить заново всю последовательность пакетов. Этот процесс увеличивает как время отклика, так и потребление пропускной способности сети.

Frame relay позволяет передавать кадры размером до 4096 байт, а этого достаточно для пакетов Ethernet и Token Ring, максимальная длина которых составляет 1500 и 4096 байт соответственно. Благодаря этому пакеты не надо делить на более мелкие куски при передаче, а стало быть, frame relay не предусматривает накладных расходов на сегментацию и сборку.

Удобство. Соединение по глобальной сети должно поддерживать различные скорости передачи исходящего и входящего трафика. Ввиду того, что входящий трафик к серверу, как правило, меньше исходящего трафика к клиенту, глобальная сеть должна поддерживать асимметричный режим работы. Кроме того, для обеспечения необходимого управления потоком технология глобальной сети должна поддерживать TCP/IP на верхних уровнях модели OSI. Frame relay отвечает этим требованиям, т. к. предоставляет асимметричные PVC и хорошо работает с TCP/IP.

TCP/IP является стандартом де факто для сетей на базе клиент-серверной архитектуры. Ввиду того, что этот протокол создавался с нуля специально для работы в глобальных сетях, он совместим с frame relay и, в частности, осуществляет управление потоками, которое, как уже упоминалось, frame relay не обеспечивает.

Напомним, что frame relay предназначен для работы по цифровым линиям с очень малым числом ошибок. Таким образом, он не осуществляет проверки на наличие ошибок на каждом транзитном узле - такая проверка просто необходима в сетях с коммутацией пакетов по протоколу X.25, т. к. обычно они базируются на менее надежных аналоговых линиях. Это позволяет сократить накладные расходы по обработке каждого кадра и, как следствие, повысить пропускную способность сети. Однако преимущество в скорости имеет и оборотную сторону: когда коммутатор frame relay вследствие перегрузки сети отбрасывает пакеты с выставленным флагом DE, маршрутизатор по истечение срока ожидания подтверждения получения пакета с данным порядковым номером посылает кадр заново, что ведет еще к большему затору в сети.

К счастью, некоторая степень управления потоками обеспечивается TCP/IP и битами явного извещения о перегрузке в прямом и обратном направлениях (Forward Explicit Congestion Notification, FECN, и Backward Explicit Congestion Notification, BECN), причем последние являются особенностями frame relay. Информационные биты FECN и BECN выставляются во время передачи кадра. Эти два бита используются для извещения отправителя или получателя о том, что на своем пути пакет прошел через затор трафика. Маршрутизаторы с интерфейсами frame relay могут для предотвращения перегрузки сети и потери пакетов расшифровать значение этих битов и активизировать управление потоком на базе TCP/IP.

Например, маршрутизатор-получатель имеет возможность замедлить маршрутизатор-отправитель посредством сброса своего окна приема до 0. Активизация этой опции весьма эффективна, поскольку она запрещает отправителю передавать какие-либо данные. Второй вариант управления потоком состоит в регулировке таймера повторной передачи. В этом случае, после того как отправитель не получил подтверждения от получателя несколько раз, значение таймера увеличивается. Благодаря этому отправитель будет сдерживаться от затопления данными и без того переполненной сети, так что сеть получает передышку для передачи отложенного трафика. Когда затор расчистится, отправитель вернет назад прежнее значение таймера.

Возможно, одним из наиболее привлекательных аспектов frame relay является поддержка асимметричных PVC, обеспечивающих различные скорости передачи данных для входящего и исходящего трафика. В большинстве клиент-серверных конфигураций (будь то приложения баз данных на базе SQL или приложения Internet/Intranet на базе Web) предполагается, что сервер взаимодействует с клиентскими приложениями по высокоскоростной сети. Обычно в рамках обмена сообщениями типа запрос/ответ клиент посылает различные небольшие предложения SQL или URL, а сервер отправляет в ответ либо несколько строк из базы данных, либо большой документ HTML. Иными словами, картина входящего/исходящего трафика для этих двух типов приложений асимметрична (см. Рисунок 3). Frame relay вполне отвечает этим требованиям.

Picture_3(1x1)

Рисунок 3.
Рисунок иллюстрирует реализацию асимметричных PVC. Серверы в головном офисе имеют исходящий CIR, в два раза превосходящий по емкости входящие CIR из региональных офисов. Такая конфигурация обеспечивает различные скорости передачи данных для входящего и исходящего трафика.

Вообще говоря, frame relay является полнодуплексной технологией, т. е. потоки данных двунаправленны. Однако, когда речь идет об определении CIR для PVC, то его можно задавать для каждого направления в отдельности. Такая конфигурация позволяет определить необходимую пропускную способность для подсоединенных узлов к серверам в центре обработки данных. Понимание потребностей приложений и пользовательских профилей поможет определить, как много PVC вам необходимо и каковы должны быть для них значения CIR.

Симплексный асимметричный подход к PVC дает проектировщикам сетей больший контроль за скоростью передачи данных и ценой. Представьте себе, что вам необходимо связать два узла, скажем А и Б. Согласно расчетам узлу А необходим канал на 128 Кбит/с, в то время как узлу Б - на 512 Кбит/с. Оба узла могут передавать данные одновременно, используя ту полосу, которая им для этого необходима.

Для удовлетворения этим требованиям с помощью выделенных линий, вы должны будете арендовать неполную линию T-1 на 640 Кбит/с, чтобы клиенты и серверы могли взаимодействовать друг с другом. Другими словами, необходимую емкость надо удвоить, причем она не будет нужна вам все время. В случае frame relay вы должны будете предоставить PVC с исходящим CIR на 128 Кбит/с для узла А и PVC с исходящим CIR на 512 Кбит/с для узла А. Как легко понять, в такой ситуации frame relay гораздо более экономичен.

Другое удобство frame relay в том, что в управлении он намного проще выделенных каналов. Например, в случае центра обработки данных 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.

К бесспорным достоинствам frame relay 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. Никакого дополнительного оборудования при переходе на более высокую скорость не требуется, если только она не превосходит скорость порта установленного у вас оборудования.

БУДУЩЕЕ FRAME RELAY

Обсуждение совместимости frame relay с технологией клиент-сервер не будет полным без рассмотрения его перспектив. Ниже мы приводим некоторые факторы, благодаря которым frame relay получает шанс утвердиться в качестве идеальной технологии для корпоративных глобальных сетей.

Тарифная сетка SVC и голос по frame relay должны способствовать распространению frame relay. Одно из преимуществ TDM состоит в том, что эта технология позволяет поддерживать на одной и той же магистрали самый разнообразный трафик - голос, видео, факс и данные - с помощью мультиплексоров и банков каналов. Такой подход позволяет компенсировать ежемесячные затраты на выделенные линии, если персонал по обе стороны линии будет вести телефонные переговоры по предписанным каналам.

Что касается голоса, то за счет применения специальных мультиплексоров и сжатия речи технология frame relay довольно близко подошла к поддержке голосового трафика. Однако возможность передачи голоса зависит от ее поддержки владельцами сетей связи. Поэтому голос по frame relay доступен далеко не везде. Тем не менее эта технология получает все большую популярность, так что ее широкая доступность - дело времени.

Необходимо иметь в виду, что способность frame relay передавать голосовой трафик не означает, что тем же образом он может передавать факсимильный трафик. Механизмы сжатия голоса не поддерживают модемный трафик на скоростях свыше 4,8 Кбит/с. Поэтому передача факса по frame relay весьма проблематична. То же самое относится к видео, т. к. frame relay не может, вообще говоря, адекватным образом поддерживать чувствительный ко времени трафик.

Симбиоз с высокоскоростными технологиями, такими как ATM, также должен повысить привлекательность frame relay. Последние несколько лет ATM рекламируется как панацея от всевозможных сетевых проблем. Хотя ATM поддерживает гораздо более высокие скорости передачи информации и гораздо более многочисленные типы данных, чем frame relay, следующие три обстоятельства должны гарантировать в определенной мере долгую жизнь frame relay.

Во-первых, ATM остается весьма дорогостоящей технологией для многих организаций, не имеющих ресурсов или насущной потребности вложений в инфраструктуру (в том числе концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы и сетевые платы).

Во-вторых, владельцы сетей связи наращивают скорости frame relay до уровня свыше DS-3 (44,8 Мбит/с). Это предложение именуется высокоскоростным frame relay. Поэтому frame relay остается привлекательным вариантом даже для тех пользователей, которым необходима высокая пропускная способность.

В-третьих, инициатива FUNI, или Frame Relay User Network Interface, позиционирует ATM как дополнительную технологию по отношению к frame relay.

Подводя итог, скажем, что frame relay служит и будет продолжать служить в качестве надежной экономичной среды для клиент-серверных приложений, а также для других (например, для передачи речи при условии, что она получит широкую поддержку).


Дэниел Ву - вице-президент компании - системного интегратора Technology Solutions Company. Он специализируется по вопросам сетевой инфраструктуры и клиент-серверной архитектуры. С ним можно связаться по адресу: Daniel_Wu@techsol.com.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями