Frame Relay
Frame Relay
• O Frame Relay é uma tecnologia de
comunicação de dados de alta velocidade
que é usada em muitas redes ao redor do
mundo para interligar aplicações do tipo
LAN, SNA, Internet e Voz.
Frame Relay
• Basicamente pode-se dizer que a
tecnologia Frame Relay fornece um meio
para enviar informações através de uma
rede de dados, dividindo essas
informações em frames (quadros) ou
packets (pacotes). Cada frame carrega
um endereço que é usado pelos
equipamentos da rede para determinar o
seu destino.
Frame Relay
• A tecnologia Frame Relay utiliza uma forma
simplificada de chaveamento de pacotes,
que é adequada para computadores,
estações de trabalho e servidores de alta
performance que operam com protocolos
inteligentes, tais como SNA e TCP/IP. Isto
permite que uma grande variedade de
aplicações utilize essa tecnologia,
aproveitando-se de sua confiabilidade e
eficiência no uso de banda.
Histórico
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No fim da década de 80 e início da década de 90,
vários fatores combinados demandaram a
transmissão de dados com velocidades mais altas:
A migração das interfaces de texto para interfaces
gráficas;
O aumento do tráfego do tipo rajada (bursty) nas
aplicações de dados;
O aumento da capacidade de processamento dos
equipamentos de usuário (PCs, estações de
trabalho, terminais Unix, entre outros);
A popularização das redes locais e das aplicações
cliente / servidor;
A disponibilidade de redes digitais de transmissão.
Histórico
• Nessa época o Bell Labs (EUA) desenvolvia
a tecnologia ISDN e o protocolo Frame
Relay era parte desse conjunto. Entretanto,
devido a suas características, o protocolo foi
desmembrado e evoluiu como um serviço
de rede independente, com padrões e
recomendações elaborados por órgão
internacionais de Telecomunicações.
REDE FRAME RELAY
CARACTERÍSTICAS FRAME
RELAY
• O protocolo Frame Relay é resultado
da combinação das funcionalidades
de multiplexação estatística e
compartilhamento de portas do X.25,
com as características de alta
velocidade e baixo atraso (delay) dos
circuitos TDM.
CARACTERÍSTICAS FRAME
RELAY
• O Frame Relay é um serviço de pacotes
que organiza as informações em frames,
ou seja, em pacotes de dados com
endereço de destino definido, ao invés de
coloca-los em slots fixos de tempo, como
é o caso do TDM. Este procedimento
permite ao protocolo implementar as
características de multiplexação
estatística e de compartilhamento de
portas.
CARACTERÍSTICAS FRAME
RELAY
• Considerando o modelo OSI para protocolos, o Frame
Relay elimina todo o processamento da camada de rede
(layer 3) do X.25. Apenas algumas funcionalidades
básicas da camada de enlace de dados (layer 2) são
implementadas, tais como a verificação de frames
válidos, porém sem a solicitação de retransmissão em
caso de erro.
• Desta forma, as funcionalidades implementadas nos
protocolos de aplicação, tais como verificação de
seqüência de frames, o uso de frames de confirmações
e supervisão, entre outras, não são duplicadas na rede
Frame Relay.
CARACTERÍSTICAS FRAME
RELAY
• A figura a seguir mostra o uso do modelo
em camadas para o Frame Relay e suas
aplicações.
CARACTERÍSTICAS FRAME
RELAY
• A eliminação dessas funcionalidades
simplifica o protocolo, permite altas taxas
de processamento de frames e,
conseqüentemente, um atraso (delay)
menor que o do X.25, embora seja maior
que o do TDM, que não tem nenhum
processamento associado.
CARACTERÍSTICAS FRAME
RELAY
• Para permitir a eliminação de tais
funcionalidades da rede Frame Relay, os
equipamentos de usuários devem garantir
a transmissão de informações fim-a-fim
sem erros. Felizmente, a maioria desses
equipamentos, principalmente aqueles
destinados a aplicações do tipo LAN, já
tem inteligência e capacidade de
processamento para executar essa
funcionalidade.
CARACTERÍSTICAS FRAME
RELAY
• A tabela a seguir apresenta uma comparação
entre os circuitos TDM, o protocolo X.25 e o
Frame Relay.
Circuitos Virtuais (Virtual Circuits)
• A tecnologia Frame Relay é baseada
no uso de Circuitos Virtuais (VC's). Um
VC é um circuito de dados virtual
bidirecional configurado entre 2 portas
quaisquer da rede, que funciona como
um circuito dedicado. Existem 2 tipos
de VC's, conforme descrito a seguir:
Circuitos Virtuais (Virtual Circuits)
• 1) Permanent Virtual Circuit (PVC)
O PVC foi primeiro tipo de circuito virtual
padronizado para o Frame Relay a ser
implementado. Ele é configurado pelo operador
na rede através do sistema de Gerência de
Rede, como sendo uma conexão permanente
entre 2 pontos. Seu encaminhamento através
dos equipamentos da rede pode ser alterado ao
longo do tempo devido à falhas ou
reconfigurações de rotas, porém as portas de
cada extremidade são mantidas fixas e de
acordo com a configuração inicial.
Circuitos Virtuais (Virtual Circuits)
• 1) Permanent Virtual Circuit (PVC)
A configuração dos PVC's requer um
planejamento criterioso para levar em
consideração o padrão de tráfego da rede e
o uso da banda disponível. Sua utilização é
destinada a aplicações permanente e de
longo prazo e são uma alternativa aos
circuitos dedicados dos sistemas TDM com
boa relação custo / benefício.
Circuitos Virtuais (Virtual Circuits)
• 2) Switched Virtual Circuit (SVC)
O SVC também foi padronizado para o Frame Relay desde o
princípio, mas só foi implementado mais recentemente,
quando surgiram novas demandas de mercado. Ele é
disponibilizado na rede de forma automática, sem
intervenção do operador, como um circuito virtual sob
demanda, para atender, entre outras, as aplicações de Voz
que estabelecem novas conexões a cada chamada. O
estabelecimento de uma chamada usando o protocolo de
sinalização do SVC (ITU-T Q.933) é comparável ao uso
normal de telefone, onde a aplicação de usuário especifica
um número de destinatário para completar a chamada, e o
SVC é estabelecido entre as portas de origem e destino.
Circuitos Virtuais (Virtual Circuits)
• 2) Switched Virtual Circuit (SVC)
O estabelecimento de SVC's na rede é mais
complexo que os PVC's, embora seja
transparente para o usuário final. A conexões
devem ser estabelecidas de forma dinâmica na
rede, atendendo as solicitações de destino e
banda das diversas aplicações de usuários, e
devem ser acompanhadas e cobradas de
acordo com o serviço fornecido.
Circuitos Virtuais (Virtual Circuits)
• Enquanto o PVC oferece o ganho relativo
ao uso estatístico de banda do Frame
Relay, o SVC propicia a conectividade
entre quaisquer pontos de origem e
destino, o que resulta em flexibilidade e
economia para o projeto da rede.
Estrutura do Frame
• O protocolo do Frame Relay utiliza um frame
com estrutura comum e bastante
simplificada, conforme demonstram a figura
e a descrição a seguir:
Estrutura do Frame
• Estrutura do cabeçalho
Estrutura do Frame
• Flags - Indicam o início e o fim de cada frame.
• Cabeçalho - Carrega as informações de
controle do protocolo. É composto por 2 bytes
com as seguintes informações:
Estrutura do Frame
CABEÇALHO
• DLCI (Data Link Connection Identifier),
com 10 bits, representa o número
(endereço)designado para o destinatário
de um PVC dentro de um canal de
usuário, e tem significado local apenas
para a porta de origem (vide figura
abaixo);
Estrutura do Frame
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•
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CABEÇALHO
C/R (Command / Response), com 1 bit, é usado pela
aplicação usuária;
FECN (Foward Explicit Congestion Notification), com 1 bit,
é usado pela rede para informar um equipamento receptor
de informações que procedimentos de prevenção de
congestionamento devem ser iniciados;
BECN (Backward Explicit Congestion Notification), com 1
bit, é usado pela rede para informar um equipamento
transmissor de informações que procedimentos de
prevenção de congestionamento devem ser iniciados;
DE (Discard Eligibility Indicator), com 1 bit, indica se o
frame pode ser preferencialmente descartado em caso de
congestionamento na rede;
EA (Extension Bit), com 2 bits, é usado para indicar que o
cabeçalho tem mais de 2 bytes, em caso especiais;
Estrutura do Frame
• Informação de usuário - Contém as
informações da aplicação usuária a serem
transportadas através da rede FrameRelay.
• FCS O FCS (Frame Check Sequence)
representa o CRC padrão de 16 bits usado
pelo protocolo Frame Relay para detectar
erros existentes entre o Flag de início do
frame e o próprio FCS, e pode ser usado
apenas para frames com até 4096 bytes.
DLCI’s
• A figura a seguir exemplifica DLCI's configurados a
partir de uma mesma porta para vários
destinatários em locais distintos da rede.
DLCI’s
• Além disso, os frames podem ter comprimento
variável e, dependendo do tipo de informação da
aplicação do usuário, seu tamanho pode variar de
alguns poucos até milhares de caracteres. Esta
funcionalidade, similar ao X.25, é essencial para
a interoperabilidade com aplicações do tipo LAN
e outros tipos de tráfego síncrono.
• Essa facilidade, porém, faz com que o atraso
(delay) varie em função do tamanho do frame.
Entretanto, a tecnologia Frame Relay tem sido
adaptada para atender até mesmo as aplicações
sensíveis a atraso (delay), como é o caso da Voz
Fluxo das informações
O fluxo básico das informações em uma rede Frame Relay
é descrito a seguir:
• As informações são enviadas através da rede Frame
Relay usando o DLCI, que especifica o destinatário do
frame;
• Se a rede tiver algum problema ao processar o frame
devido à falhas ou ao congestionamento nas linhas de
dados, os frames são simplesmente descartados;
• A rede Frame Relay não executa a correção de erros,
pois ela considera que o protocolo da aplicação de
usuário executa a recuperação de falhas através da
solicitação de retransmissão dos frames perdidos;
Fluxo das informações
• A recuperação de falhas executada pelo protocolo da
aplicação, embora confiável, apresenta como resultado
o aumento do atraso (delay), do processamento de
frames e do uso de banda, o que torna imprescindível
que a rede minimize o descarte de frames;
• A rede Frame Relay requer circuitos da rede de
transmissão com baixas taxas de erros e falhas para
apresentar boa eficiência;
• Em redes de transmissão de boa qualidade, o
congestionamento é de longe a causa mais freqüente de
descarte de frames, demandando da rede Frame Relay
a habilidade de evitar e reagir rapidamente ao
congestionamento como forma de determinar a sua
eficiência.
Frame Relay: Sinalização
• Embora o protocolo Frame Relay tenha
sido desenvolvido para ser o mais simples
possível, e a sua premissa básica
determinar que os eventuais problemas de
erros da rede deveriam ser resolvidos
pelos protocolos dos equipamentos de
usuário, surgiram ao longo do tempo
necessidades que levaram os órgão de
padronização adefinir mecanismos de
sinalização para três tipos de situações:
Frame Relay: Sinalização
• Aviso de congestionamento;
• Estado das conexões;
• Sinalização SVC.
Entretanto, a implementação desses mecanismos
é opcional e, embora a rede seja mais eficiente
com a sua adoção, os equipamentos que não os
implementam devem atender pelo menos as
recomendações básicas doFrame Relay.
Aviso de Congestionamento
• A capacidade de transporte da Rede Frame Relay é limitada pela
sua banda disponível. Conforme o tráfego a ser transportado
aumenta, a banda vai sendo alocada até o limiar onde não é
possível receber o tráfego adicional.
• Quando atinge esse limiar, a rede é considerada congestionada,
embora ainda possa transportar todo o tráfego entrante.
• Caso os equipamentos de usuário continuem a enviar tráfego
adicional, a rede é levada ao estado de congestionamento severo, o
que provoca a perda de pacotes por falta de banda. Nesse estado,
os procedimentos de reenvio de pacotes perdidos dos
equipamentos usuários concorrem com o tráfego existente e a rede
entra em acentuado processo de degradação.
• Para evitar esse tipo de situação, foram definidos os seguintes
mecanismos de aviso de congestionamento:
Aviso de Congestionamento
1-Aviso Explícito de Congestionamento
2-Aviso Implícito de congestionamento
3-Elegibilidade para Descarte
Aviso de Congestionamento
1) Aviso Explícito de Congestionamento
• Este mecanismo utiliza os bits FECN e BECN
do cabeçalho do frame, descrito anteriormente,
para avisar os equipamentos de usuários sobre
o estado da rede.
• A figura a seguir ilustra um exemplo onde o
equipamento B está atingindo o estado de
congestionamento, como resultado de um pico
temporário de tráfego entrante, oriundo de
vários equipamentos, ou de um
congestionamento no tronco que interliga B e C.
Aviso de Congestionamento
Aviso Explícito de Congestionamento
•A figura a seguir ilustra um exemplo onde o equipamento B está atingindo o
estado de congestionamento, como resultado de um pico temporário de tráfego
entrante, oriundo de vários equipamentos, ou de um congestionamento no tronco
que interliga B e C.
Aviso de Congestionamento
Aviso Explícito de Congestionamento
• A identificação do congestionamento é feita pelo
equipamento B, baseado no estado de seus
buffers internos ou no tamanho de suas filas de
frames a enviar.
Aviso de Congestionamento
Aviso Explícito de Congestionamento
• Nesse momento B ativa o bit FECN nos frames
a serem enviados para avisar que a rede está
congestionada.
Aviso de Congestionamento
Aviso Explícito de Congestionamento
• Desta forma todos os equipamentos de rede e de
usuário envolvidos no caminho entre B e o destino
dos DLCIs afetados tomam conhecimento desse
fato.
Aviso de Congestionamento
Aviso Explícito de Congestionamento
• Dependendo da inteligência do protocolo da
aplicação
de
usuário,
procedimentos
de
recuperação de falha podem ser iniciados.
Aviso de Congestionamento
Aviso Explícito de Congestionamento
• Além de informar os equipamentos de destino, B ativa
também o bit BECN. Novamente, todos os
equipamentos de rede e de usuário envolvidos no
caminho entre B e a origem dos DLCIs afetados
tomam conhecimento do congestionamento.
Aviso de Congestionamento
Aviso Explícito de Congestionamento
• Dependendo da inteligência do protocolo da aplicação
de usuário, procedimentos de diminuição de tráfego a
ser enviado para a rede podem ser iniciados.
Aviso de Congestionamento
Aviso Explícito de Congestionamento
• O processo de ativação dos bits FECN e BECN
pode ocorrer simultaneamente em vários DLCIs,
como resultado da ocorrência de congestionamento,
avisando vários equipamentos de origem e destino.
Aviso de Congestionamento
2) Aviso Implícito de congestionamento
• Alguns protocolos dos equipamentos de aplicação, como o TCP/IP,
possuem mecanismos para verificar o congestionamento da rede.
Esses protocolos analisam, por exemplo, o atraso (delay) de
resposta dos frames enviados ou a perda de frames, para detectar
de forma implícita se a rede estácongestionada.
• Esses protocolos limitam o envio de tráfego para a rede por meio de
uma janela de tempo, que permite o envio de um determinado
número de frames antes que uma resposta seja recebida.
• Quando detecta que um congestionamento está ocorrendo, o
protocolo reduz a janela de tempo, o que reduz o envio de frames,
diminuindo o carregamento da rede.
• Esse mesmo procedimento de ajuste da janela de tempo é
normalmente usado pelos equipamentos de usuário como resultado
da sinalização de congestionamento explícito dos bits FECN e
BECN.
• Os avisos explícito e implícito de congestionamento são
complementares, e devem ser usados de forma conjunta para
avaliar o envio de tráfego para a rede, como forma de evitar
eventuais congestionamentos.
Aviso de Congestionamento
3) Elegibilidade para Descarte
• Alguns equipamentos de usuário não têm
inteligência ou capacidade de processamento
para analisar os avisos de congestionamento,
que de fato são a parte opcional do padrão
Frame Relay. Entretanto, como parte do padrão
básico do Frame Relay existe no cabeçalho do
protocolo o bit DE que, se ativado, indica aos
equipamentos da rede que o frame pode ser
descartado em caso de congestionamento.
Aviso de Congestionamento
3) Elegibilidade para Descarte
• Para definir o procedimento de ativação do bit DE, o
padrão Frame Relay definiu o CIR (Committed Information
Rate), que representa a capacidade média de informação
de um circuito virtual. Para cada VC a ser ativado na rede,
o usuário deve especificar o CIR de acordo com a
necessidade de sua aplicação. Normalmente o CIR é
especificado como sendo uma porcentagem da
capacidade máxima da porta física onde é conectado o
equipamento de aplicação do usuário, ou seja, para uma
porta de 64 kbits/s, por exemplo, pode-se adotar um CIR
de 32 kbits/s (50%) a ser configurado para o VC.
Aviso de Congestionamento
3) Elegibilidade para Descarte
• Desta forma, tanto os equipamentos de usuário
como os equipamentos de rede passam a ativar
o bit DE toda vez que um frame a ser enviado
ultrapasse o CIR configurado para o respectivo
VC. Isto implica que, em caso de
congestionamento, os frames que possuem o bit
DE ativado são preferencialmente descartados
para tentar normalizar o carregamento da rede.
Aviso de Congestionamento
3) Elegibilidade para Descarte
.
• Quando o descarte de frames com o bit
DE ativado não é suficiente para acabar
com o congestionamento da rede,
qualquer tipo de frame é descartado,
independente do estado do bit DE.