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 CentralLa 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
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Fig.1
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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.
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Fig.2
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Circuitos Virtuales en Frame-Relay
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Fig.3
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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.-
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Fig.4
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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.
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Fig.5
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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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