CCNA: Tìm hiểu về công nghệ Frame Relay – Phần 1+2

Ngày nay, công nghệ thông tin có những bước tiến nhảy vọt đặc biệt là chế tạo và sử dụng cáp quang vào mạng truyền dẫn tạo nên chất lượng thông tin rất cao. Sử dụng thủ tục hỏi đáp X25 để truyền đưa số liệu trên mạng cáp quang, câu trả lời hầu như lúc nào cũng nhận tốt nhận đủ. Vấn đề đặt ra ở đây là có cần dùng thủ tục hỏi và đáp mất rất nhiều thời gian của X25 để truyền đưa số liệu trên mạng cáp quang hay không?

Và thế là công nghệ Frame Relay ra đời. Frame relay có thể chuyển nhận các khung lớn tới 4096 byte trong khi đó gói tiêu chuẩn của X25 khuyến cáo là 128 byte, không cần thời gian cho việc hỏi đáp, phát hiện lỗi và sữa lỗi ở lớp 3 nên Frame relay có khả năng chuyển tải nhanh hơn hàng chục lần so với X25 ở cùng tốc độ. Frame relay rất thích hợp cho truyền số liệu tốc độ cao và cho kết nối Lan-Lan và cả cho âm thanh, nhưng điều kiện tiên quyết để sử dụng công nghệ Frame relay là chất lượng mạng truyền dẫn phải cao. Frame Relay là một bộ tiêu chuẩn của WAN tạo ra một dịch vụ WAN hiệu quả hơn so với các liên kết điểm-điểm, trong khi vẫn cho phép các cặp của các router để gửi dữ liệu trực tiếp với nhau. Với kênh thuê riêng, mỗi dòng đòi hỏi một giao diện nối tiếp trên mỗi router và một mạch vật lý riêng biệt được xây dựng bởi công ty viễn thông. Frame Relay hỗ trợ khả năng gửi dữ liệu đến nhiều router từ xa qua một mạch WAN vật lý đơn lẻ. Ví dụ, một công ty với một site trung tâm và mười site từ xa sẽ đòi hỏi mười kênh thuê riêng để giao tiếp với site chính và mười giao diện cổng nối tiếp trên site của router trung tâm. Với Frame Relay, các sie chính có thể có một đường thuê riêng kết nối nó với dịch vụ Frame Relay, và một giao diện cổng duy nhất nối tiếp trên các bộ định tuyến tại site trung tâm, và vẫn có thể giao tiếp với nhau của mười router từ xa tại chỗ. 1. Cấu hình chung mạng Frame Relay:   Hình 5-1: Mạng Frame Relay.Cơ sở để tạo được mạng Frame Relay là các thiết bị truy nhập mạng FRAD (Frame Relay Access Device), các thếit bị mạng FRND (Frame Relay Network Device), đường nối tiếp giữa các thiết bị và mạng trực Frame Realy. Thiết bị FRAD có thể là một LAN Bridge, LAN router… Thiết bị FRND có thể là các tổng đài chuyển mạch khung (frame) hay tổng đài chuyển mạch tế bào (Cell relay - chuyển tải tổng hợp các tế bào của các dịch vụ khác nhau như âm thanh, truyền liệu số, videp… mỗi tế bào độ dài 53 byte, đây là phương thức của công nghệ ATM). Đường kết nối giữa các thiết bị là giao diện chung của FRAD và FRND, giao thức người dùng và mạng hay gọi là F.R UNI (Frame Relay User Network Interface). Mạng trục Frame Relay cũng tương tự như các mạng viễn thông khác có nhiều tổng đài kết nối với nhau trên mạng truyền dẫn, theo thủ tục riêng của mình. Trong OSI 7 lớp, lớp 3 - lớp mạng, Frame relay không dùng thủ tục gì cả (transparent) . 2. Tổng quan về Frame Relay:Frame Relay cung cấp thêm nhiều tính năng mạng và lợi ích hơn so với các liên kết WAN đơn giản điểm-điểm, nhưng để làm được điều đó, các giao thức Frame Relay được chi tiết hơn. Ví dụ, các mạng Frame Relay là mạng multiaccess, có nghĩa là nhiều hơn hai thiết bị có thể gắn vào mạng, tương tự như mạng LAN. Không giống như các mạng LAN, bạn không thể gửi dữ liệu broadcast trên lớp liên kết Frame Relay. Vì vậy, Frame Relay được gọi là mạng nonbroadcast multiaccess (NBMA). Ngoài ra, bởi vì Frame Relay là multiaccess, nó đòi hỏi việc sử dụng một địa chỉ xác định mà router từ xa mỗi khung được đề cập. Hình 5-2 trình bày những cấu trúc liên kết cơ bản về vật lý và liên quan đến thuật ngữ trong một mạng Frame Relay.   Hình 5-2: Các thành phần của mạng Frame Relay.Hình 5-2 cho thấy các thành phần cơ bản nhất của một mạng Frame Relay. Một kênh thuê riêng được cài đặt giữa các router và một chuyển đổi Frame Relay gần đó, liên kết này được gọi là các liên kết truy cập. Để đảm bảo rằng các liên kết đang hoạt động, các thiết bị bên ngoài mạng Frame Relay, được gọi là thiết bị đầu cuối dữ liệu (DTE), trao đổi tin nhắn thường xuyên với sự chuyển đổi Frame Relay. Các thông điệp keepalive, cùng với những thông điệp khác, được định nghĩa bởi các giao thức (LMI) Frame Relay giao diện quản lý. Các bộ định tuyến được coi là DTE, và các thiết bị chuyển mạch Frame Relay là truyền thông dữ liệu thiết bị (DCE). Trong khi đó hình 5-2 cho thấy các kết nối vật lý tại mỗi kết nối với mạng Frame Relay, hình 5-3 cho thấy sự hợp logic, hoặc ảo, kết nối liên kết các điểm đầu cuối với một mạch ảo (VC).   Hình 5-3: Khái niệm về Frame Relay PVC.Con đường truyền thông logic giữa mỗi cặp DTEs là một VC. Bộ ba của đường song song trong hình đại diện cho một VC đơn. Thông thường, các nhà cung cấp dịch vụ preconfigures tất cả các chi tiết cần thiết của một VC; VC được xác định trước được gọi là các mạch ảo thường trực (PVC). Thiết bị định tuyến sử dụng kết nối dữ liệu liên kết định danh (DLCI) như là địa chỉ Frame Relay, nó xác định các VC trên đó các khung nên đi qua. Vì vậy, trong hình 5-3, khi R1 có nhu cầu để chuyển tiếp một gói tin đến R2, R1 đóng gói lớp 3 gói vào một header và trailer của Frame Relay và sau đó gửi các khung. Các Frame Relay tiêu đề bao gồm các DLCI chính xác để các nhà cung cấp Frame Relay chuyển mạch các khung một cách chính xác về phía R2. Bảng 4 liệt kê các thành phần thể hiện trong hình 5-2 và 5-3 và một số thuật ngữ liên quan.   Bảng 4: Các khái niệm về Frame Relay. 1. Các tiêu chuẩn của Frame Relay:  Bảng 5: Các giao thức Frame Relay. 2. Mạch ảo: Frame Relay cung cấp những lợi thế đáng kể so với cách sử dụng kênh thuê riêng point-to-point. Thuận lợi đầu tiên là có các mạch ảo. Hình 5-4, trong đó cho thấy một Frame Relay mạng điển hình với ba site.   Hình 5-4: Mạng Frame Relay thông thường với ba site.Một mạch ảo định nghĩa như một đường logic giữa hai Frame Relay DTEs. Nó hoạt động như một mạch điểm-điểm, cung cấp khả năng gửi dữ liệu giữa hai thiết bị đầu cuối trên một mạng WAN. Không có mạch vật lý trực tiếp giữa hai thiết bị đầu cuối, vì vậy nó ảo. VC chia sẻ liên kết truy cập và mạng Frame Relay. Ví dụ, cả hai VC chấm dứt tại R1 sử dụng truy cập vào cùng liên kết. Trong thực tế, nhiều khách hàng chia sẻ cùng một mạng Frame Relay. Ban đầu, những người có mạng lưới kênh thuê riêng miễn cưỡng để di chuyển đến Frame Relay, bởi vì họ sẽ phải cạnh tranh với các khách hàng khác về công suất bên trong đám mây của nhà cung cấp dịch vụ. Để giải quyết những nỗi sợ hãi, Frame Relay được thiết kế với khái niệm về một tỷ lệ thông tin cam kết (CIR). Mỗi VC có CIR, đó là một đảm bảo bởi nhà cung cấp mà một VC cụ thể được ít nhất là bao nhiêu băng thông. Vì vậy, có thể di chuyển từ một đường kênh thuê riêng đến Frame Relay, nhận được một CIR ít nhất có nhiều băng thông như trước đây dùng với kênh thuê riêng. Thậm chí với một mạng lưới ba site, nó có lẽ ít tốn kém hơn để sử dụng Frame Relay hơn là sử dụng các liên kết điểm-điểm. Hãy tưởng tượng một tổ chức với 100 site cần đến bất kỳ kết nối nào. Làm thế nào nhiều kênh thuê riêng được yêu cầu! Và bên cạnh đó, các tổ chức sẽ cần 99 giao diện nối tiếp trên router nếu nó được sử dụng dạng kênh thuê riêng điểm-điểm. Với Frame Relay, một tổ chức có thể có 100 liên kết truy cập vào các chuyển mạch Frame Relay nội bộ, mỗi bộ định tuyến, và có 4.950 VC chạy qua chúng. Điều đó đòi hỏi rất nhiều liên kết thực tế ít hơn vật lý, và bạn sẽ chỉ cần một giao diện nối tiếp trên mỗi router! Cung cấp dịch vụ Frame Relay có thể xây dựng mạng lưới của họ về chi phíhiệu quả hơn so với kênh thuê riêng. Như mong đợi, làm cho khách hàng sử dụng mạng Frame Relay ít tốn kém hơn. Đối với nhiều kết nối WAN, Frame Relay đơn giản hơn, có hiệu quả hơn dùng kênh thuê riêng. Hai loại VC được phép, vĩnh cửu (PVC) và chuyển mạch (SVC). PVC được định nghĩa trước bởi nhà cung cấp; SVCs được tạo ra tự động. PVC đến nay phổ biến hơn trong hai loại. Khi các mạng Frame Relay được thiết kế, thiết kế không bao gồm một VC giữa mỗi cặp của các site. Hình 5-4 bao gồm PVC giữa mỗi cặp của các site, điều này được gọi là một Frame Relay toàn mạng. Khi không phải tất cả các cặp có một PVC trực tiếp, nó được gọi là một mạng cục bộ. Hình 5-5 cho thấy cùng một mạng như hình 5-4, nhưng lần này với một phần và chỉ có hai PVCs. Đây là điển hình khi R1 tại site chính và R2 và R3 đặt tại văn phòng từ xa mà ít khi cần giao tiếp trực tiếp.   Hình 5-5: Mạng Frame Relay dười dạng partial-mesh.Các lưới một phần có một số lợi thế và bất lợi so với một lưới đầy đủ. Thuận lợi đầu tiên là rẻ hơn, bởi vì những chi phí nhà cung cấp cho mỗi VC. Nhược điểm là lưu lượng truy cập từ site của R2 vào site của R3 phải đến R1 đầu tiên và sau đó được chuyển tiếp. Nếu đó là một lượng nhỏ lưu lượng truy cập, sẽ là một giá trị rất nhỏ phải trả. Nếu đó là rất nhiều luồng dữ liệu, một mạng lưới toàn phần có giá trị hơn, bởi vì luồng dữ liệu đi giữa hai địa điểm từ xa sẽ phải truy cập vào liên kết chéo của R1 hai lần. Một khái niệm rào cản với PVCs là thường có một liên kết truy cập duy nhất trên nhiều dòng PVCs. Ví dụ, xem hình 5-5 từ quan điểm của R1. Server1 gửi một gói tin đến Larry. Nó đi qua Ethernet. R1 nhận và liên kết với bảng định tuyến của Larry, chỉ đường để gửi gói tin ra Serial0. Đóng gói các gói tin trong một header và trailer của Frame Relay sau đó gửi nó. PVC nào sẽ được sử dụng? Các Frame Relay switch nên gửi nó cho R2, nhưng tại sao? Để giải quyết vấn đề này, Frame Relay sử dụng một địa chỉ để phân biệt một PVC từ cái khác. Địa chỉ này được gọi là một kết nối dữ liệu liên kết định danh (DLCI). Tên này được mô tả: Địa chỉ này cho một lớp giao thức OSI lớp 2(liên kết dữ liệu), và nó xác định một VC, mà đôi khi được gọi là một kết nối ảo. Vì vậy, trong ví dụ này, R1 sử dụng các DLCI xác định các PVC đến R2, do đó, nhà cung cấp dịch vụ chuyển khung đến chính xác trên các PVC đến R2. Để gửi khung cho R3, R1 sử dụng các DLCI mà xác định các VC cho R3. CCNA: Giới thiệu về công nghệ Frame Relay – Phần 2 LMI là một định nghĩa của các thông điệp được sử dụng giữa DTE và DCE (ví dụ, Frame Relay chuyển đổi sở hữu bởi các nhà cung cấp dịch vụ). Đóng gói định nghĩa các tiêu đề được sử dụng bởi một DTE để giao tiếp một số thông tin cho các DTE ở đầu bên kia của một VC. Việc chuyển đổi và quan tâm kết nối router của mình về việc sử dụng cùng một LMI; chuyển đổi không quan tâm về đóng gói. Các router đầu cuối (DTE) quan tâm về đóng gói. 3. LMI và các loại đóng gói: Tình trạng thông tin thực hiện hai chức năng chính: ♦ Nó thực hiện một chức năng keepalive giữa DTE và DCE. Nếu liên kết truy cập có vấn đề, không có các thông điệp keepalive ngụ ý rằng liên kết là Down. ♦ Các tín hiệu có PVC là hoạt động hoặc không hoạt động. Mặc dù mỗi PVC được định nghĩa trước, tình trạng của nó có thể thay đổi. Một liên kết truy cập có thể UP, nhưng một hoặc nhiều VC có thể Down. Router cần phải biết VC nào Up hay Down. Nó biết rằng thông tin từ việc chuyển đổi sử dụng thông báo trạng thái LMI. Ba giao thức LMI tuỳ chọn có sẵn trong phần mềm Cisco IOS: Cisco, ITU, và ANSI. Mỗi tùy chọn LMI là khác nhau và do đó không tương thích với hai tùy chọn kia. Miễn là cả hai DTE và DCE trên mỗi đầu của một liên kết truy cập sử dụng các tiêu chuẩn cùng LMI, LMI hoạt động tốt. Sự khác biệt giữa các loại LMI là tinh tế. Ví dụ, Cisco LMI sử dụng DLCI 1023, trong khi ANSI T1.617-D và ITU Q.933-A xác định DLCI 0. Một số các thông tin có những vùng khác nhau trong các phần đầu của nó. DTE đơn giản chỉ cần biết trong ba LMIs sử dụng để nó có thể sử dụng cùng loại. Cấu hình loại LMI là dễ dàng. Lựa chọn phổ biến nhất hiện nay là sử dụng thiết lập mặc định LMI. Thiết lập này sử dụng các tính năng tự động LMI, trong đó router chỉ đơn giản là dưa ra loại LMI nào để sử dụng. Vì vậy, bạn chỉ có thể cho phép các router tự động LMI và không bao giờ bận tâm mã hóa các loại LMI. Nếu bạn chọn để cấu hình các loại LMI, router vô hiệu hóa tính năng tự động. Bảng 6 vạch ra ba loại LMI, nguồn gốc của nó, và từ khoá được sử dụng trong Cisco IOS subcommand frame-relay lmi-type.   Bảng 6: Các loại LMI.Một Frame Relay kết nối router đóng gói mỗi lớp 3 bên trong một header và trailer cùa Frame Relay trước khi nó được gửi ra một liên kết truy cập. Các header và trailer được xác định bởi đặc điểm kỹ thuật Link Access Procedure Frame Bearer Services (LAPF), ITU Q.922-A. Các khung LAPF thưa thớt cung cấp các phát hiện lỗi với một FCS trong trailer, cũng như các trường DLCI, DE, FECN, BECN và trong header.   Hình 5-6: LAPF Header.Tuy nhiên, header và trailer của LAPF không cung cấp tất cả các vùng cần thiết bởi các router thông thường. Mỗi tiêu đề liên kết dữ liệu cần một trường để xác định loại gói tin sau tiêu đề liên kết dữ liệu. Nếu Frame Relay chỉ sử dụng tiêu đề LAPF, DTEs (bao gồm cả các bộ định tuyến) không thể hỗ trợ nhiều giao thức cho luồng dự liệu được, vì không có cách nào để xác định loại giao thức trong lĩnh vực thông tin. Hai giải pháp được tạo ra để bù đắp cho việc thiếu một trường Protocol Type trong tiêu đề tiêu chuẩn Frame Relay: ♦ Cisco và ba công ty khác tạo ra một tiêu đề bổ sung, mà đi kèm giữa các tiêu đề LAPF và các gói lớp 3 như trong hình 5-6. Nó bao gồm một trường 2-byte Protocol Type, với giá trị phù hợp cùng lĩnh vực Cisco sử dụng cho HDLC. ♦ Multiprotocol Interconnect over Frame Relay được xác định là giải pháp thứ hai. RFC 2427 quy định một tiêu đề tương tự, cũng được đặt giữa các tiêu đề LAPF và gói tin lớp 3, và bao gồm một trường Protocol Type cũng như các tùy chọn khác.   Hình 5-7: Đóng gói Cisco và RFC 1490/2427.DTEs sử dụng và phản ứng với các lĩnh vực theo quy định của hai loại đóng gói, nhưng thiết bị chuyển mạch Frame Relay bỏ qua các lĩnh vực này. Do lưu lượng khung từ DTE đến DTE, cả hai DTEs nên đồng ý về đóng gói được sử dụng. Các thiết bị chuyển mạch không quan tâm. Tuy nhiên, mỗi VC có thể sử dụng đóng gói khác nhau. Trong cấu hình, đóng gói được tạo ra bởi Cisco được gọi là cisco, và một trong những khác được gọi là IETF. 3. Kiểm soát tốc độ và loại bỏ trong đám mây Frame Relay:Các Frame Relay tiêu đề bao gồm một cờ ba bit đơn mà Frame Relay có thể sử dụng để giúp kiểm soát những gì xảy ra bên trong đám mây Frame Relay. Những bit này đặc biệt hữu ích khi một hoặc nhiều site sử dụng một tỷ lệ tốc độ truy cập vượt quá CIR của một VC. Ví dụ, nếu router có một truy cập vào liên kết Frame Relay T1, nhưng chỉ có 128-kbps tốc độ thông tin cam kết (CIR) trên một VC mà đi qua liên kết đó, router có thể gửi dữ liệu nhiều hơn vào mạng Frame Relay hơn so với hợp đồng với nhà cung cấp Frame Relay cho phép. Phần này xem xét 3 bit có tác động như thế nào các thiết bị chuyển mạch có thể giúp kiểm soát mạng lưới khi mạng bị tắc nghẽn vì tốc độ không đồng bộ - cụ thể là, các Forward Explicit Congestion Notification (FECN), Backward Explicit Congestion Notification (BECN), và Huỷ Điều kiện (DE ) bit. 1. FECN và BECN: Để đối phó với trường hợp trong đó một router có thể gửi nhiều dữ liệu hơn so với VC cho phép, IOS bao gồm một tính năng gọi là Traffic Shaping, cho phép một router để gửi một số gói, chờ đợi, gửi nhiều hơn, chờ đợi một lần nữa, và như vậy. Traffic Shaping cho phép các bộ định tuyến giảm tốc độ tổng thể của việc gửi các bit đến một tốc độ chậm hơn so với tốc độ truy cập, và thậm chí có thể thấp bằng CIR của một VC. Ví dụ, với một liên kết truy cập T1 và CIR là 128-kbps, Traffic Shaping có thể được định nghĩa để gửi bình quân chỉ 256 kbps so với VC. Ý tưởng là các Frame Relay cung cấp có thể sẽ loại bỏ rất nhiều luồng dự liệu nếu các bộ định tuyến gửi dữ liệu trung bình so với VC ở gần tốc độ T1,là 12 lần so với CIR trong trường hợp này. Tuy nhiên, nhà cung cấp dịch vụ Frame Relay có thể loại bỏ luồng dữ liệu nếu tỷ lệ bình quân chỉ 256 kbps - hai lần CIR trong trường hợp này. Bạn có thể thiết lập Traffic Shaping sử dụng một tốc độ duy nhất, hoặc để thích ứng với phạm vi giữa hai tốc độ thiết lập. Khi nó được cấu hình để thích nghi giữa hai tốc độ, nếu mạng không bị tắc nghẽn, tốc độ cao hơn được sử dụng; khi mạng bị ách tắc, các điều chỉnh trong router để nó có thể giảm bằng cách sử dụng tỷ lệ thấp hơn. Để thích ứng với các tỷ lệ giảm, các router cần một cách để biết liệu có xảy ra ùn tắc và đó là nơi FECN và BECN được sử dụng. Hình 5-8 cho thấy việc sử dụng cơ bản của các bit FECN và BECN.   Hình 5-8: Hoạt động cơ bản của FECN và BECN.FECN và BECN là những bit trong tiêu đề của Frame Relay. Tại bất kỳ điểm hoặc trong một router hoặc bên trong đám mây Frame Relay - thiết bị có thể thiết lập các bit FECN, có nghĩa là khung này đã trải qua tình trạng tắc nghẽn. Nói cách khác, ùn tắc tồn tại trong hướng về phía trước của khung đó. Trong hình 5-8, ở bước 1, router sẽ gửi một khung, với FECN = 0. Các Frame Relay tắc nghẽn và các bộ chuyển mạch thông báo FECN = 1 ở bước 2. Mục tiêu của toàn bộ quá trình, tuy nhiên, là để báo tin cho router gởi gói tin chậm lại. Vì vậy, biết rằng nó bật FECN trong một khung ở bước 2 như trong hình, các Frame Relay switch có thể thiết lập các bit BECN trong khung tiếp theo gỏi ngược về R1 trên VC đó, được thể hiện như bước 3 trên hình vẽ. BECN nói với R1 mà tình trạng tắc nghẽn xảy ra trong hướng đối diện. Nói cách khác, nó nói rằng tình trạng tắc nghẽn xảy ra cho các frame được gửi bởi R1 với R2. R1 có thể chọn để làm chậm (hoặc không), tùy thuộc vào cách Traffic Shaping được cấu hình. 2. Các Loại bỏ điều kiện (DE bit): Khi hệ thống mạng của nhà cung cấp trở nên tắc nghẽn, có vẻ như hợp lý cho các nhà cung cấp để cố gắng loại bỏ các khung gửi của khách hàng đó đang gây ra sự tắc nghẽn. Các nhà cung cấp thường xây dựng mạng lưới của mình để xử lý tải lưu lượng vượt quá của các CIRs tập thể cho tất cả các VC. Tuy nhiên, nếu một hoặc nhiều khách hàng lạm dụng quyền để gửi dữ liệu ở tốc độ xa so với tốc độ CIR hợp đồng của mình, các nhà cung cấp có thể loại bỏ luồng dữ liệu chỉ được gửi bởi những khách hàng này một cách hợp pháp. Giao thức Frame Relay xác định một phương tiện để giảm bớt luồng dữ liệu khi khách hàng gửi nhiều hơn CIR bit / giây trong một VC, làm cho nhà cung cấp loại bỏ một số khung. Các khách hàng có thể thiết lập bit DE trong một số khung. Nếu nhà cung cấp thiết bị chuyển mạch cần phải loại bỏ các khung do tắc nghẽn, các thiết bị chuyển mạch có thể loại bỏ các khung với các thiết lập bit DE. Nếu khách hàng đặt bit DE trong khung bên phải, chẳng hạn như cho luồng dữ liệu ít quan trọng, khách hàng có thể đảm bảo rằng các luồng dữ liệu quan trọng được thông qua mạng Frame Relay, ngay cả khi nhà cung cấp này phải loại bỏ. Khi mạng của nhà cung cấp không phải quá đông đúc, khách hàng có thể gửi thêm nhiều dữ liệu thông qua mạng Frame Relay mà không bị loại đi.