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viernes, 12 de diciembre de 2014

FRAME-RELAY



FRAME-RELAY
La siguiente es una traducción realizada en la década del 90, en medio de la lucha con las telefónicas de Argentina, recientemente privatizadas, para tratar de mejorar la transmisión de datos administrativos y de voz entre la Sede Central de Ecogas en Córdoba y las Sucursales de las Provincias de Córdoba, Catamarca y La Rioja.
Si bien actualmente el protocolo de frame-relay no está en uso, habiendo sido reemplazado por el MPLS, creo que puede servir como base conceptual con fines didácticos, dada su simplicidad. El costo de la transmisión de voz y datos en función del ancho de banda, la latencia y la distancia era muy alto en esa época, por lo que se hacía necesario tener muy en claro el funcionamiento de los diferentes protocolos en uso, a fin de adaptar al máximo las necesidades reales con las características que exigiéramos a las redes y poder pelear con las empresas telefónicas.

El Concepto del Frame-Relay (Traducido de “Argentina On-line”)
Frame-Relay es una tecnología orientada a la conexión que ofrece conmutación rápida de paquetes para redes de área amplia (Wide Area Networking) (WAN´s). Aunque conceptualmente es similar a la conmutación de paquetes del X-25 en muchos aspectos, el Frame- Relay está basado sobre la suposición de que las facilidades de transmisión de hoy en día son “mas limpias” y más confiables que en el pasado y que las estaciones de los extremos son más inteligentes.
El Frame-Relay omite las funciones de red de la Capa 3 del diagrama OSI, dejando la recuperación del error, control de flujo y retransmisiones de datos a las estaciones extremas que corren protocolos de mayor nivel (de capas más altas), tales como TCP/IP o SNA.- Entonces el Frame-Relay puede ser considerado como una versión de mayor performance que la de su antecesor el X-25. El resultado final para el consumidor de Frame-Relay es simple y directa: comunicaciones de mayor velocidad, con menos sobre- carga.
El Frame -Relay hace un óptimo uso del ancho de banda disponible, traficando bajo el principio de multiplexación estadística, sobre un enlace físico. Entonces el Frame-Relay representa un mayor avance sobre las soluciones TDM (Time Division Multiplexing), que reservan una cantidad fija de ancho de banda, en base a slots de  tiempo definidos para cada usuario o aplicación, tengan o no tengan algo para enviar.-

Con TDM, el ancho de banda disponible simplemente permanece no usado. El Frame-Relay mejora este concepto, distribuyendo cualquier ancho de banda no usado sobre una base asignada (de ahí la frase ancho de banda sobre demanda, o” bandwidth on demand”). La habilidad para acomodar repentinas ráfagas  de tráfico, mediante la utilización de ancho de banda “no reclamado”, hace al frame relay más flexible y de menor costo efectivo.-
Una Típica red de Frame-Relay


Fig.1
La Fig.1  muestra una típica red de Frame-Relay. La nube en el diagrama, representa un servicio de red de Frame-Relay pública, de un carrier, de una Compañía de Operación Bell Regional (Regional Bell Operation Company) (REBOC), otro proveedor de servicios, o una red privada de  una Empresa. En efecto, está resultando cada vez más común encontrar en uso redes híbridas, que emplean parte de Frame-Relay público y parte privado.-
Como se puede ver en la figura, los frames del Frame-Relay son desarrollados en la red en la capa 2 del modelo OSI (la capa del enlace de datos). La capa 3 y las funciones de arriba, que aseguran transmisiones confiables, son provistas por protocolos de nivel más alto (tales como TCP/IP o SNA).
Componentes de la Red 
Como puede verse en la Fig.1, los componentes claves de una red de Frame-Relay son: (1) Los Sistemas extremos; (2) Los equipos de acceso al frame-Relay y (3) Las switches de Frame-Relay.-
Sistemas Extremos: son los dispositivos extremos del usuario que utiliza los servicios de la red de Frame-Relay; ellos pueden ser computadoras personales (Personal Computers) (PC´s), o terminales inteligentes en oficinas de sucursales, o un” host mainframes” en el Centro de Datos. Las características de los sistemas extremos juegan un papel importante en la determinación de los requerimientos de la red. Algunos sistemas extremos, por ejemplo, generan tráfico en ráfagas rápidas e irregulares, mientras que otros, particularmente aquellos que soportan aplicaciones de voz o video, transmiten a una velocidad en kbps constante. Otra importante consideración para los sistemas extremos es si ellos son orientados a la conexión (connection oriented) y por lo tanto sensibles al retardo, o no conectados (connectionless).
Equipamientos de Acceso al Frame- Relay: aceptan tráfico desde la LAN, o dispositivos serie anexos y encapsulan este tráfico para transportarlo por la red de Frame-Relay. Además se comunican con los switches del Frame-Relay,  para manejar circuitos y congestión. También se comunican a través de la red con otros dispositivos de acceso para determinar direcciones de la red usando el protocolo inverso ARP (Inverse Address Resolution Protocol) y para indicar los tipos de protocolos  llevados en los paquetes usando RFC-1490.-
Switches de Frame Relay: En el transporte de tráfico sobre troncales de area amplia, las switches constituyen el corazón de la red de frame relay. Las switches de Frame-Relay aceptan tráfico proveniente de los dispositivos de acceso y conmutan este tráfico hacia otras switches, para derivarlo finalmente hacia los dispositivos de acceso en el otro lado de la red. Las switches de frame relay pueden ser propiedad de la Organización del usuario extremo, en el caso de una red privada, o pueden ser provistas por un carrier cuando es usado el servicio público de Frame-Relay.
Frames: la palabra “frame”, en Frame-Relay, se refiere a un protocolo en el cual los paquetes o frames son de longitud variable (variable-length PDU; variable length Protocol Data Unit). De la misma forma que un sobre es usado para transportar una carta a través del sistema de correos, un frame transporta información del usuario por una red conmutada. Igual que el sobre, el frame contiene la información de la dirección, que habilita a la red para llevar el frame a un destino en particular. El frame también contiene información para control, que ayuda a la red a manejar las congestiones.

Fig.2
La Fig.2 muestra un típico frame de frame relay. Los campos llamados Flag (bandera o estandarte de una escuadra militar), indican el comienzo y el final del frame. El campo Header (encabezamiento o cabecera), contiene la dirección (address) y la información del control de congestión. El campo de información (Information Field) contiene los datos del usuario. Finalmente  el campo de secuencia de verificación del frame (FCS-Frame Check Sequence), contiene una secuencia de verificación del frame, que es usada para verificar la integridad del frame.
Circuitos Virtuales en Frame-Relay
Fig.3

Uno de los conceptos fundamentales del Frame-Relay es el de los circuitos virtuales, que son caminos lógicos que permiten el tráfico a través de la red. Los circuitos virtuales pueden ser fijos, en cuyo caso ellos son conocidos como PVC (Permanente Virtual Circuit), o sea Circuitos Virtuales Permanentes, o bien ellos pueden ser establecidos para realizar una comunicación y luego interrumpidos cuando finaliza la misma, en cuyo caso son conocidos como SVC (Switched Virtual Circuits), o sea circuitos virtuales conmutados. (Notese la similitud con las líneas telefónicas conmutadas).-
Las implementaciones más comunes de hoy en día utilizan PVC´s. Los PVC´s son normalmente definidos cuando se configura la red, para cada par de localidades comunicadas por medio de un PVC y a cada PVC en ese momento se le asigna una velocidad de transmisión. Los PVC son normalmente full-duplex, soportando la misma velocidad de tráfico en  los dos sentidos. Sin embargo, algunos proveedores de servicio soportan PVC´s simplex o asimétricos, una característica que le permite a los usuarios poder contratar una velocidad alta en el sentido que les hace falta y una menor en el sentido donde no necesitan una tan alta.  Esta configuración puede tener un costo efectivo muy conveniente para situaciones donde un host puede tener mucho tráfico para enviar a una sucursal remota, pero donde la sucursal transmite muy poco hacia el host (N/T: ésto sería ideal para ECOGAS, donde usamos una velocidad alta desde la Sede Central hacia las Sucursales y una velocidad despreciable en sentido inverso, pero las telefónicas nunca aceptaron que exista esta posibilidad).
Como los PVC´s representan caminos lógicos, varios PVC´s pueden compartir un único port de acceso físico a la red de Frame-Relay. Esta configuración es especialmente útil en el extremo del host de la red, a causa de que permite a un router de un centro de datos u otro dispositivo para Frame-Relay “agarrar” (“catch”) muchos circuitos virtuales de  la red con un único port serie.
Cada PVC es identificado en cada extremo por medio de un Data Link Connection Identifier (DLCI), o sea un Identificador de Conexión del Enlace de Datos. Si Ud piensa en el PVC como una carretera virtual, el DLCI sería el N° de la ruta; la única diferencia es que los DLCI´s normalmente tienen significado local solamente. Los DLCI´s entonces son únicos dentro de un lugar determinado, pero no son necesariamente únicos en la WAN. En la Fig.3 se ven los PVC´s y los DLCI´s en una red de Frame-Relay.
El soporte de SVC no está ampliamente difundido en la actualidad, pero se espera su crecimiento. El SVC puede ser útil para lugares con tráfico intermitente de bajo volumen.
Committed Information Rate (CIR) (Velocidad de Información Comprometida)
El CIR es la mínima velocidad de servicio que un proveedor de Frame-Relay  público garantiza para un dado PVC, bajo condiciones normales. Por supuesto que uno de los mayores atractivos del Frame-Relay es que da la posibilidad de enviar ráfagas (burst) por encima del CIR, si hay ancho de banda disponible. Sin embargo, el tráfico transmitido en exceso del CIR (N/T: entiendase a velocidades superiores a la del CIR), puede ser descartado y requerir retransmisiones, en el caso de que exista congestión en la red.
Cuando se elige el CIR, para un PVC, es recomendable elegir un valor que refleje el flujo de tráfico anticipado, particularmente para tráfico de misión crítica como el SNA. Se puede intentar elegir un CIR más bajo y suponer que las ráfagas (burst) posibles permitirán acomodar el tráfico adicional. Sin embargo, esto también incrementa el riesgo de tener frames descartados. Para elegir el CIR, la mayoría de los usuarios toma la “mejor suposición” (“best guess”) para el dimensionamiento inicial  y luego obtiene una mayor “sintonía” en la práctica, de ser necesario. Por ejemplo, si la respuesta de tiempo se incrementa demasiado, es probable que la red esté descartando demasiados frames en ese PVC  y probablemente el CIR deba ser incrementado.-

Fig.4
Muchos otros parámetros trabajan mano a mano con el CIR para controlar el flujo de tráfico (ver Fig. 4). El burst comprometido (Bc) (Committed Burst) es el máximo número de bits  que la red intentará transmitir durante un período de tiempo dado; él difiere del CIR por el hecho de que es un número, que expresa cantidad de bits transmitidos y no una velocidad, en bits/seg,  como el CIR.  El CIR es igual al burst comprometido, dividido por el intervalo de tiempo Tc.- O sea CIR = Bc/Tc.-
El burst en exceso (Be) (Excess-Burst), es el máximo número de bits que el usuario puede enviar en exceso de Bc. Transmitidos sobre la base del mejor esfuerzo, (best-effort ),estos bits igualmente serán descartados durante períodos de congestión.
Para un SVC, el CIR es negociado durante el establecimiento de la llamada.
Control de Congestión en las Redes de Frame-Relay: Es importante recordar que mientras el Frame-Relay provee canales lógicos dedicados, a través de la red, estos canales deben compartir recursos físicos (por ejemplo: enlaces, switches, etc).La característica de multiplexación estadística del Frame-Relay es predicada con la suposición de que no todos los usuarios intentarán comunicarse al mismo tiempo. Sin embargo, en un medio ambiente de medios compartidos, la posibilidad de que permanezcan estos multiples usuarios, estará limitada por la utilización de los mismos recursos al mismo tiempo y la congestión ocurrirá cuando no sean suficientes. 
Minimizar la congestión es un factor clave en el mantenimiento de la alta calidad del servicio, para el tráfico sensible al retardo, a causa de que cuando una red de Frame- Relay resulta congestionada, ella comienza a descartar frames. Por lo tanto el Frame-Relay emplea ciertas salvaguardas para preservar el performance general de la red, en caso de que la utilización de la misma crezca de manera muy rápida. Primero, la mayoría de las switches de Frame-Relay emplea algún tipo de algoritmo de detección de congestión, para mantener a la red libre de congestión. Las switches más avanzadas pueden proveer un algoritmo para evitar la congestión.- Segundo, si la congestión ocurre, el Frame-Relay dispone de severos mecanismos de reacción, incluyendo las notificaciones de congestión explícita, que informan a las estaciones extremas que la congestión existe dentro de la red.
Con la Notificación de Congestión Explícita Directa (FECN) (Forward Explicit Congestion Notification), un nodo switch de red “setea” el apropiado bit en los  extremos de los frames, para un dispositivo de destino.- Para notificar al dispositivo fuente, la red “setea” el bit en los extremos de los  frames, para la notificación de congestión explícita hacia atrás, (BECN) (Backward Explicit Congestion Notification), con destino al dispositivo fuente.
El Frame-Relay también especifica un bit de descarte elegible (Discard Eligible) (DE), en la cabecera del frame. El bit DE, que en esencia le dice a la red “descarte estos frames siempre primero”, puede ser  “seteado” por un nodo de red o por un dispositivo de usuario. Rotulando cierto tráfico como DE, los usuarios de Frame-Relay pueden proveer un nivel adicional de protección para el tráfico de misión crítica, no-DE.-
Un problema con estos recursos del control de congestión, es que la congestión ya ha ocurrido, cuando ellos actúan.  Aunque las condiciones de congestión se controlen, los frames pueden ya haberse perdido y la respuesta de tiempo reducido. Por lo tanto, numerosos vendedores están agregando funcionalidad a su equipamiento de acceso, que habilitará a los usuarios a limitar la cantidad de datos ofrecidos a la red con miras de  evitar congestión en la primera etapa.
Una advertencia: aunque el Frame Relay dispone de severos mecanismos para controlar la congestión y para avisar sobre su existencia, las normas, lamentablemente,  no exigen que los  dispositivos de los usuarios, equipamientos de acceso y de ahí para adelante, den ningún tipo de respuesta a las notificaciones de congestión. Como consecuencia, el soporte de los vendedores a estas características ha tendido a ser inconsistente, transformándose éste en un elemento a ser tenido en cuenta al realizar las compras de equipos.
Los usuarios deberían asegurarse que la solución a contratar provea completo soporte para FECN, BECN, DE bit, etc. 
Resumen
El Frame-Relay es una tecnología orientada a la conexión que ofrece conmutación rápida de paquetes para WAN´s. Aunque conceptualmente es similar al X25, el Frame Relay es más conveniente, más rápido y más adecuado para los medio ambientes de las comunicaciones modernas.
El Frame-Relay utiliza una  cantidad de ancho de banda dada, de una manera más eficiente que las soluciones basadas en TDM. Mientras el TDM reserva un slot de tiempo fijo, para un dispositivo, ya sea que el dispositivo tenga algo para enviar o no, el Frame-Relay multiplexa el tráfico estadisticamente. Esta característica es la que le permite al Frame-Relay proveer ancho de banda “on-demand”. 
Los principales componentes de una red de Frame-Relay son los sistemas extremos, los dispositivos de acceso y las switches de la WAN. Los sistemas extremos son los dispositivos del usuario que requieren servicios de la red. Los dispositivos de acceso aceptan tráfico de los sistemas extremos para transportar a través de la red de Frame-Relay. Las switches de la WAN toman el tráfico suministrado por los dispositivos de acceso y conmutan este tráfico sobre las troncales de área amplia.-
Un frame de Frame-Relay es simplemente un sobre, dentro del cual la información del usuario es entregada a la red. El frame contiene información de dirección y control de congestión, además de los datos del usuario. Los frames son entregados a la red en la capa 2 del modelo OSI.-
Los circuitos virtuales son caminos lógicos a través de la red de Frame-Relay. Los circuitos virtuales pueden ser asignados permanentemente (PVC) o “switcheados” (SVC). Una interface física simple puede soportar muchos PVC´s y un simple PVC puede soportar muchos tipos de tráfico.
Los circuitos virtuales son identificados por medio de un DLCI, que puede tener significado local solamente.
A cada circuito virtual se le asigna una velocidad mínima llamada CIR. Un usuario puede transmitir tráfico a velocidades que superen el CIR, pero el tráfico en exceso puede ser descartado si se produce una congestión.-
El Frame-relay suministra características de control de congestión limitadas, incluyendo notificaciones de congestión explícitas y el indicador de DE. El FECN notifica al dispositivo de destino que la congestión se ha producido a lo largo del camino y el BECN informa al dispositivo fuente que la red está experimentando congestión. El DE-bit rotula a los frames que deberían ser descartados primero en el evento de una congestión. El DE-bit puede ser “seteado” por el usuario, si el equipamiento de acceso soporta esta característica.
Los estandares de Frame-Relay no requieren que los equipos de acceso del usuario reaccionen con la notificación de congestión y en consecuencia, a menudo, el soporte de los vendedores no incluye esta prestación. Los usuarios deberían exigir que las soluciones que les ofrecen tengan soporte completo para control de congestión. 

Fig.5
La norma RFC 1440  (Fig. 5), describe un mecanismo de encapsulado genérico para transportar altos niveles de protocolo en forma transparente a través de una red de Frame-Relay. El FRF.3 es una extensión del Frame-Relay-Forum de la RFC-1490 que define especificamente como el tráfico  SNA, Net  BIOS y APPN, deberían ser encapsulados.
N/T: Explicación Adicional de la figura 4: que es en mi opinión lo mejor que tiene este artículo, ya que permite entender la definición del Burst.
Observese en primer lugar que en el sistema de coordenadas se tiene  DATA (Cantidad de datos enviados por el PVC) en ordenadas y el tiempo t en segundos, en absisas.-     
Por otro lado, debe tenerse en cuenta que DATA=CIR x t es la ecuación de una recta que pasa por el origen en ese sistema de coordenadas y que allí  fue indicada como CIR Rate.
Además, DATA= velocidad máxima  o ancho de banda máximo del acceso x t, es también la ecuación de una recta que pasa por el origen del sistema de coordenadas.
De esta manera, las pendientes de las rectas van a ser las velocidades del CIR y máxima de acceso.
Observese también que la curva gruesa son los datos enviados por el PVC y la pendiente de esa curva va a ser la velocidad de los datos. En particular, entre paquete y paquete, la velocidad será nula.- Vease que hay un error en la pendiente del frame 2, ya que los datos tendrían mayor velocidad que el acceso, lo cual es imposible. Pero en todos los demás frames se respeta esta cuestión en el dibujo. Este error no es importante frente a todo lo que aporta este gráfico.-


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