Frame Relay

1. Frame Relay

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Histórico 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.

6. 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.

7. REDE FRAME RELAY

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. CARACTERÍSTICAS FRAME RELAY • A figura a seguir mostra o uso do modelo em camadas para o Frame Relay e suas aplicações.

12. 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.

13. 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.

14. CARACTERÍSTICAS FRAME RELAY • A tabela a seguir apresenta uma comparação entre os circuitos TDM, o protocolo X.25 e o Frame Relay.

15. 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:

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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:

22. Estrutura do Frame • Estrutura do cabeçalho

23. 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:

24. 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);

25. Estrutura do Frame 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;

26. 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.

27. DLCI’s • A figura a seguir exemplifica DLCI's configurados a partir de uma mesma porta para vários destinatários em locais distintos da rede.

28. 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

29. 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;

30. 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.

31. 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:

32. 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.

33. 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:

34. Aviso de Congestionamento 1-Aviso Explícito de Congestionamento 2-Aviso Implícito de congestionamento 3-Elegibilidade para Descarte

35. 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.

36. Aviso de CongestionamentoAviso 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.

37. Aviso de CongestionamentoAviso 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.

38. Aviso de CongestionamentoAviso Explícito de Congestionamento • Nesse momento B ativa o bit FECN nos frames a serem enviados para avisar que a rede está congestionada.

39. Aviso de CongestionamentoAviso 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.

40. Aviso de CongestionamentoAviso Explícito de Congestionamento • Dependendo da inteligência do protocolo da aplicação de usuário, procedimentos de recuperação de falha podem ser iniciados.

41. Aviso de CongestionamentoAviso 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.

42. Aviso de CongestionamentoAviso 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.

43. Aviso de CongestionamentoAviso 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.

44. 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.

45. 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.

46. 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.

47. 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.

48. 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.