Построение сети передачи данных на основе протокола Frame Relay

В статье рассматриваются принципы построения территориальных сетей передачи данных с интеграцией услуг на примере типового проекта.

Понятие территориальной сети с интеграцией услуг

Прежде всего определим, что мы подразумеваем под словосочетанием "территориальная сеть передачи данных с интеграцией услуг", которое вынесено в заголовок статьи.

В статье, рассматриваются только сети передачи данных, т. е. сети состоящие из цифровых каналов передачи данных и узлов сети - коммутаторов. Прочие виды трафика для передачи по такой сети должны быть преобразованы в соответствии с определенным протоколом в потоки данных.

Понятие "территориальная" применительно к сети передачи данных подразумевает, что сеть распределена по значительной территории. Такая сеть создается в интересах учреждения, предприятия, фирмы, имеющей отделения по району, области или по всей стране.

Территориальные сети (WAN) принципиально отличаются от прочих (LAN, MAN) сетей тем, что:

"Интеграция услуг" - это способность сети передачи данных предоставлять пользователю разнообразные виды услуг не зависимо от того, на базе какого протокола работает сама сеть. Пользователь может получить практически все, что предоставляют ему другие широко распространенные сети: передачу разнообразных видов данных, телефонную связь, пересылку факсимильных сообщений, видеоконференцсвязь, прием телевизионных программ и др.

Постараемся теперь обобщить все вышеизложенное одной фразой. Территориальная сеть передачи данных с интеграцией услуг - это территориально (географически) распределенная сеть, предназначенная для передачи трафика различной природы, с различными вероятностно-временными характеристиками и объединяющая в себе функции традиционных сетей передачи данных, традиционных телефонных сетей, пересылку факсимильных сообщений и предоставление современных видов услуг, таких как передача видеоизображения и видеоконференцсвязь.

В силу особенностей отечественных каналов (большинство доступных каналов связи не отличаются высоким качеством) далее под интеграцией будем подразумевать более узкое понятие. Намеренно исключим из рассмотрения передачу видеоизображений и остановимся на трех базовых компонентах: данные, голос и факс.

Первые методы одновременной передачи различных видов трафика по одним физическим каналам связи появились достаточно давно. Однако, проблема выбора самой эффективной технологии остается по сей день.

Наибольшее распространение получили методы временного и статистического уплотнения.

Метод временного уплотнения

При использовании метода временного уплотнения (Time Divsion Multiplexing - TDM) различным каналам передачи данных предоставляются различные интервалы времени уплотненного канала. Мультиплексоры смешивают поток данных и оцифрованный голос с одной стороны канала связи, и разделяют их с противоположной (см. рис.1). При этом коммутацию телефонных соединений производят обычные АТС, причем в этом случае применяются относительно высокоскоростные методы оцифровки аналового телефонного сигнала, а потоки данных обрабатываются также традиционными средствами - коммутаторами Х.25 и маршрутизаторами IP/IPX. Основной недостаток этого метода заключается в цикличности распределения интервалов времени между каналами, т. е. независимости выделяемого каждому каналу интервала времени от наличия либо отсутствия необходимости передавать информацию. В результате, при неравномерном трафике эффективность использования ресурса канала оказывается невысокой.

Метод статистического уплотнения

При статистическом уплотнении фиксированные промежутки времени в уплотняемом канале не предоставляются отдельно каждому каналу передачи данных. В этом случае информация каждого канала передачи данных разбивается на отдельные блоки. К блоку добавляется заголовок (header), содержащий идентификатор соответствующего канала, и хвост (trailer), что образует единицу передачи информации (Protocol Data Unit) - кадр. Кадрами могут передаваться все виды трафика.

Можно выделить ряд преимуществ, характерных для статистического уплотнения:

На статистическом уплотнении каналов основан метод пакетной коммутации. Понятие пакета для сетевого уровня во многом аналогично понятию кадра на канальном уровне. Сеть пакетной коммутации состоит из узлов и статистически уплотненных каналов, соединяющих узлы. В одном канале связи может быть проложено несколько соединений. Узлы управляют потоками данных и осуществляют коммутацию логических соединений между абонентами сети.

Сети на базе технологии пакетной коммутации стали реальной альтернативой сетям с коммутацией соединений (например, телефонные сети). Примером реализации технологии пакетной коммутации являются сети Х.25.

Сети X.25 предназначены для передачи данных. Основная задача этих сетей - обеспечить гарантированную доставку данных по ненадежным каналам связи и повысить эффективность их использования. Протокол X.25 отличается развитыми средствами защиты от ошибок на канальном и сетевом уровнях. К сожалению он не подходит для трафика чувствительных к задержке приложений (таких как голос), и не может служить основным транспортным протоколом территориальной сети с интеграцией услуг.

Технология Frame Relay, также использующая метод пакетной коммутации, обладает всеми преимуществами статистического уплотнения. Однако, в этом протоколе не реализована коррекция ошибок, которая предполагает повторную передачу искаженных пакетов.

Процедура коррекции ошибок повышает достоверность передачи данных, но значительно увеличивает задержку в сети. При передаче голоса и другого чувствительного к задержке трафика, доставка пакета с задержкой, превышающей определенное значение, теряет смысл. В этом случае процедура коррекции ошибок не должна быть использована. Отсутствие коррекции ошибок в протоколе Frame Relay оказывается решающим, так как позволяет минимизировать задержку доставки пакетов.

В случае чувствительного к ошибкам трафика, (такого как передача файлов, функция коррекции возлагается на более интеллектуальное оконечное оборудование.

В последнее время стремительному развитию технологии Frame Relay способствовали несколько основных факторов, и улучшение качества каналов связи - один из них. Естественно, что эта технология предъявляет определенные требования к качеству используемых каналов связи.

Проведенные в России испытания полностью подтвердили предположение о возможности применения технологии Frame Relay на низкоскоростных каналах. Однако, далеко не все каналообразующее оборудование, представленное на российском рынке, обеспечивает необходимое качество передачи информации на отечественных каналах связи. Наиболее жизнеспособными оказались магистральные модемы фирмы Motorola.

Универсальные коммутаторы пакетов

Универсальные коммутаторы пакетов, использующие Frame Relay в качестве базового транспортного протокола, совмещают в себе несколько функций (см. рис. 2). Назовем основные из них:

Такие устройства образовали новый класс оборудования - мультимедийные пакетные коммутаторы (Multimedia Switch), которые для краткости будем называть мультимедийными коммутаторами.

Остановимся подробнее на некоторых функциях этих устройств.

Примерами передачи различных видов трафика могут служить коммутация пакетов X.25, сборка-разборка пакетов X.28, маршрутизация протоколов Internet IP, поддержка IBM SNA. Следует отметить возможность передачи через распределенную сеть протоколов локальных сетей, таких как IPX/SPX.

К функциям телефонных станций, выполняемым мультимедийными пакетными коммутаторами, относятся оцифровка и коммутация голоса, передача факсимильных сообщений. Мультимедийные коммутаторы значительно эффективнее используют полосу пропускания канала связи. Оцифровка и передача голосовой информации осуществляются методом ACELP (Algebraic Code Exited Linear Prediction), позволяющим значительно уменьшить требуемую полосу пропускания по сравнению с методом РСМ (Pulse Code Modulation), используемым в телефонных сетях ISDN.

Особенностью технологии Frame Relay является возможное увеличение задержки при передаче голоса по сравнению с обычной телефонной сетью. Избежать этого можно путем установления более высокого приоритета для голосового трафика и применения фрагментации пакетов.

Интеграция оборудования различных производителей

Построение сети, оптимизированной по ряду параметров, представляет собой очень сложный процесс.

Эффективное использование полосы пропускания канала связи при передаче трафика с сильно различающимися вероятностно-временными характеристиками (как голос и данные), требует очень тщательного подбора оборудования. К сожалению, никто из производителей не предлагает идеального оборудования "на все случаи жизни". Поэтому при создании сети приходится делать ставку на интеграцию устройств различных поставщиков.

При выборе каналообразующего оборудования специалисты компании "Информсвязь" рекомендуют использовать магистральные модемы фирмы Motorola. В сериях испытаний, проведенных во многих регионах России, эти модемы хорошо зарекомендовали себя с точки зрения обеспечения высоко качества дискретного канала передачи данных как на выделенных, так и на коммутируемых телефонных линиях.

Мультимедийные мультиплексоры фирмы Memotec давно опробованы и успешно применяются при обеспечении мультиплексирования различных типов трафика (для организации взаимодействия локальных сетей и одновременной передачи голоса и данных).

Недавно была представлена новая серия мультиплексоров Frame Relay MAXcess (производства компании RAD Data Communications), которые предназначены для передачи всех видов информации по сетям Frame Relay, ISDN, выделенным наземным линиям связи и спутниковым каналам связи. Широкий спектр устройств MAXcess различной мощности позволит выбрать наиболее подходящее и экономичное решение.

В качестве магистрального оборудования сети предприятие "Информсвязь" предлагает использовать Regional Concentrator 6500 Frame Plus (RC 6500) - высокопроизводительный узел сети X.25/Frame Relay фирмы Motorola ISG (Information System Group). Благодаря модульной реализации и универсальности конструкции, RC 6500 являются очень гибким устройством, подходящим для создания сетей различного масштаба. Каждый его порт может быть сконфигурирован как X.25, X.3/X.28, Frame Relay, SNA/SDLC и.т.д.

Новизна предлагаемого подхода заключается в том, что, применяя оборудования различных производителей, можно оптимизировать требуемые параметры создаваемой сети за счет использования сильных сторон каждого класса устройств. Чтобы понять преимущества предлагаемого подхода, обратимся к типовому проекту построения территориальной сети.

Типовой проект построения сети с интеграцией услуг

Рассмотрим на конкретном примере типовой проект построения сети с интеграцией услуг, реализованный предприятием "Информсвязь" для ряда региональных банков.

В распоряжении банка имелись четырехпроводные выделенные каналы тональной частоты, связывающие центральный офис и филиалы через промежуточные телефонные узлы.

Требовалось обеспечить:

Специалисты "Информсвязь" предложили организовать территориальную сеть с интеграцией услуг для передачи данных, телефонной и факсимильной связи. В качестве базового транспортного протокола был выбран Frame Relay, обеспечивающий передачу всех выбранных видов трафика. Поскольку эта технология требует достаточно высокого качества каналов связи в качестве каналообразующего оборудования было предложено использовать Motorola 3268 для магистральных линий и модемы Motorola 3267 для доступа удаленных пользователей по коммутируемым телефонным каналам

Motorola 3268 представляют собой магистральные модемы, работающие по протоколу V.34 на выделенных физических линиях или линиях тональной частоты как в синхронном, так и в асинхронном режиме. При этом четырехпроводные выделенные линии не являются обязательными, поскольку эти модемы работают также эффективно и на двухпроводных линиях.

Модемы 3267 и 3268 предназначены для установки в шасси. Их можно объединять с узлами коммутации пакетов Motorola Regional Concentrator 6500 Frame Plus. Для узлов сети с небольшим количеством магистральных линий связи (обычно до десяти) такое решение оказывается наиболее компактным и конструктивно законченным. В то же время эти модемы могут применяться при создании узлов большой емкости, так как в каждое шасси устанавливается 21 модемная плата 3268 с одним магистральным четырехпроводным модемом или плата 3267 с двумя двухпроводными модемами.

Для построения магистральной сети Frame Relay были предложены коммутаторы пакетов Motorola Regional Concentrator 6500 Frame Plus (RC6500), имеющие следующие преимущества:

На рис.2 показана принципиальная схема проекта.

В центральном отделении банка (см. рис. 3) были установлены: коммутатор RC 6500 на 36 портов с шестью процессорными модулями и 2 шасси Modulus 21 с магистральными модемами Motorola 3268.

B промежуточных узлах используются коммутаторы RC 6500 на 12 портов с 2-мя процессорными модулями и шасси Modulus 21 с модемами Motorola 3268.

В филиалах банка установлены узлы RC 6500, конструктивно объединенные в одном шасси с модемами Motorola 3268 для подключения к центру и двухмодемными платами Motorola 3267 для доступа удаленных пользователей по выделенным и коммутируемым линиям.

Для передачи голоса/факса и взаимодействия локальных сетей Ethernet были использованы устройства Multimedia Multiplexer CX-1000 фирмы Memotec. В выборе именно этих мультиплексоров сыграли роль такие их достоинства, как:

В данном проекте были использованы два вида шасси для мультиплексоров. В центре установлено шасси мультиплексора CX-1000 для большого количества (до 16) модулей сопряжения с городской телефонной сетью, а в отделениях - более компактные шасси (до 6 модулей) для подключения двух телефонно-факсовых аппаратов либо офисной АТС. Компрессия голосовой информации осуществляется методом ACELP на скорости 4.8 Кбит/с (9.6 Кбит/с - для факса), что составляет практически 10-кратный выигрыш по сравнению с 64 Кбит/с в случае метода РСМ. Сопряжение с офисными и районными АТС позволяет создать единое адресное пространство и в результате увеличить число абонентов телефонной сети.

В середине этого года появилось новое устройство СХ-900, которое является уменьшенной версией СХ-1000 и может эффективно использоваться для небольших оконечных узлов сети. СХ-900 имеет миниатюрный корпус со встроенным процессором и сменными интерфейсными картами. Может иметь до 7 портов данных, до 4 голосовых портов, один порт ЛВС (Ethernet или Token Ring).

Применение описанных типов оборудования в рамках предложенного концептуального подхода позволило повысить эффективность использования имеющихся каналов связи. На канале с пропускной способностью 19.2 Кбит/с удалось обеспечить одновременно два голосовых соединения и надежную передачу данных.

Среди нового оборудования для использования в проектах сетей с интеграцией услуг следует упомянуть Frame Relay мультиплексоры серии MAXcess компании RAD.

Новая серия MAXcess представлена 4-мя устройствами. Самое мощное устройство MAXcess-3000 имеет модульную конструкцию, может содержать до 12 модулей. MAXcess-3000 поддерживает до 44-х каналов "голос/факс" и 72 канала передачи данных; скорость передачи по синхронным каналам до 2 Мбит/с; производительность - 6000 пак/c. Мультиплексор MAXcess-3004 содержит до 5 модулей аналогичных модулям MX-3000 и может поддерживать до 30 каналов передачи данных или до 16 голосовых каналов.

Устройство доступа MAXcess-300 эффективно применять для связи с небольшими удаленными офисами. MAXcess-300 имеет 5 портов передачи данных и 4 порта для речевой/факсимильной связи, один из каналов может использоваться как высокоскоростной (до 384 Кбит/с). Дополнительно может быть установлен интерфейс для прямого подключения ЛВС Ethernet.

Самый компактный мультиплексор MAXcess-30 содержит 2 канала данных и 2 канала "голос/факс", скорость передачи по каналу данных до 64 Кбит/c, опционально возможен интерфейс Ethernet.

Все устройства серии MAXcess имеют встроенный SNMP-агент, поддерживают полный набор стандартов Frame Relay, европейские и американские стандарты ISDN.

Основными достоинствами нового продукта компании RAD является высокое качество передачи голоса при минимальных требованиях к полосе пропускания, высокая пропускная способность, хорошие экономические показатели (соотношение цена/качество).

Высокое качество передачи голоса на скорости от 5.1 Кбит/с обеспечивается за счет применения алгоритма MP-MLQ стандарта G.723.1 ITU-T. Эффективный алгоритм компрессии и динамическое распределение полосы пропускания позволяют достичь хорошего качества передачи голоса даже на низкоскоростных каналах связи, например, на выделенных телефонных линиях.

Высокая пропускная способность мультиплексоров поддерживается за счет использования передовой технологии мультиплексирования пакетов - технологии "Frame Relay+", которая разработана компанией RAD. Гибкая система приоретизации (имеет 7 уровней) сводит к минимуму время обработки чувствительного к задержкам голосового трафика.

Серия мультиплексоров MAXcess предназначена для создания корпоративных сетей предприятий, как собственных , так и подсетей доступа к сетям общего пользования. Широкая номенклатура изделий позволяет выбрать наиболее подходящее устройство для каждого конкретного применения.

Перспективы дальнейшего развития сети Frame Relay

Еще раз обратимся к идее построения сети с интеграцией услуг и рассмотренного проекта в частности.

Помимо основного требования - эффективность использования полосы пропускания каналов связи - не следует пренебрегать такими важными понятиями, как эффективное и надежное управление сетью, а также перспективой дальнейшего развития создаваемой сети.

Оборудование всех описанных нами классов имеет встроенный SNMP-агент, что позволяет создать единый центр управления сетевым оборудованием, в том числе модемами. Применение в качестве базовой платформы управления классической системы Open View фирмы Hewlett-Packard и собственных компонентов каждого производителя обеспечивает наибольшую гибкость и эффективность.

Построенная сеть с интеграцией услуг на базе технологии Frame Relay может развиваться в двух принципиальных направлениях.

Первое - экстенсивное развитие т.е. наращивание числа и функциональных возможностей узлов. Оно не требует принципиальной реконструкции сети, поскольку в конструктивах узлов предусмотрено увеличение числа процессорных модулей и портов.

Второе направление - переход на более высокоскоростную технологию АТМ (Asynchronous Transfer Mode) становится возможным с появлением оптоволоконных и других высокоскоростных каналов (более 2 Мбит/с). При этом технология Frame Relay и в будущем сохранит свои преимущества и актуальность, поскольку обеспечит идеальный доступ к высокоскоростной магистральной АТМ-сети по низкоскоростным каналам связи.

В заключение отметим, что на сегодняшний день протокол Frame Relay является наиболее эффективным для приложений, связанных с интеграцией неравномерного (пульсирующего) трафика локальных сетей и чувствительной к задержке голосовой информации.