FraeRelay技术详解与其技术讲解.docx
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FraeRelay技术详解与其技术讲解
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作者:
PanHongliang
仅供个人学习
Frame-Relay技术详解与其技术讲解
来源:
作者:
发布时间:
2008-07-30阅读次数164
45.1.1Frame-Relay技术背景
Frame-Relay技术创立于80年代,到90年代获得了巨大的发展。
它结合了X.25统计多路复用和端口
共享技术,以及TDM电路交换的高速度低延迟的特点。
帧中继思想源于X.25,但是为了更好的实现互联
互通,去掉了X.25的第3层协议,并将寻址和多路复用集中在第二层。
这样和OSI模型更加兼容,同时在
2层实现了PVC的控制,并且在错误发生时,仅检查是不是无错的有效帧,而不要求重发,从而丢弃了顺
序,窗口,应答以及监督帧等高层协议功能。
在帧中继结构中主要包括帧模式承载服务的连接访问过程(LAPF
的核心和控制协议。
帧中继使用可变长度的帧结构,该特点会影响延迟敏感用户,因为分组大小是延迟的一个决定性因素,
尽管在帧中继压缩中起重要作用,但处理语音传输时会成为一个缺点。
尽管如此,帧中继依然是作为数据
传输的一个很好选择,因为帧中继仅在数据传送时占用带宽,带宽利用率较高,同时对于通信线路的可靠
性加强以及在端系统增加错误处理机制使得帧中继可以丢弃帧,使得错误处理过程加快。
帧中继实现过程中有ANSI和ITU-T两种标准,
后期为了帧中继发展,创立了FRF(Frame-RelayForum)来改进已经存在的标准,使不同发行商产品间的
互操作更为容易。
45.1.2Frame-Relay体系结构
帧中继协议的体系结构,它包括两个操作平面:
控制平面:
用于建立和释放逻辑连接。
控制平面使用Q.921/Q.931协议,在用户和网络之间操作。
用户平面:
用于传送用户数据。
用户平面协议则提供端到端的功能,并处理64kbit/s信道B,16
或64kbit/s的信道D或者信道H(384,1472,1536kbit/s)
45.1.3DLCI寻址
帧中继是一个第二层的面向链接的协议,两个端点之间的帧中继链路可以是永久的或可交换的。
一个
永久的帧中继虚链路称为PVC,而一个可交换的帧中继虚链路称为SVC。
一条点到点的PVC连接两个端点,每一个端点通过一个DLCI使用PVC。
这些DLCI的值是局部有效的,
也就是说在帧中继网络中,不同的端口的DLCI值是无需不同的。
帧中继网络的基础工作是从一个端口接收
业务,检测与这个业务相连的DLCI值,并以适当的DLCI值将这个业务从适当的端口发送到目标结点去。
在
这个电路两旁的前后两个DLCI值可以相同,亦可不同。
如果不同,帧中继交换网络负责DLCI标志的转换。
45.1.4LAPF核心及T1.618帧格式
LAPF(LinkAccess Procedures to FrameModeBearer Services)是帧方式承载业务的数据链路层协议和规
程,包含在ITU-T建议Q.922中。
LAPF的作用是在用户-网络接口的B、D或H通路上为帧方式承载业务,
在用户平面上的数据链路(DL)业务用户之间传递数据链路层业务数据单元(SDU)。
LAPF使用I.430和I.431支持的物理层服务,并允许在ISDN B/D/H通路上统计复用多个帧方式承载连
接。
LAPF也可以使用其它类型接口支持的物理层服务。
LAPF的一个子集,对应于数据链路层核心子层,用来支持帧中继承载业务。
这个子集称为数据链路核
心协议(DL-CORE)。
LAPF的其余部分称为数据链路控制协议(DL-CONTROL)。
APF核心用于帧中继,它在一个
单独的信道上,使用DLCI实现了多个连接的统计多路复用。
并且实现了帧的界定,顺序控制,端到端的错
误控制和流控。
帧中继吸引人的原因之一就是它的高效性。
用户的数据最多可以达到 8K,其中只有2个节的地址额
外开销。
下图给出了帧中继的帧格式。
网络层
LAPF控制
DTE
FCSFlags
用户-网络
LAPF核心
标志(Flag):
帧中继帧的开头和结尾必须包含至少一个7Eh分隔符。
这个比特序列使得接收方能够与帧
的开始、结束保持同步。
发送方检查数据流中的011111串,如果发现该串,则在第五个1后面插入0,在
接收方去掉这个0,这样就保证7Eh字符不会出现在用户的数据业务中;
地址(Address):
地址域可以为2.3或4字节。
常用的为2字节。
在2字节的地址域中包含如下子域:
DLCI:
缺省情况下这个域10比特长,包含了标志虚链路的DLCI值。
扩展的地址帧格式可以
为3字节(16或17位)或者4字节(23位),
在帧中继中DLCI值得使用情况如下:
0 保留给呼叫控制信令
1-15 保留
16-1007 用于PVC
1008-1022 有些发行商用于组播
1023 开始时被定义用于LMI,在T1.618中用于统一的连接层管理消息
对于CiscoLMI可以提供992个虚拟信道,而对于ANSI可以提供976个虚拟信道。
3字节和4字节的地址域如下图所示:
C/R:
这一位是命令响应位,在一般的帧中继中并不使用。
EA:
这一位是地址扩展位,用来指示报头是2字节还是3字节、4字节的,在报头的最后一
字节中将其置1(如上图所示)。
FECN:
这个比特是向前阻塞标志位,它用来告诉接收帧中继帧的用户方在发送方向上发生了
帧阻塞。
BECN:
这一位是向后直接阻塞标志位。
它用来告诉接收方在帧发送相反的方向上出现了直接
阻塞。
DE:
这一位是可丢弃位。
这一位可由帧中继DTE设备(如路由器)或帧中继交换网络来设置。
当帧中继网络拥塞时,如果DE位为1,分组是适合丢弃的,在拥塞情况下, 它会被丢弃而
不进行任何通知。
有效载荷(Payload):
有效载荷包含了封装好的上层数据,用于将高层的PDU通过帧中继网络传输,该
字段为可变长度,最大长度为16000字节,
帧检查序列域(FCS):
该字段用于数据侦错,它是一个发送方CRC校验后的数据,当接受方收到该帧后,
再做一次CRC校验,如果发现结果不同,则认为该帧为错误帧。
但是这个字段仅有2个字节,采用CRC-16
多项式,仅能对4096个字节进行错误检测,远远小于有效载荷的最大长度。
45.1.5LAPF控制协议
为了提供帧交换服务,LAPF控制协议和LAPF核心协议配合使用,这个协议就是完整个的Q.922,它既
在用户的系统也在网络(帧处理器)中实现,控制协议提供粗无控制和流控功能,如下图所示:
LAPF帧结构如下:
地址段,标志段和FCS和LAPF核心完全相同。
信息域用于携带高层的PDU。
控制域与D信道链路接
入过程(LAPD)有相同的格式和功能,Q.922有两种格式,其区别为控制域的位置,
帧中继控制域是信息域的一部分,因为帧中继不监视信息域,使端对端的流控和错误控制成为可能。
同时信息域可以包含网络和传输层PDU。
用于交换承载服务的帧结构如下,控制域不是信息域的一部分,从而对网络层可见,错误控制放在用
户-网络的结构中,不管这第二层控制特性,错误控制和流控功能仍然在高层协议中能够采用。
对于控制字段可以分为3种类型的帧。
信息传输帧(I帧)用来传送用户数据,但在传用户数据的同时,I帧还捎带传送流量控制和差错控制信
息,以保证用户数据的正确传送,帧格式如下,P/F为Polling/Final位。
监视帧(S帧)专门用来传送控制信息,当流量和差错控制信息没有I帧可以“搭乘”时,需要用S帧来
传送,帧格式如下,S为监督功能位。
无编号帧(U帧),有两个用途:
传送链路控制信息以及按非确认方式传送用户数据。
帧格式如下,M
为修改功能位。
一般而言信息域有两种格式,图中的IE指信息元素:
IE域携带了高层的协议信息,例如用户数据,高层开销以及路由更新等,它们对帧中继网络是透明的。
对这个与并不做检查和改变。
而4种信令消息都是用Q.931消息头携带。
45.1.6LAPF帧交换
LAPF的帧交换过程是对等实体之间在D/B/H通路或其它类型物理通路上传送和交换信息的过程,进行
交换的帧就是I帧、S帧和U帧。
采用非确认信息传送方式时,LAPF的工作方程十分简单,用到的帧只有一种,即无编号帧。
U帧的信
息字段包含了用户发送的数据,U帧到达接收端后,LAPF实体按FCS字段的内容检查传输错误,如没有错
误,则将信息字段的内容送到第3层实体,如有错误,则将该帧丢弃,但不论接收是否正确,接收端都不
给发送端任何回答。
采用确认信息传送方式时,LAPF的帧交换分为3个阶段:
连接建立、数据传送和连接释放。
1)连接建立
任何一端都可以通过发送一个SABME帧来申请一条逻辑连接,这通常是对来自一个第3层
实体的申请的响应。
SABME帧含有数据链路连接标识符(DLCI)。
LAPF实体接收该SABME帧,并
发送一个连接申请指示给合适的第3层实体;如果该第3层实体以接受连接来响应,则该LAPF
实体发送一个UA帧返回给对方。
当对方的LAPF实体收到表示接受的UA帧时,就向上送一个证
实信息给提出申请的用户。
如果终点用户拒绝该连接申请,其LAPF实体就回送一个DM帧,接
收DM的LAPF实体则通知其用户对方拒绝建立连接。
2)数据传递
当连接请求已被接受和证实,就建立起该连接,双方就可以在I帧中发送用户数据,并以
序号0开始,I帧中的N(S)及N(R)两个字段用于流量控制和差错控制,一个发送I帧序列的LAPF
将对这些帧编制序号(mod128),并将顺序号放进N(S)中,N(R)是已接收的I帧的捎带确认,它使
LAPF实体能够指示它期望接收的下一个I帧的序号。
3)连接释放
任何一方LAPF实体均可启动一次切断(操作),可以是出于它本身的原(例如出了某种故障),
或者根据它的第3层用户的请求。
LAPF实体通过发送一个DISC帧给对等的实体来切断连接。
对
方的LAPF实体必须通过回答一个UA而接受该切断,并通知第3层用户连接已经终止。
在途中
的任何还未被确认的I帧均会被丢失,由较高层负责恢复。
IE2IE...
45.1.7LMI
帧中继提供了一个在帧中继交换机和帧中继DTE(路由器)之间的简单的信令协议。
这个信令协议就是
本地管理接口(LocalManagementInterface ,LMI)协议。
LMI消息提供了关于当前DLCI值,虚电路状态等信
息。
LMI信令协议可通告PVC的增加和删除,也使帧中继交换机和帧中继数据终端设备间的数据不被破坏。
LMI包括以下机制:
Keepalive机制----用于检验数据正在流动。
状态机制----用于提供网络和用户设备间的通信和同步,它们定期报告新的PVC存在和已
有PVC删除。
通常还提供关于PVC完整性的信息,VC状态消息可以防止数
据发送到黑洞。
多播机制----允许发送者发送一个单一帧,能够通过网络传递给多个接收者。
全局寻址----它使帧中继网络在寻址方面类似于一个LAN,给予连接标识符全局意义。
LMI分为三种,在帧中继交换机和相连的DTE中,LMI必须是同一种。
帧中继提供商一般会告诉用户
他们使用的是哪种LMI,三种LMI分别如下:
ANSI附件D:
ANSIAnnexD的DLCI值为0,在帧中继交换机和帧中继DTE之间传输状态信
息,在Cisco中称这种LMI为ANSI。
ITU-T附件A:
附件A的DLCI值也为0,也是在帧中继交换机和帧中继DTE之间传输状态
信息。
附件A信令也提供每条PVC的CIR值,也是由帧中继交换机的端口提供的状态规
定的。
在Cisco中称这种LMI为Q933A。
LMI:
LMI的DLCI值为1023,它在帧中继交换机和帧中继DTE之间传输状态信息。
在Cisco
中,这种LMI称为Cisco。
Q933ALMI
目前帧中继解决方案绝大部分基于PVC,但是对于SVC可以使用ITUQ933A LMI。
同时对于不同厂商之
间的设备,可以通过Q933ALMI很好的兼容。
CiscoLMI
CiscoLMI协议主要用于完成如下功能:
允许网络通知FRAD(framerelayaccessdevice)活动的DLCI和当前的DLCI
如果DLCI被删除或失败,允许网络通知FRAD
通过Keepalive消息,实时监视路由器到网络的链路状态
Cisco LMI定义了两种消息:
状态查询和状态。
这两种消息都以HDLC UI帧发送,控制字段为03H,3
字节消息头基于Q.931并且包含一个协议鉴别字节(09H),一个呼叫参考值(00H)以及一个消息类型鉴别符,
消息类型值为75H(01110101)是状态查询,7DH(01111101)是状态。
这种LMI类型的格式如下图所示:
在如上的IE字段中,IE1为报告类型,当值为00H时,表示全状态消息。
IE2为Keepalive序列。
最后
为PVC状态IE,用于表示PVC的DLCI,链路状态和可分配带宽等参数。
ANSILMI
T1.617AnnexD定义了一个轮询协议,用于在路由器和网络之间交换接口状态信息和定义PVC信息。
通知PVC的增加
通知PVC的删除
通知配置的PVC是否可用
链路完整性验证
路由器周期性的轮询网络,发送状态查询消息,而网络用状态消息响应。
缺省轮询周期为10s。
第一
次轮询请求链路的完整性,来决定信道内信令链路的状态 。
另外轮询周期(默认为每6个轮训周期)发生于
用户在接口上请求所有PVC状态。
响应是一个状态消息,包含配置在物理信道上的每个PVC信息。
信息包
括PVC最近的历史和它的可用性。
ANSILMI的轮询也能检测错误状态,如DLCI0的可信性错误,信号链路
协议错误或内部网络问题。
在如上的IE字段中,IE1为报告类型,当值为00H时,表示全状态消息,01H仅链路完成性验证,16H
为单个PVC异步状态,IE2为链路完整性字段。
最后为PVC状态IE。
在ANSILMI中,ANSI提供一个源自LMI协议的信令模式,其目的是创造一种多厂商LMI类型,而Cisco
LMI由Cisco,Digital,Nortelhe和StrataCom联合推出,使用上具有一定局限性。
Q933ALMI由ITU推出,众多
厂商支持这种方式,例如当Cisco路由器和Huawei等路由器进行连接时,LMI类型需要设置为Q933A。
LMI消息使用Q.931结构,周期性的对网络轮询,用HDLCUI帧传送。
为了指示LMI消息,Cisco 使用
DLCI值为1023的链路,而Q933A和ANSI-LMI使用DLCI值为0的链路。
这两种情况下,FECN BECN和DE
位均为0。
在ANSI消息头中PD域为08H,而CiscoLMI为09H。
LMI对于帧中继网络十分重要,当一个帧中继链路在CiscoDTE设备上激活并开始工作时,会连续的乡
路由器传送3个LMI消息,这个3个消息的顺序是ANSI,ITU Q933A, Cisco.路由器在DLCI 1023上监听Cisco
的消息,在DLCI 0上监听ANSI和ITU消息i。
帧中继会对所配置的LMI类型做出响应,然后路由器设定接
口的LMI类型与所接收的LMI类型匹配,如果收到多个类型LMI,路由器设定为最后接受到的LMI类型。
Cisco采用这种方式实现了LMIautosense。
详细工作流程如下图:
Step 1:
在每经过6个LMI状态请求时,DTE设备会发出一个完整状态请求,该请求也是一种用于保
持连接的信号,帧中继交换机会以链路定义的所有DLCI列表作为响应。
Step 2:
帧中继交换机接收状态请求信号后,发送完整的状态响应消息,该消息包含该接口所有处于
工作状态的DLCI列表。
Step3:
对于每个工作中的DLCI,路由器都会根据接口配置的第三层网络协议的情况发送一个Inverse
ARP请求,例如接口配置了IP和IPX,路由器就会发送两个InverseARP请求,请求含有响应
网络层地址的路由器做出应答。
Step4:
路由器会根据收到的InverseARP信息里所包含的每条DLCI在其帧中继映射表中建立一个映射
项。
这个映射表包括本地DLCI和发出请求的远端路由器的网络层地址信息。
还有PVC状态,
PVC状态有3种:
ACTIVE-----表明PVC处于工作状态,信息可以进行交换
INACTIVE-----表明帧中继的本地连接正常,但远端路由器到帧中继的连接没有工作
DELETED-----表明帧中继没有收到LMI或者没有建立物理层连接
Step 5:
路由器继续每10秒交换一次Keepalive数据,每60s发送一个完整的LMI状态请求,如此循
环。
如果3次完整状态请求没有收到LMI信号,就表明链路断开了。
45.1.8InverseARP
对于ARP,在Frame-Relay网络中,可以通过SNAP中的标准ARP封装来完成,但是DLCI具有局部意
义。
所以全局来看,ARP请求和ARP回复的目标地址无法确定。
考虑RARP,RARP为反向解析,但仅支持
将IP地址解析成为MAC地址。
所以在FR网络中,需要新的协议来支持ARP。
InverseARP可以使帧中继站点发现与虚电路相关的站点协议地址。
它比每一个虚电路上详细同希望解
析的每一个地址都发送ARP消息有效得多,也比依赖静态设置要灵活得多。
除了InverseARP没有广播请求,
InverseARP的基本操作和ARP类似。
一个请求站点仅需将硬件地址,协议地址和所知道的地址插入就形成
一个请求,然后目的协议地址设置为0。
最后针对特定网络封装好分组,然后直接发送给目的站点。
在支持数据链路管理的帧中继接口中,使用InverseARP的接口将发送一个InverseARP请求,然后发给
新的虚电路。
如果另一方支持Inverse-ARP,它会返回一个提供请求协议地址的响应。
在帧中继环境中,
InverseARP使用NLPID/SNAP格式封装。
在Cisco路由器中,InvereseARP默认开启。
但是如果LMI没有正常
工作,InverseARP将会无效。
如果DLCI实效,Cisco路由器仍然处理并映射InverseARP,但并不使用它,直
到报告DLCI为Active状态。
45.1.9 帧中继封装
标准的FR头和尾由Q.922A定义,对于多协议传输,通常将它们封装成一个基本的FR帧。
在实现过
程中可以使用Cisco私有的封装协议也可以使用ITEFRFC1490的方式。
如下图:
FCSFlags
他们都能够支持Frame-Relay的多协议扩展。
区别在于,RFC1490插入的为网络层协议ID(NLPID)而Cisco
私有封装插入的为Protocol Type。
对于Cisco路由器支持这两种封装。
默认使用Cisco私有封装方式。
同时
封装后的报文为透明传输。
所以对于一条VC,端到端的封装类型应该相同。
对于封装,可以使用IP封装,Q.933封装以及SNAP封装。
以RFC1490为例,当使用IP封装时,NLPID
字段的值为0xCC,CLNP为0x81,SNAP为0x80。
当没有制定具体的网络协议时,要使用Q.933封装格式。
SNAP常用来封装供路由和桥接分组使用的 IEEE802.3桥接帧,分组含局域网间的流量,NLPID设置为
0x80,然后跟一个5字节的SNAP头,其中包含3字节的OUI和2字节的PID,路由分组使用OUI0x000000,
而桥接分组使用OUI0x0080C2。
而PID用于标示协议和是否使用FCS,802.3桥接帧在使用FCS时PID为0x0001,
而不使用时为0x0007,IPX也采用SNAP封装,OUI为0x000000,而PID使用0x8137。
下图显示了Q.933,IP和SNAP的封装格式:
在封装前,一般需要对原有数据进行分段,分段头包括一个2字节顺序(Seq)域 ,该域每段递增。
然
后是一个4位的保留(Rsvd)域,然后是一个最终位(F),当表示为0时为第一个分段,为1时表示为最后一个
分段。
分段头的最后一个字段是一个11位的偏移(Offset)域,该值为32的倍数,第一个分段偏移量为0。
Frame-Relay对IP分组的分段方式如下图所示
针对不同端口访问速率和延迟要求,Cisco对于分段大小做了如下推荐:
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