幀中繼技術及其應用

2019-11-03 09:03:59

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

郭海塬

中國電信西安電信分公司

　　摘要幀中繼技術是在分組技術、數字與光纖傳輸技術、計算機技術日益成熟的條件下發展起來的，它是一種用于連接計算機系統的面向分組的通信方法。它完成了開放系統互連（OSI）物理層、鏈路層的功能；流量控制、糾錯等功能改由智能終端去完成，這大大簡化了節點機之間的協議，提高了線路帶寬的利用率。幀中繼主要應用在局域網（LAN）互聯、高清晰度圖像業務、寬帶可視電話業務和Internet連接業務等。本文首先簡要介紹了數據通信技術的發展；然后詳細闡述了幀中繼技術特點、接入方式的實現；最后對幀中繼電路的一般故障進行了診斷分析。

　　關鍵詞幀中繼技術測試 FR DLCI CIR

1 數據通信技術的發展

　　數據通信就是完成計算機之間、計算機與終端之間、以及終端與終端之間的信息傳遞的通信方式和通信業務。為了實現數據通信，就必須進行數據傳輸，即將位于一地的數據源發出的數據信息通過數據通信網絡傳送到另一地的數據接收設備。被傳遞的數據信息的類型是多種多樣的，其典型的應用有文件傳輸、語音交流、視頻會議等。隨著數據通信技術的發展和演變，其網絡交換技術歷經了電路方式、分組方式、幀方式和信元方式。

　　電路方式是從一點到另一點傳遞信息的最簡單的方式。它屬于預分配電路資源系統，電路資源預先分配給一對用戶固定使用，不管在這條電路上實際有無數據傳輸，電路一直被占用，直到雙方通信完畢拆除連接為止。它具有信息傳輸時延小、電路“透明”、信息傳送的吞吐量大等特點，數字數據網（DDN）就是這種方式。

　　分組方式是將傳送的信息劃分為一定長度的包，稱為分組，以分組為單位進行存儲轉發。在分組交換網中，一條實際的電路上能夠傳輸許多對用戶終端間的數據而互不混淆，因為每個分組中含有區分不同起點、終點的編號，稱為邏輯信道號。分組方式對電路帶寬采用了動態復用技術，效率明顯提高。為了保證分組的可靠傳輸，防止分組在傳輸和交換過程中的丟失、錯發、漏發、出錯，分組通信制定了一套嚴密的，較為繁瑣的通信協議。例如：在分組網與用戶設備間的X.25規程就起到了上述作用，因此人們又稱分組網為“X.25網”。

　　幀方式實質上也是分組通信的一種形式，只不過它將X.25分組網中分組交換機之間的恢復差錯，防止擁塞的處理過程進行了簡化。幀方式的典型技術就是幀中繼。由于傳輸技術的發展，數據傳輸誤碼率大大降低，分組通信的差錯恢復機制顯得過于繁瑣，幀中繼將分組通信的三層協議簡化為兩層，大大縮短了處理時間，提高了效率。幀中繼網內部的糾錯功能很大一部分都交由用戶終端設備來完成。

　　信元方式（Cell Model）是將信息以信元為單位進行傳送的一種技術。信元主要由兩部分構成，即信元頭和信元凈荷。信元頭所包含的是地址和控制信息，信元凈荷是用戶數據。信元的長度是固定的。采用信元方式，網絡不對信元的用戶數據進行檢查；但是信元頭中的CRC比特將指示信元地址信息的完整性。信元方式也是一種快速分組技術，它將信息通過適配層切割成固定長度的信元。信元方式適用于各種類型信息的傳輸，是提供綜合業務的網絡技術基礎。

　　信元方式僅是一個非常宏觀的概念，在具體應用中，還需規范詳盡的格式及協議，例如在B-ISDN中所采用的ATM技術也是基于信元的。

2 幀中繼技術特點

　　由于幀中繼是在分組交換技術的基礎上發展起來的，主要涉及開放系統互連（OSI）協議的下兩層，即物理層和數據鏈路層。幀中繼對物理層傳輸線路的性能要求較高，基本上達到無誤碼傳輸；在數據鏈路層，幀中繼采用統計復用方式，通過不同編號的DLCI（Data　Line　Connection　Identifier數據鏈路連接識別符）建立邏輯電路。一般來講，同一條物理鏈路層可以承載多條邏輯虛電路，而且網絡可以根據實際流量動態調配虛電路的可用帶寬。

　　電路的邏輯部分包括PVC（永久虛電路），其帶寬控制通過CIR（承諾的信息速率）、 Bc（承諾的突發大?。┖虰e（超過的突發大小）3個參數設定完成。Tc（承諾時間間隔）和EIR（超過的信息速率）與此3個參數的關系是：Tc=Bc/CIR ；EIR=Be/Tc。

　　幀中繼網絡是由許多幀中繼交換機通過中繼電路連接組成（國內大部分省采用加拿大北電公司的幀中繼交換機）。用戶路由器和幀中繼網絡之間通過周期性的消息互通確認鏈接，幀中繼節點機和路由器的鏈接管理協議設置必須一致，很多路由器廠商如Cisco，將默認協議設為LMI（Local management Interface本地管理接口）。

　　通常情況下，FR（Frame Relay）路由器（或FRAD：Frame Relay access Device）是放在離局域網靠近的地方，路由器可以通過專線電路（DDN、HDSL、光纖）連接到電信運營商的交換機。用戶如果具備帶幀中繼封裝功能的路由器，再向電信運營商申請一條長途幀中繼專線電路，就可以借助電信運營商的幀中繼網進行業務的拓展。

　　

　　幀中繼的帶寬控制技術既是幀中繼技術的特點，更是幀中繼技術的優點。在傳統的數據通信業務中，特別象DDN，用戶申請了一條64K的電路，那么他只能以64kbit/s的速率來傳送數據；而在幀中繼技術中，用戶向幀中繼業務運營商申請的是承諾的信息速率（CIR），而實際使用過程中用戶可以以高于CIR的速率發送數據，卻不必承擔額外的費用。舉例來說，某用戶申請了CIR為64kbit/s的幀中繼電路，并且與電信運營商簽定了另外兩個指標，Bc（承諾突發量）、Be （超過的突發量），當用戶以等于或低于64kbit/s的速率發送數據時，網絡將確保此速率傳送，當用戶以大于64kbit/s的速率發送數據時，只要網絡不擁塞，且用戶在承諾時間間隔（Tc）內發送的突發量小于Bc+Be時，網絡還會傳送，當突發量大于Bc+Be時，網絡將丟棄幀。所以幀中繼用戶雖然支付了64kbit/s的信息速率費（收費依CIR來定），卻可以傳送高于64kbit/s的數據，這是幀中繼吸引用戶的主要原因之一。

　　目前，國內幀中繼所采用的連接主要是永久虛電路（PVC），另外一種邏輯電路是交換虛電路（SVC）。幀中繼協議是對X.25協議的簡化，因此處理效率較高，網絡吞吐量高，通信時延低，幀中繼用戶的接入速率在64kbit/s至2Mbit/s，甚至可達到34Mbit/s。

　　幀中繼技術主要用于傳遞數據業務，幀中繼的幀信息長度遠比X.25分組長度要長，最大幀長度可達1600字節/幀，適合于封裝局域網的數據單元、傳送突發業務（如壓縮視頻業務、WWW業務等），它是廣域網通信的一種方式。

3 幀中繼的應用

　　幀中繼技術首先在美國和歐洲得到應用。1991年末，美國第一個幀中繼網——Wilpac網投入運行，它覆蓋全美91個城市。在北歐，芬蘭、丹麥、瑞典、挪威等在90年代初聯合建立了北歐幀中繼網WordFRAME，以后英國等許多歐洲國家也開始了幀中繼網的建設和運行。在我國，國家幀中繼骨干網于1997年初初步建成，覆蓋了各省會城市；從1998年以來，各省根據本省實際情況，逐步搭建了省ATM/幀中繼網，上海是提供國際幀中繼業務的出口局。

　　幀中繼業務是在用戶與網絡接口（UNI）之間提供用戶信息流的雙向傳送，并保持原順序不變的一種承載業務。用戶信息流以幀為單位在網絡內傳送，用戶與網絡接口之間以虛電路進行連接，對用戶信息流進行統計復用。

　　經過近幾年的發展，中國電信已經在全國絕大部分重要城鎮建立了幀中繼網節點，并與Internet實現了互聯。和其他廣域網通信手段相比，通過幀中繼網實現異地網絡互連，具有可靠性高、協議透明傳輸、高速廉價的優點。因此，幀中繼是目前企業建設信息網最有效的通信方式。

　　企業采用幀中繼專線組網，一般主要考慮數據傳輸性能、端到端延時性能、統計復用、用戶接入端口速率等因素，具體分析如下：

　?。?）數據傳輸性能

　　各參數的設置必須充分考慮傳輸的性能。在最壞的情況下，數據將以CIR的速率傳送；在最好的情況下，數據將以CIR+EIR的速率傳送。

　?。?）端到端延時性能

　　端到端的延時是指數據通過幀中繼網絡從一端傳送到另外一端的延時時間。數據通過幀中繼網的延時由串行延時、隊列延時、電路交換延時和包交換延時組成。但主要延時是串行延時和隊列延時，其計算公式如下：

　　Ds（串形延時）：在鏈路上傳輸包的時間，由鏈路帶寬決定。

　　 Dq（隊列延時）：包在傳輸前于緩沖區內等待的時間。

　　 Ds=幀的大?。╞it）/ 鏈接帶寬（bit/s）

　　 Dq（最大）=安排的緩沖區大小 / 外出的帶寬

　　（3）統計復用

　　幀中繼的優勢在于統計復用。和DDN線路相對比，一個數據流的各個PVC之CIR+EIR的和與DDN線路速率的比定義為線路增益。這個增益就表現了幀中繼的優勢。在保證服務質量的前提下，該增益可以達到3∶1的比例，有時可達到7∶1的比例。

　　（4）用戶接入端口速率

　　端口速率決定了CIR+EIR的最大值。從傳輸速率上考慮，實際可以得到的最大信息率是端口速率和CIR+EIR值兩者之間較小的一個。企業要想得到價廉物美的服務，則當一個物理端口只有一條PVC時，可以申請端口的速率為CIR的2倍。

　　用戶向電信運營商申請好幀中繼電路需求后，根據用戶的速率選擇本地電路的傳輸方式。一般速率在512K以下，采用走實線的方式；高于512K的，則采用光纖走傳輸；當然，如果用戶總部需要開通多條不同速率跨省電路，用戶本地無幀中繼網，最好在距離用戶比較近的DDN節點為用戶開通N×2M （N為1至17整數） TMCP板用于用戶接入的小節點，方便用戶接入業務和業務擴展。

　　幀中繼廣域網的設備分為數據終端設備（DTE）和數據電路終端設備（DCE），用戶路由器一般作為 DTE設備。當物理線路布好且環回測試無誤碼時，就需要對路由器進行配置，因為用好幀中繼的關鍵就是對路由器的配置。其關鍵配置是進行線路封裝、協議類型選取、DLCI號的確定、ip地址的確立，其主要進行如下配置：

　　interface Serial 0（配置廣域端口）

　　encapsulation frame-relay IETF（封裝幀中繼）

　　frame-relay lmi-type ansi （LMI有3種標準：ansi 、cisco、q933a）

　　ip address ABCD XXXX （ABCD 為S0 的IP地址,XXXX為子網掩碼） frame-relay interface-dlci 100 （DLCI號為1-1023的整數）

　　ip route ABCD XXXX YYYY（ABCD為對端IP地址，XXXX為子網掩碼，YYYY為對端廣域口IP地址）

4 幀中繼專線測試與診斷

　　隨著企業用戶對數據通信業務需求的不斷提高，幀中繼作為一種高效的數據通信手段得到了廣泛的應用。作為業務運營商，如中國電信、中國聯通、中國網通等都在優化自己的幀中繼網絡，以提高網絡資源的利用率，并以各種有效的手段推廣幀中繼業務，力爭在市場競爭中博得更高的市場份額。

　　對一條新開幀中繼用戶電路，其操作的流程是：業務受理——號線配線——數據配端口——測量臺測外線——區局數據裝機——局間環路測試——本地環路測試——用戶終端至終端全程測試——竣工。當用戶外線作好，工程技術人員在用戶端安裝好幀中繼設備之后，需要進行一系列的基本測試，也就是一般意義上講的開通測試。這些測試的主要目的是確保網絡各項參數設置正確，電路的物理和邏輯性能合格（比如保證線路無誤碼），以便使提供的幀中繼網能更好地服務于用戶。

　　對幀中繼新開電路測試、故障電路排除大致都進行以下幾種測試判斷：

　?。?）物理層測試

　　物理線路是運行幀中繼業務的基礎，其性能的好壞直接影響到所提供幀中繼業務的質量。因此，物理線路的測試是幀中繼電路開通測試、故障修復的重要環節。

　　首先，查看用戶端Modem（低速貓一般選NTU560，高速常用LOOP-H）指示燈狀態。常見指示燈有：RTS、DTR、TD、RD、DCD、TEST等，DTR指示燈常亮表示數據終端設備準備好，此時用戶端應該接好電纜； DCD載波信號到達指示燈，燈常亮表示局端與用戶端握手正常，Modem叫通，當DCD燈閃爍或不亮則表明到局端Modem的線路中斷；TEST燈閃，表明與局端MODEM未叫通，正常狀態應為滅，作環回測試時常亮。

　　其次，查看用戶路由器接口的物理狀態。一個接口可以處于三種狀態之一：up、down或Administratively down；“serial x is up”表明接口已經正確連接，“serial x is administratively down”說明接口處于關閉模式，需用“no shutdown”命令來激活，“serial is down”說明路由器和DSU/CSU連接狀態錯，應檢查線纜和路由器的串口。

　　物理層測試可以驗證線路的傳輸性能，一般主要測試誤碼率。誤碼率是測試檢驗線路傳輸性能最常用的測試方法，通常測試時間應在30分鐘以上，嚴格意義上測試時間需要連續測試24小時，測試結果的門限指標一般按照ITU-T標準來衡量，其誤碼一般應小于10的負7次方。

　?。?）幀中繼層測試

　　在確保物理層沒有問題之后，可以進一步對幀中繼層進行測試。將測試儀接入線路，測試儀將模擬用戶端設備測試幀中繼網絡的參數指標，主要包括LMI測試，DLCI號和幀中繼協議封裝類型的確認等。通常Cisco路由器的封裝類型為“Cisco”，這只適用于兩端都是Cisco路由器的情形，如果另一端的路由器為其他品牌，如3COM、聯想、華為等,則應將封裝類型改為“IETF”。

　　LMI（Local Management Interface）本地管理接口是幀中繼網絡設備和用戶端設備進行連通性確認的一種協議；DLCI（Data Link Connection Identifier）數據鏈路連接識別符，即邏輯虛電路的標識，網絡通過DLCI來識別不同的虛電路，DLCI的設置范圍為0-1023。

　　通過測試可以明確幀中繼網絡一側所采用的LMI類型和所設置的DLCI號，以及邏輯電路的狀態等。對LMI和DLCI測試的目的是要確保網絡設備和用戶端設備設置的一致性。因為只有采用相同的LMI才能建立正常的通信；如果網絡和用戶采用不同的邏輯虛電路DLCI，二者傳輸的數據肯定將無法抵達對方。所以對幀中繼靜態設置信息的測試要雙向進行，確保一致匹配。當協議狀態為“line PRotocol is up”，說明路由器和幀中繼提供商已經正確地交換了LMI信息。如果“line protocol is down”表明行協議沒有啟動起來,要求運營商重新配置故障線路的鏈路協議。

　　（3） PVC性能測試

　　幀中繼業務開通之后，用戶可能會遇到一些問題，諸如某一條虛電路運行速度慢，時延過長等。此時需要專門針對這一虛電路進行性能測試。通常用戶需要指定虛電路的DLCI編號，設置發送數據的速率，并在電路的遠端設置PVC的環回。測試儀在指定PVC上模擬產生幀中繼流量，進行幀丟失率、幀傳輸率、數據傳輸率、傳輸時延、擁塞指示等測試。如果各項指標都合格，表明被測虛電路在測試時間內性能合格。如果某些指標不合格，則需要在端至端電路中間的各個轉接點依次做環回測試，通常這種排除測試是按先局內后局外進行排查，以定位故障點，從而排除之。

　?。?） IP層測試

　　從技術角度講，幀中繼網絡只是為數據傳輸提供了一個平臺。目前在該平臺上傳輸的典型業務是基于IP的應用。因此，在確保物理層和幀中繼層沒有問題之后，如果條件具備，還應進行基本的IP層測試。其中最常用的就是IP PING測試。IP PING測試的結果將給出PING時數據包丟失率，時延和相關錯誤信息。通常，邏輯虛電路對端的IP地址是通過（ARP/RARP）方式獲取的；由于幀中繼的傳輸平臺對IP應用是透明的，所以對IP層其他更深入的測試方法都可以直接使用。

　　為了保證幀中繼業務的質量，就必須在業務開通之前對幀中繼電路的物理和邏輯指標進行全面測試；對已開通的幀中繼電路，應作好每次故障記錄，把有針對性的故障測試分析、維護經驗，除報送上級單位外，還應抄送用戶網管，以方便用戶故障的檢測與排除。因為電信企業本身就是服務部門，服務是電信企業永恒的主題，電信企業只有堅持“用戶至上，用心服務”的經營理念，才能贏得客戶的理解、才能煉就客戶的忠誠度，電信企業才能取得很好的經濟效益和社會效益。

5 結束語

　　目前市場的路由器都支持幀中繼協議，幀中繼上可承載流行的IP業務，IP加幀中繼已經成了廣域網應用的絕佳選擇。幀中繼上的話音傳輸技術（VOFR）也不斷發展，幀中繼電話已經被某些企業所采用。幀中繼越來越得到電信運營商和最終用戶的青睞，這不僅因為其應用廣泛，局域網互聯、Internet接入、視頻會議等業務都可以通過幀中繼網絡實現，更重要的是幀中繼業務為用戶提供了更高的傳輸速率，更簡便的接入方式和更高的性價比。

　　隨著多媒體業務的發展，隨著IP技術的發展，作為數據通信基礎網絡技術的幀中繼技術將被越來越多地應用，其發展前景無限。

----《中國數據通信》