Frame Relay

La tecnica trasmissiva detta Frame-mode Bearer Service o Frame Relay e' stata introdotta dalla ITU-T a partire dalla raccomandazione I.122 del 1988 ed e' diventata uno dei contributi piu' significativi allo sviluppo di ISDN.

Nella metodologia di commutazione a pacchetto seguita da X.25:

• viene usata segnalazione in-banda per lo scambio di pacchetti di controllo chiamata
• la multiplessazione di circuiti virtuali ha luogo a livello 3
• sia il livello 2 che 3 espletano funzioni di controllo errori e controllo flusso

Questo meccanismo causa ridondanze e ritardi. Ad ogni nodo di rete a livello Data Link avviene l'invio di una trama e la sua conferma di ricezione, e ad ogni nodo intermedio della rete vengono mantenute tabelle di stato per ogni citcuito virtuale attivo.

Il Frame Relay tende ad eliminare le inefficienze di X.25:

• i segnali di controllo chiamata sono su una connessione logica separata da quella per lo scambio dati
• la multiplessazione e commutazione hanno luogo a livello 2 anziche 3
• non vi e' controllo di flusso o di errore tra i nodi intermedi, ma vengono lasciati a livelli software superiori dei nodi terminali

La perdita di controllo d'errore e di flusso ai nodi intermedi teoricamente introduce notevoli ritardi di recupero errori, ma in pratica cio' e' di rado vero a causa della bonta' dei mezzi trasmissivi moderni.

Il vantaggio principale e' il molto minor numero di operazioni da compiere nello smistamento pacchetti, risultante in una velocita' superiore ad X.25 di fino ad un ordine di grandezza. La raccomandazione I.233 della ITU-T indica l'uso previsto di Frame Relay fino a velocita' di 2 Mbps.

Le applicazioni che traggono benrficio da Frame Relay su un canale H ad alta velocita' sono dei tipi:

• applicativi interattivi a blocchi di dati, p.es. CAD/CAM, con requisiti bassi ritardi e larga banda
• file transfer, con larga banda ma ritardi piu' alti
• applicativi multiplessati a bassa velocita', co possibilita' di accesso simultaneo da gruppi vasti di partecipanti
• traffico a caratteri intenso, con caratteristiche di bassi ritardi, ma trame corte e banda stretta

Si puo' considerare il Frame Relay come una versione snella di X.25 che usa solo due livelli software, Il Frame Relay supporta non solo la multiplessazione ma la distribuzione: si puo' stabilire una connessione multipla da un utente locale a molti utenti remoti.

Architettura del Protocollo

Vi e' una distinzione tra due servizi Frame-mode offerti: Frame Relaying e Frame Switching.

Il Frame Relaying e' un servizio base di rete per il trasferimento di trame su un canale D, B o H. Il servizio ha le seguenti caratteristiche:

• E' possibile lo stabilimento di chiamate virtuali multiple o circuiti virtuali permanenti a destinazioni multiple
• Per le chiamate virtuali, i segnali di controllo viaggiano su un canale separato D
• I dati utente sono trasmessi col protocollo LAPF a livello data link (Link Access Procedure for Frame-mode services)
• La rete garantisce la sequenzialita' di trasferimento trame
• La rete scopre errori di trasmissione, formattazione e operazioni e scarta le trame relative

Il servizio Frame Switching e' un servizio di rete potenziato per il trasferimento di trame su un canale D, B o H. Ha tutte le caratteristiche del servizio Frame Relaying ed inoltre:

• Il trasmittente riceve un messaggio di conferma ricezione per ogni trama trasmessa
• Viene supportato il controllo di flusso in entrambe le direzioni all'interfaccia utente rete
• La rete scopre e recupera errori di trasmissione, di formattazione e di operazione
• La rete recupera la situazione di trame perdute o duplicate

Il servizio Frame Relaying e' inerentemente inaffidabile ma si basa sull'affidabilita' intrinseca del mezzo fisico. Il servizio Frame Switching e' affidabile e molto simile ad X.25; al giorno d'oggi non vi sono grosse applicazioni del servizio Frame Switching.

Il diagramma di architettura di protocolli prevede due piani separati di operazioni:

• il Piano Utente (U), responsabile del trasferimento dati, con funzionalita' punto-punto tra i terminali
• il Piano di Controllo (C), responsabile dello stabilimento e terminazione delle connessioni logiche, implementato tra l'utente e la rete

I segnali di controllo sono inviati sul canale D e viene usato il protocollo LAPD a livello data link per lo scambio di messaggi di controllo conformi alle raccomandazioni Q.931 e Q.933. LAPD garantisce un servizio affidabile con controllo di errore e di flusso tra l'utente (TE) e la rete (NT).

I dati tra utenti sono inviati tramite il protocollo LAPF, definito da Q.922, che e' una versione potenziata di LAPD (Q.921). Vengono in realta' usate solo alcune funzionalita' centrali di LAPF:

• delimitazione, allineamento e trasparenza delle trame
• multiplessazione trame usando il campo indirizzi
• ispezione delle trame per garantire un numero intero di byte in seguito alle operazioni di 'bit stuffing'
• ispezione delle trame per garantirne una lunghezza entro limiti definiti
• detezione di errori di trasmissione
• funzioni di controllo congestione

Controllo Chiamata

Vengono distinte le seguenti alternative:

1. se il link di rete locale sia o no capace di fornire il servizio gestione trame di Frame Relay: se non lo e' (Caso A), il servizio e' fornito da un gestore remoto su un canale B o H; se lo e' (Caso B), il servizio puo' anche essere offerto su canale D, ma questa possibilita' non e' pienamente specificata
2. se la connessione al gestore trame Frame Relay sia semipermanente o a richiesta: solo nell'ultimo caso e' necessario lo stabilimento di connessione

Sono distinte due connessioni, connessione di accesso, tra l'utente ed il gestore di Frame Relay, e connessione di frame relay, che usa questa connessione di accesso fino all'utente di destinazione.

Col primo tipo di connessione viene usato il protocollo di connessione definito dalla normale raccomandazione Q.933 di ISDN, che usa il canale D.

La connessione di frame relay avviene dopo lo stabilimento di una connessione di accesso, e i messaggi sono trasmessi in uno di due modi a seconda che il gestore di Frame Relay sia remoto o locale:

• Caso A: I messaggi sono scambiati in trame Frame Relay sullo stesso canale B o H usato per le connessioni frame relay, con la stessa struttura di trama, ma con un campo DLCI settato a zero. Il campo Data Link Connection Identifier (DLCI) identifica la connessione logica soggetto del messaggio e permette la multiplessazione di piu' connessioni logiche sullo stesso canale.
• Caso B: I messaggi di controllo chiamata sono trasmessi sul canale D in trame LAPD col campo SAPI=0.

In un primo passo l'utente stabilisce una connessione di accesso a commutazione di circuito col gestore di Frame Relay, tramite lo scambio di messaggi SETUP, CONNECT e CONNECT ACK.

Nel secondo passo avviene uno scambio direttamente tra l'utente terminale e il nodo Frame Relay per ogni connessione frame relay che viene stabilita, di nuovo tramite lo scambio di messaggi SETUP, CONNECT e CONNECT ACK.

Gli elementi informativi scambiati in questi messaggi sono gli stessi che nel protocollo Q.931. In particolare esiste un campo End-toEnd Transit Delay, che specifica il ritardo nominale massimo richiesto o indicato per la trasmissione di una trama di dati tra utenti terminali, incluso il tempo di trattamento Frame Relay dei nodi intermedi e terminali.

Vengono scambiati inoltre elementi informativi riguardanti parametri del protocollo a livello data link, riguardanti l'efficienza del servizio:

• Dimensione massima del campo informazioni di trama. Specificato in byte, ha valori di default di 256 byte per il canale D e 4096 byte per i canali B ed H. Gli utenti terminali possono negoziare dimensioni piu' piccole.
• Throughput. Numero medio di bit nel campo informazioni di trama trasmesse al secondo, espresso nel formato Ax10^B, ove A e' un parametro moltiplicatore e B un parametro esponente.
• Troughput minimo accettabile. Il valore minimo al di sotto del quale la connessione deve essere terminata.
• Dimensione di burst nominale. Il numero massimo di bit che la rete puo' trasferire in condizioni normali in un intervallo di riferimento T.
• Dimensione di burst in eccesso. Il numero massimo di bit che la rete tentera' di trasferire, in aggiunta a quelli nominali, in un intervallo di riferimento T.

L'intervallo di riverimento e' calcolato come T=B/(throughput), ove per B viene normalmente indicata la dimensione di burst nominale se maggiore di zero, altrimenti la dimensione di burst in eccesso se quella nominale e' zero.

• Dimensione della finestra di trasmissione. Apmiezza della finestra scorrevole di controllo di flusso, con valori da 1 a 127.
• Valore del temporizzatore di ritrasmissione. Tempo di attesa in decimi di secondo che il ricevente attendera' prima di richiedere una ritrasmissione di una trama non giunta.
• Modo di operazione. Uso di numeri di sequenza a 3 o 7 bit.

LAPF

Il protocollo Link Access Procedure for Frame-mode bearer services e' basato su un'estensione di LAPD ed e' usato per il trasferimento trame su tutti i canali utente (B, D ed H). Per la versione Frame Relay del servizio viene usato un sottoinsieme di LAPF noto come Core LAPF.

Il formato trama del Core LAPF e' simile a quello di LAPD con un'eccezione: assenza del campo di controllo. Questo ha alcune conseguenze:

• E' possibile un solo tipo di trama, per il trasporto di dati utente. Non vi sono trame di controllo.
• Non e' possibile l'uso di segnalazioni in-banda, una connessione logica puo' portare solo dati utente.
• Non e' possibile il controllo di errori o di flusso, poiche' non vi sono numeri di sequenza.

I campi Flag e Frame Check Sequence (FCS) hanno le stesse funzioni di LAPD e LAPB. Il campo Informazioni porta i dati per i livelli software piu' alti. Se l'utente decide di implementare funzionalita' end-to-end aggiuntive a livello Data Link, il campo Informazioni puo' a sua volta trasportare una trama data link, per esempio di un protocollo Logical Link Control (LLC) di rete locale. Questo comportamento e' trasparente per il Frame Relay.

La lunghezza del campo Indirizzo e quindi del campo DLCI e' determinata dai bit di Estensione Campo Indirizzi (EA). La lunghezza di default e' 2 byte, ma puo' essere di 3 o 4 byte. Il campo DLCI puo' essere di 10, 16, 17 o 23 bit. Ogni capo della connessione logica assegna il proprio DLCI da un pool di numeri locali non usati.

Per frame relay su canale D si assume un campo Indirizzi a 2 byte e i valori DLCI sono limitati all'intervallo da 512 a 991, che e' l'equivalente dei valori da 36 a 61 per il campo SAPI del LAPD. Le trame LAPD possono quindi essere multiplessate con trame frame relay su una connessione su canale D, usando come discriminante i bit da 8 a 3 del primo byte del campo Indirizzi.

Nei formati Indirizzi a 3 e 4 byte il campo D/C indica se i sei rimanenti bit del byte siano i bit bassi del campo DLCI o siano invece bit di protocollo core diversi, ma al momento bit diversi non sono stati definiti.

Il campo bit C/R e' specifico di applicativo e non usato dal protocollo core. Gli altri bit del campo Indirizzi influenzano il controllo di congestione.

La funzione esguita da ISDN nel supporto del frame relay consiste nel routing delle trame a seconda del valore del campo DLCI. La logica di decisione e' implementata concettualmente in un modulo software separato, il Punto di Controllo di frame relay, che e' responsabile per le decisioni di routing.

Il routing e' controllato da linee in una tabella di connessione che mappa le trame provenienti da un canale in ingresso con canali in uscita. Il modulo di gestione routing copia le trame sul canale di uscita indicato dalla tabella di connessione e traduce il campo DLCI della trama prima dell'invio. Questa tecnica e' nota come Channel-link Path Routing.

Tutti i TE hanno una connessione logica al Punto di Controllo frame relay col valore DLCI=0; queste connessioni sono riservate per il controllo di chiamata.

Il Punto di Controllo inoltre verifica la correttezza del campo FCS e in caso di errori semplicemente scarta la trama. Spetta ai protocolli a livelli piu' alti richiederne la ritrasmissione.