Frame Relay, giải pháp cho các doanh nghiệp và tập đoàn (Phần 1)

Frame Relay là gì ?

Frame Relay là một dịch vụ truyền số liệu mạng diện rộng dựa trên công nghệ chuyển mạch gói. Đây là một chuẩn của CCITT [1] và ANSI [2] định ra quá trình truyền dữ liệu qua mạng dữ liệu công cộng. Hiện tại Frame Relay phục vụ cho các khách hàng có nhu cầu kết nối các mạng diện rộng và sử dụng các ứng dụng riêng với tốc độ kết nối cao (băng thông tối đa là 44,736 Mbit/s) và phục vụ cho các ứng dụng phức tạp như tiếng nói, âm thanh và hình ảnh. Đặc điểm của Frame Relay là truyền thông tin qua mạng diện rộng bằng việc chia dữ liệu thành những gói tin. Mỗi gói tin đi qua một dãy các thiết bị chuyển mạch trong mạng Frame Relay để đi đến đích.

Chúng ta đã biết, các công nghệ WAN được phân chia ra ví dụ như đường dây thuê bao "leased line" (T1, E1), chuyển mạch kênh (POTS, ISDN), chuyển mạch gói (X.25, Frame Relay) .v.v. Chính Frame Relay là công nghệ chuyển mạch gói, hoạt động tại các lớp vật lý và liên kết dữ liệu trong mô hình OSI [3] nhưng không có cơ chế kiểm soát lỗi, việc kiểm soát lỗi phải nhờ vào các giao thức lớp trên như TCP [4] chẳng hạn và do đó tốc độ truyền dữ liệu của Frame Relay nhanh hơn một số công nghệ WAN khác. Ngày nay Frame Relay là một giao thức chuẩn công nghiệp, nó có thể xử lý nhiều kênh truyền và sử dụng HDLC [5] để đóng gói dữ liệu giữa các thiết bị kết nối.

Phương thức hoạt động

Frame Relay được xem như giao diện giữa người dùng và thiết bị mạng. Mạng cung cấp giao diện Frame Relay có thể là mạng của một nhà cung cấp dịch vụ hay mạng thiết bị do tư nhân quản lý. Một mạng Frame Relay có thể bao gồm các máy tính, các máy chủ về phía người dùng; các thiết bị truy cấp Frame Relay như các bộ định tuyến hay các môđem; và thiết bị mạng Frame Relay như các thiết bị chuyển mạch, các bộ định tuyến, các CDU/CSU [6] hay các bộ dồn kênh như mô tả trong Hình 1.

Hình 1 : Frame Relay định ra quá trình liên kết giữa bộ định tuyến và thiết bị chuyển mạch truy nhập cục bộ của nhà cung cấp dịch vụ.

Chúng ta triển khai một dịch vụ Frame Relay công cộng bằng việc đặt thiết bị chuyển mạch Frame Relay trong tổng đài (central ofice) của nhà cung cấp dich vụ viễn thông. Trong trường hợp này, khách hàng có được những lợi ích như trả phí theo tốc độ truyền và không cần phải mất nhiều thời gian vào việc quản trị hay bảo trì các thiết bị và các dịch vụ mạng. Hiện tại không tồn tại các chuẩn cho liên kết thiết bị bên trong một mạng Frame Relay. Bởi vậy việc hỗ trợ các giao diện Frame Relay không nhất thiết là giao thức Frame Relay phải được sử dụng giữa các thiết bị mạng. Như vậy, chuyển mạch kênh truyền thống, chuyển mạch gói hay một kết hợp lai ghép giữa các công nghệ có thể được sử dụng như mô tả trong Hình 2.

Hình 2 : Frame Relay được sử dụng như một giao diện với một mạng bằng các thiết bị chuyển mạch Frame Relay và các bộ định tuyến.

Các đường kết nối các thiết bị người dùng với thiết bị mạng có thể hoạt động tại tốc độ truyền được lựa chọn từ nhiều tốc độ dữ liệu. Các tốc độ giữa 56 Kbit/s và 1.544 Mbit/s là đặc trưng, mặc dù vậy Frame Relay có thể hỗ trợ các tốc độ thấp và cao hơn.

Sau đây là một số thuật ngữ liên quan đến Frame Relay có sử dụng trong bài báo:

+Access rate: Tốc độ đồng hồ (tốc độ cổng) của kết nối đến mạng Frame Relay. Đây là tốc độ mà tại đó dữ liệu được truyền đi hay đến của mạng.

+DLCI (Data-link connection identifier): DLCI [10] là một giá trị số nhận diện kênh lôgic giữa thiết bị nguồn và thiết bị đích. Thiết bị chuyển mạch Frame Relay tham chiếu đến các giá trị DLCI giữa mỗi cặp bộ định tuyến để tạo ra một kênh truyền ảo cố định (PVC [11]).

+LMI (local management interface): Một chuẩn báo hiệu giữa thiết bị CPE [9] và thiết bị chuyển mạch Frame Relay có trách nhiệm quản lý kết nối và duy trì trạng thái giữa các thiết bị. Đây là tập các nâng cao đặc tả Frame Relay cơ sở. LMI bao gồm hỗ trợ cơ chế "keepalive" (duy trì sự hoạt động) kiểm tra dòng dữ liệu đang lưu thông; cơ chế "multicast" cung cấp cho máy chủ mạng DLCI cục bộ của nó và DLCI multicast; Định địa chỉ toàn bộ (global addressing) cho các giá trị DLCI có ý nghĩa tổng thể trong các mạng Frame Relay; và cơ chế "status" cung cấp một báo cáo trạng thái "on-going" về các DLCI đã biết tới thiết bị chuyển mạch. Tồn tại ba dạng LMI được hỗ trợ trong các bộ định tuyến của Cisco là ansi, cisco, và q933a.

+CIR (Committed information rate): là tốc độ đo bằng bit trên giây mà nhà cung cấp dịch vụ cam kết.

+FECN (Forward explicit congestion notification): Một thiết lập bit trong frame (khung) thông báo cho một DTE biết rằng thủ tục ngăn chặn tắc nghẽn phải được khởi tạo bởi thiết bị nhận. Khi một thiết bị chuyển mạch Frame Relay nhận thấy có tắc nghẽn trong mạng, nó gửi một gói tin FECN đến thiết bị đích, thông báo rằng có tắc nghẽn xuất hiện.

+BECN (Backward explicit congestion notification): Một thiết lập bit trong frame (khung) thông báo cho một DTE biết rằng thủ tục ngăn ngừa tắc nghẽn phải được khởi tạo bởi thiết bị gửi. Như trong Hình 2 chỉ ra khi một thiết bị chuyển mạch Frame Relay nhận thấy có tắc nghẽn trong mạng, nó gửi một gói tin BECN đến bộ định tuyến nguồn, chỉ dẫn bộ định tuyến giảm tốc độ truyền tại nơi mà nó gửi các gói tin. Nếu bộ định tuyến nhận được bất cứ gói BECN nào trong khe thời gian hiện thời thì nó giảm tốc độ truyền đi 25%.

+Discard eligibility (DE) indicator: Một thiết lập bit thông báo frame (khung) có thể bị loại bỏ gói tin khi tắc nghẽn xuất hiện. Trong khi bộ định tuyến phát hiện có tắc nghẽn trên mạng, thiết bị chuyển mạch Frame Relay sẽ loại bỏ các gói tin với việc thiết lập bit DE đầu tiên.

Hình 3 :Một thiết bị chuyển mạch Frame Relay gửi các gói tin BECN để ngăn chặn tắc nghẽn.

Sự dồn kênh và DLCI

Đóng vai trò như giao diện giữa người dùng và thiết bị mạng, Frame Relay cung cấp cách thức để dồn kênh nhiều cuộc trao đổi dữ liệu lôgic (kênh ảo), thông qua một môi trường vật lý chia xẻ nhờ gán các giá trị DLCI (xem giải thích phần trên) cho mỗi đôi DTE/DCE [7,8] của các thiết bị.

Với việc dồn kênh trong Frame Relay bạn có thể sử dụng băng thông sẵn có một cách năng động và hiệu quả hơn. Khác với ISDN [14] (băng thông trong mỗi kênh là không thay đổi), với Frame Relay, từng kênh có thể sử dụng phần băng thông mà các kênh khác không sử dụng đến, miễn là tổng băng thông của chúng không đổi. Chính vì lý do đó Frame Relay cho phép người dùng chia xẻ băng thông với chi phí giảm. Chẳng hạn có một WAN sử dụng Frame Relay và Frame Relay tương đương với một nhóm các đường truyền thuê bao. Công ty điện thoại thường là chủ và có trách nhiệm bảo toàn và duy trì các đường truyền này. Bạn có thể chọn một đường để thuê giành riêng cho công ty của bạn hay bạn có thể trả chi phí thấp hơn khi thuê một kênh trên đường chia xẻ đó. Tất nhiên Frame Relay có thể cũng chạy hoàn toàn trên các mạng cá nhân, nhưng nó rất ít khi được sử dụng theo cách này.

Các chuẩn Frame Relay hướng đến các PVC [11] mà chúng được cấu hình bởi người quản trị và được quản lý trong một mạng Frame Relay. Một PVC (permanent virtual circuit) được hiểu ở đây là một kênh ảo được thiết lập cố định. Ví dụ như trong Hình 4 chúng ta có ba PVC, PVC từ A đến B có giá trị DLCI ở A là 325 và giá trị DLCI ở B là 44, từ B đến C có các giá trị DLCI tương ứng là 52 và 417, từ C đến A là 52 và 910. Trong đặc tả Frame Relay cơ sở (không mở rộng), các DLCI có một ý nghĩa cục bộ : bản thân các giá trị DLCI là không duy nhất trong WAN Frame Relay. Hai thiết bị DTE được nối với nhau bởi một kênh ảo có thể sử dụng một giá trị DLCI khác để tham chiếu đến cùng một kết nối như mô tả trong Hình 4.

Hình 4: Các thiết bị đầu cuối tại hai đầu của một kết nối có thể sử dụng các số DLCI khác nhau để tham chiếu đến cùng một kết nối này.

Cuối cùng, thiết bị chuyển mạch của nhà cung cấp dịch vụ xây dựng một bảng các giá trị DLCI tham chiếu đến các cổng ra (outbound port). Khi mà một frame (khung) nhận được, thiết bị chuyển mạch phân tích nhận diện kết nối và chuyển giao frame (khung) tới cổng ra liên quan. Một kênh truyền trọn vẹn được thiết lập trước khi frame (khung) đầu tiên được gửi.

Định dạng frame (khung)

Định dạng khung Frame Relay được mô tả trong Hình 5. Các trường Flag cho thấy điểm bắt đầu và kết thúc của khung Frame Relay. Kế theo trường Flag đánh dấu đầu khung là 2 byte thông tin về địa chỉ. Mười bit của hai byte này tạo thành ID của kênh hiện thời (chính là giá trị DLCI).

Tiếp theo đây là các trường trong khung Frame Relay :

Flag : Chỉ ra điểm bắt đầu và kết thúc của khung Frame Relay
Address : Chỉ ra độ dài của trường địa chỉ. Mặc dù các địa chỉ Frame Relay hiện tại có độ dài 2 byte, các bit địa chỉ cũng tính đến khả năng mở rộng của độ dài địa chỉ trong tương lai. Tám bít của mỗi byte trong trường Address được sử dụng để chỉ ra địa chỉ. Địa chỉ bao gồm thông tin sau:
- Giá trị DLCI : chỉ ra giá trị DLCI bao gồm 10 bit của trường Address
- Congestion Control (điều khiển tắc nghẽn) : Ba bit cuối cùng trong trường Address để điều khiển cơ chế thông báo tắc nghẽn trong Frame Relay. Những bit này là các bit FECN, BECN và DE (xem giải thích các thuật ngữ ở phần trên).
Data : Trường này có thể thay đổi độ dài có chứa dữ liệu đóng gói lớp trên
FCS (Frame check sequence) : Được sử dụng để đảm bảo toàn vẹn dữ liệụ đã truyền.