帧中继-FR-说明

帧中继是一种工作在OSI参考模型的物理层和数据链路层的高性能广域网协议。

最初，帧中继技术主要应用于ISDN网络，现在，可以在多种网络平台上使用。

本文将主要介绍广域网环境下，帧中继技术的规范和应用。

为了方便本文的讲解，在文中我们将帧中继略作FR（英文Frame Relay的首字母缩写）表示。

FR是一种典型的包交换技术。

包交换技术能够使网络节点工作站动态的分享网络介质和可用带宽。

包交换网络支持可变长度数据包，数据的传输更加有效和灵活。

所有的数据包基于交换机制在不同的网段之间进行传递，直到到达最终的目的地。

包交换网络使用统计复用技术控制网络接入，使网络带宽的使用更加灵活和高效。

目前流行的绝大多数局域网应用，包括以太网和令牌环在内，都属于包交换网络。

FR可以看做是X.25协议的简化版本，它省略了X.25协议所具有的一些强健功能，例如窗口技术和丢失数据重发技术等。

这主要是因为目前FR技术所使用的广域网环境比起七、八十年代X.25协议普及时所存在的网络基础设施，无论在服务的稳定性还是质量方面都有了很大的提高和改进。

此外，FR与X.25不同，是一种严格意义上的第二层协议，所以可以把一些复杂的控制和管理功能交由上层协议完成。

这样就大大提高了FR的性能和传输速度，使其更加适合广域网环境下的各种应用。

早在1984年，关于FR技术的标准化协议就已经提交到国际电话与电报委员会（CCITT）。

但是，由于当时的标准并不完善，而且缺乏互操作性，所以在随后的几年当中FR并没有迅速普及开来。

FR发展史上最重要的转折点出现在1990年。

当时，由Cisco，Digital Equipment 以及北电等几家业界著名厂商共同组建起专业联盟致力于FR技术的开发。

该联盟所推出的新规范在CCITT协议的基础之上对FR的功能进行了扩展，增加了许多面向复杂网络环境的新功能。

通常，我们把这些FR扩展功能统称为本地管理接口（LMI）。

新规范推出之后受到了业界厂商的广泛支持。

ANSI和CCITT也根据新规范中的LMI定义对各自的技术标准进行的调整和改进，直到今天，这些协议和标准仍然被人们广泛的使用。

帧中继网络环境下的设备可以分为两大类，即数据终端设备（DTE）和数据电路终端设备（DCE）。

DTE可以被理解成是网络的末端设备，通常被放置在用户区域，直接由用户所有和控制。

DTE设备包括网络终端，个人计算机，路由器和网桥等。

DCE是由运营商所有的网络互联设备，主要用来提供网络的时钟和交换服务，可以通过广域网对数据进行传输。

通常，DCE设备主要是指包交换机。

FR网络环境下，DTE和DCE设备之间的关系如图所示：图中，DTE和DCE设备之间的连接由物理层组件和数据链路层组件两部分组成。

其中，物理层组件定义设备连接的机械，电气，功能和程序规范；而数据链路层组件则主要定义设备之间的连接协议。

FR虚拟电路FR提供的是一种面向连接的数据链路层通信，任何两台设备之间都存在一条预先定义的通信通道，由连接标识符进行识别。

FR通过使用虚拟电路实现上述功能。

所谓虚拟电路，就是指跨越FR包交换网络，在两台数据终端设备之间创建的逻辑连接。

虚拟电路可以提供DTE设备之间的双向通信，使用唯一的数据链路层连接标识（DLCI）识别虚拟连接。

一条物理电路可以被复用为多条虚拟电路，从而降低了网络和设备的复杂程度。

FR虚拟电路包括交换性虚拟电路（SVC）和永久性虚拟电路（PVC）两种。

下面，我们就来对其进行一一介绍。

交换性虚拟电路（SVC）交换性虚拟电路是一种临时性的连接，主要适用于数据传输量较少的DTE设备之间的网络连接。

通过SVC建立的通信会话包括以下4种运行状态：呼叫建立在两台FR DTE设备之间创建虚拟电路。

数据传输通过虚拟电路在两台DTE设备之间传输数据。

空闲状态DTE设备之间的连接仍然存在，但是没有数据进行传输。

当SVC处于空闲状态超过预定时间之后，当前呼叫将被自动终止。

呼叫终止终止两台DTE设备之间的虚拟电路。

当虚拟电路被终止后，如果DTE设备之间还需要进行数据交换的话，必须重新创建一条新的SVC。

由于很少有厂商提供支持SVC的DCE设备，所以交换性虚拟电路在今天的帧中继网络中的实际应用很少。

顾名思义，永久性虚拟电路创建的是一种永久性的连接，主要用于经常需要进行持续性的数据传输的DTE设备之间的网络连接。

与SVC相比，通过PVC进行的通信不包含呼叫建立和终止状态。

PVC总是在以下两种状态下运行：数据传输通过虚拟电路在DTE设备之间传输数据。

空闲状态DTE设备之间的连接仍然存在，但是没有数据进行传输。

不同于SVC，PVC 不会在任何环境下因为处于空闲状态而自动被终止。

因为PVC创建的是永久性的连接，所以DTE设备可以在任何需要进行通信的时候传输数据。

数据链路层连接标识（DLCI）FR虚拟电路由数据链路层连接标识进行识别，该标识通常由帧中继服务商提供。

DLCI具有本地适用行，所以并不要求整个广域网范围内的唯一性。

举例来说，通过一条虚拟电路连接的两台DTE设备可能使用不同的DLCI标识同一条连接。

下图可以说明一条虚拟电路可以在连接的两端被赋予不同的DLCI值。

数拥塞控制机制在网络控制方面，为了降低系统开销，FR采用了简单的拥塞通知机制，而没有使用显式的基于每一条虚拟电路的控制机制。

这主要是因为FR通常运行在比较稳定的网络介质之上，所以完全可以将流量控制功能交由上层协议完成，而不会影响到数据的完整性。

FR所采用的拥塞通知机制由以下两部分组成：前向拥塞标识（FECN）和后向拥塞标识（BECN）。

FECN和BECN都是由位于FR帧头部的比特位控制。

除了FECN和BECN位之外，FR帧中还提供了一个可丢弃指示位（DE），用来标识当出现网络拥塞时可以丢弃的非重要数据。

当DTE设备向FR网络发送数据时启动FECN机制。

如果网络出现拥塞，DCE 设备（例如交换机等）将会自动把帧的FECN位设定为1。

当数据帧到达目标接收DTE设备时，通过分析地址域（包含已经设置为1的FECN位）就可以知道该帧是否在传输过程中经历网络拥塞。

位于接收方的DTE设备会把收到的信息传递给高层协议以进行进一步的处理。

根据不同的情况，启动流量控制机制或者忽略FECN位通知信息。

当设置过FECN位的FR帧反向传输时，DCE设备会根据网络情况对BECN 位进行设置以通知接收方，该数据帧在方向传输过程中是否遇到网络拥塞。

DTE设备将上述信息传递给上层协议进行处理，根据不同的情况启动流量控制机制或忽略BECN位信息。

DTE设备可以通过将FR帧中的DE位设置为1，标识非重要数据帧。

当网络变得拥挤时，DCE就会首先丢弃那些已经设置了DE位的帧以释放出更多的网络资源。

当网络状况下降时，这一机制可以有效的确保关键数据仍然能够稳定，可靠的传输。

FR采用了最为常用的循环冗余码校验（CRC）作为错误校验机制。

CRC通过对比两个计算值可以确定在信息传递过程中是否出现错误。

为了降低网络开销，FR 只采用了错误校验机制，而没有提供任何的错误修复功能。

这主要是因为FR的网络运行环境较好，所以可以在不损害数据完整性的前提下，把错误修复功能交由上层协议完成。

LMI是对FR基本规范的一组增强功能，提供了用于管理复杂网络的多项扩展，其中较为重要的包括全局定址，虚拟电路状态消息以及多点传送等。

LMI全局定址扩展功能可以使数据链路层连接标识（DLCI）在整个FR广域网范围内有效，成为每一台DTE设备的唯一网络地址。

全局定址扩展增强了FR网络的管理功能，任何一个单独的网络接口或末端节点都可以使用标准的地址解析技术进行识别。

LMI虚拟电路状态消息可以在FR DTE和DCE设备之间实现通信和同步。

上述消息被用来定期通报PVC的链路状态，以避免数据被发入黑洞（所谓黑洞，就是指已经不存在的PVC）。

LMI多点传送扩展可以建立不同的多点传送组，根据具体的路由器组传送相应的路由更新和地址解析信息，从而有效的节省了占用带宽。

FR网络实现目前所使用的绝大多数FR网络都是由服务提供商负责进行管理和维护，这就是我们通常所说的公用FR服务。

FR技术无论是在公用运营商网络还是专用企业网络上都可以实现，下面，我们就来对这两种不同的FR网络类型进行一下简单的介绍。

公用运营商网络在由运营商提供的FR网络中，FR交换设备都位于电信运营商的中心业务局。

虽然用户需要支付一定的网络使用费用，但是省去了对网络设备和服务进行管理和维护的复杂工作。

公用网络下的DCE设备一般都是由运营商所有，而DTE设备要么由用户自己购买，要么由运营商作为FR服务的一部分提供给用户使用。

专用企业网络最近几年，一些大型的跨国公司开始建立自己的专用FR网络。

在专用FR网络中，网络的管理和维护都需要由企业自己来完成，而所有的网络设备包括交换设备在内完全归用户所有。

FR帧结构为了更好的理解FR技术，我们需要对FR帧的结构有一个较为全面的认识和了解。

下面，我们就来对标准的FR帧结构进行较为详细的介绍。

如图所示，FR帧的具体组成如下：标志字段（Flags）标志一帧的开始和结束。

该字段值固定不变，使用01111110表示。

地址字段（Address）地址字段包含多种信息，其中较为重要的有：DLCI：DLCI的长度为10个比特（Address中的2-12位），是FR帧的关键部分。

DLCI的值代表了DTE设备和交换机之间的虚拟连接电路。

每一条复用到物理链路的虚拟连接都使用一个唯一的DLCI识别。

DLCI值只是本地有效，所以同一条连接的两端所使用的DLCI可以不同。

拥塞控制：拥塞控制由FECN，BECN和DE 3个比特位组成，主要用于控制FR拥塞通知机制。

关于上述3个比特位的作用我们在前文中已经做过介绍，这里就不再重复了。

数据字段（Data）包含被封装的用户数据或负载。

该字段长度不固定，最大可以达到16000个字节。

数据字段的作用主要是通过FR网络传递上层协议数据包，例如PDU等。

帧校验序列字段（FCS）FCS字段可以确保传输数据的完整性。

该字段值由发送设备计算，在抵达接收设备之后进行验证，以确定数据是否完整。