帧中继技术及其应用

2019-11-03 09:03:59

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供稿：网友

郭海塬

中国电信西安电信分公司

　　摘要帧中继技术是在分组技术、数字与光纤传输技术、计算机技术日益成熟的条件下发展起来的，它是一种用于连接计算机系统的面向分组的通信方法。它完成了开放系统互连（OSI）物理层、链路层的功能；流量控制、纠错等功能改由智能终端去完成，这大大简化了节点机之间的协议，提高了线路带宽的利用率。帧中继主要应用在局域网（LAN）互联、高清晰度图像业务、宽带可视电话业务和Internet连接业务等。本文首先简要介绍了数据通信技术的发展；然后详细阐述了帧中继技术特点、接入方式的实现；最后对帧中继电路的一般故障进行了诊断分析。

　　关键词帧中继技术测试 FR DLCI CIR

1 数据通信技术的发展

　　数据通信就是完成计算机之间、计算机与终端之间、以及终端与终端之间的信息传递的通信方式和通信业务。为了实现数据通信，就必须进行数据传输，即将位于一地的数据源发出的数据信息通过数据通信网络传送到另一地的数据接收设备。被传递的数据信息的类型是多种多样的，其典型的应用有文件传输、语音交流、视频会议等。随着数据通信技术的发展和演变，其网络交换技术历经了电路方式、分组方式、帧方式和信元方式。

　　电路方式是从一点到另一点传递信息的最简单的方式。它属于预分配电路资源系统，电路资源预先分配给一对用户固定使用，不管在这条电路上实际有无数据传输，电路一直被占用，直到双方通信完毕拆除连接为止。它具有信息传输时延小、电路“透明”、信息传送的吞吐量大等特点，数字数据网（DDN）就是这种方式。

　　分组方式是将传送的信息划分为一定长度的包，称为分组，以分组为单位进行存储转发。在分组交换网中，一条实际的电路上能够传输许多对用户终端间的数据而互不混淆，因为每个分组中含有区分不同起点、终点的编号，称为逻辑信道号。分组方式对电路带宽采用了动态复用技术，效率明显提高。为了保证分组的可靠传输，防止分组在传输和交换过程中的丢失、错发、漏发、出错，分组通信制定了一套严密的，较为繁琐的通信协议。例如：在分组网与用户设备间的X.25规程就起到了上述作用，因此人们又称分组网为“X.25网”。

　　帧方式实质上也是分组通信的一种形式，只不过它将X.25分组网中分组交换机之间的恢复差错，防止拥塞的处理过程进行了简化。帧方式的典型技术就是帧中继。由于传输技术的发展，数据传输误码率大大降低，分组通信的差错恢复机制显得过于繁琐，帧中继将分组通信的三层协议简化为两层，大大缩短了处理时间，提高了效率。帧中继网内部的纠错功能很大一部分都交由用户终端设备来完成。

　　信元方式（Cell Model）是将信息以信元为单位进行传送的一种技术。信元主要由两部分构成，即信元头和信元净荷。信元头所包含的是地址和控制信息，信元净荷是用户数据。信元的长度是固定的。采用信元方式，网络不对信元的用户数据进行检查；但是信元头中的CRC比特将指示信元地址信息的完整性。信元方式也是一种快速分组技术，它将信息通过适配层切割成固定长度的信元。信元方式适用于各种类型信息的传输，是提供综合业务的网络技术基础。

　　信元方式仅是一个非常宏观的概念，在具体应用中，还需规范详尽的格式及协议，例如在B-ISDN中所采用的ATM技术也是基于信元的。

2 帧中继技术特点

　　由于帧中继是在分组交换技术的基础上发展起来的，主要涉及开放系统互连（OSI）协议的下两层，即物理层和数据链路层。帧中继对物理层传输线路的性能要求较高，基本上达到无误码传输；在数据链路层，帧中继采用统计复用方式，通过不同编号的DLCI（Data　Line　Connection　Identifier数据链路连接识别符）建立逻辑电路。一般来讲，同一条物理链路层可以承载多条逻辑虚电路，而且网络可以根据实际流量动态调配虚电路的可用带宽。

　　电路的逻辑部分包括PVC（永久虚电路），其带宽控制通过CIR（承诺的信息速率）、 Bc（承诺的突发大小）和Be（超过的突发大小）3个参数设定完成。Tc（承诺时间间隔）和EIR（超过的信息速率）与此3个参数的关系是：Tc=Bc/CIR ；EIR=Be/Tc。

　　帧中继网络是由许多帧中继交换机通过中继电路连接组成（国内大部分省采用加拿大北电公司的帧中继交换机）。用户路由器和帧中继网络之间通过周期性的消息互通确认链接，帧中继节点机和路由器的链接管理协议设置必须一致，很多路由器厂商如Cisco，将默认协议设为LMI（Local management Interface本地管理接口）。

　　通常情况下，FR（Frame Relay）路由器（或FRAD：Frame Relay access Device）是放在离局域网靠近的地方，路由器可以通过专线电路（DDN、HDSL、光纤）连接到电信运营商的交换机。用户如果具备带帧中继封装功能的路由器，再向电信运营商申请一条长途帧中继专线电路，就可以借助电信运营商的帧中继网进行业务的拓展。

　　

　　帧中继的带宽控制技术既是帧中继技术的特点，更是帧中继技术的优点。在传统的数据通信业务中，特别象DDN，用户申请了一条64K的电路，那么他只能以64kbit/s的速率来传送数据；而在帧中继技术中，用户向帧中继业务运营商申请的是承诺的信息速率（CIR），而实际使用过程中用户可以以高于CIR的速率发送数据，却不必承担额外的费用。举例来说，某用户申请了CIR为64kbit/s的帧中继电路，并且与电信运营商签定了另外两个指标，Bc（承诺突发量）、Be （超过的突发量），当用户以等于或低于64kbit/s的速率发送数据时，网络将确保此速率传送，当用户以大于64kbit/s的速率发送数据时，只要网络不拥塞，且用户在承诺时间间隔（Tc）内发送的突发量小于Bc+Be时，网络还会传送，当突发量大于Bc+Be时，网络将丢弃帧。所以帧中继用户虽然支付了64kbit/s的信息速率费（收费依CIR来定），却可以传送高于64kbit/s的数据，这是帧中继吸引用户的主要原因之一。

　　目前，国内帧中继所采用的连接主要是永久虚电路（PVC），另外一种逻辑电路是交换虚电路（SVC）。帧中继协议是对X.25协议的简化，因此处理效率较高，网络吞吐量高，通信时延低，帧中继用户的接入速率在64kbit/s至2Mbit/s，甚至可达到34Mbit/s。

　　帧中继技术主要用于传递数据业务，帧中继的帧信息长度远比X.25分组长度要长，最大帧长度可达1600字节/帧，适合于封装局域网的数据单元、传送突发业务（如压缩视频业务、WWW业务等），它是广域网通信的一种方式。

3 帧中继的应用

　　帧中继技术首先在美国和欧洲得到应用。1991年末，美国第一个帧中继网——Wilpac网投入运行，它覆盖全美91个城市。在北欧，芬兰、丹麦、瑞典、挪威等在90年代初联合建立了北欧帧中继网WordFRAME，以后英国等许多欧洲国家也开始了帧中继网的建设和运行。在我国，国家帧中继骨干网于1997年初初步建成，覆盖了各省会城市；从1998年以来，各省根据本省实际情况，逐步搭建了省ATM/帧中继网，上海是提供国际帧中继业务的出口局。

　　帧中继业务是在用户与网络接口（UNI）之间提供用户信息流的双向传送，并保持原顺序不变的一种承载业务。用户信息流以帧为单位在网络内传送，用户与网络接口之间以虚电路进行连接，对用户信息流进行统计复用。

　　经过近几年的发展，中国电信已经在全国绝大部分重要城镇建立了帧中继网节点，并与Internet实现了互联。和其他广域网通信手段相比，通过帧中继网实现异地网络互连，具有可靠性高、协议透明传输、高速廉价的优点。因此，帧中继是目前企业建设信息网最有效的通信方式。

　　企业采用帧中继专线组网，一般主要考虑数据传输性能、端到端延时性能、统计复用、用户接入端口速率等因素，具体分析如下：

　　（1）数据传输性能

　　各参数的设置必须充分考虑传输的性能。在最坏的情况下，数据将以CIR的速率传送；在最好的情况下，数据将以CIR+EIR的速率传送。

　　（2）端到端延时性能

　　端到端的延时是指数据通过帧中继网络从一端传送到另外一端的延时时间。数据通过帧中继网的延时由串行延时、队列延时、电路交换延时和包交换延时组成。但主要延时是串行延时和队列延时，其计算公式如下：

　　Ds（串形延时）：在链路上传输包的时间，由链路带宽决定。

　　 Dq（队列延时）：包在传输前于缓冲区内等待的时间。

　　 Ds=帧的大小（bit）/ 链接带宽（bit/s）

　　 Dq（最大）=安排的缓冲区大小 / 外出的带宽

　　（3）统计复用

　　帧中继的优势在于统计复用。和DDN线路相对比，一个数据流的各个PVC之CIR+EIR的和与DDN线路速率的比定义为线路增益。这个增益就表现了帧中继的优势。在保证服务质量的前提下，该增益可以达到3∶1的比例，有时可达到7∶1的比例。

　　（4）用户接入端口速率

　　端口速率决定了CIR+EIR的最大值。从传输速率上考虑，实际可以得到的最大信息率是端口速率和CIR+EIR值两者之间较小的一个。企业要想得到价廉物美的服务，则当一个物理端口只有一条PVC时，可以申请端口的速率为CIR的2倍。

　　用户向电信运营商申请好帧中继电路需求后，根据用户的速率选择本地电路的传输方式。一般速率在512K以下，采用走实线的方式；高于512K的，则采用光纤走传输；当然，如果用户总部需要开通多条不同速率跨省电路，用户本地无帧中继网，最好在距离用户比较近的DDN节点为用户开通N×2M （N为1至17整数） TMCP板用于用户接入的小节点，方便用户接入业务和业务扩展。

　　帧中继广域网的设备分为数据终端设备（DTE）和数据电路终端设备（DCE），用户路由器一般作为 DTE设备。当物理线路布好且环回测试无误码时，就需要对路由器进行配置，因为用好帧中继的关键就是对路由器的配置。其关键配置是进行线路封装、协议类型选取、DLCI号的确定、ip地址的确立，其主要进行如下配置：

　　interface Serial 0（配置广域端口）

　　encapsulation frame-relay IETF（封装帧中继）

　　frame-relay lmi-type ansi （LMI有3种标准：ansi 、cisco、q933a）

　　ip address ABCD XXXX （ABCD 为S0 的IP地址,XXXX为子网掩码） frame-relay interface-dlci 100 （DLCI号为1-1023的整数）

　　ip route ABCD XXXX YYYY（ABCD为对端IP地址，XXXX为子网掩码，YYYY为对端广域口IP地址）

4 帧中继专线测试与诊断

　　随着企业用户对数据通信业务需求的不断提高，帧中继作为一种高效的数据通信手段得到了广泛的应用。作为业务运营商，如中国电信、中国联通、中国网通等都在优化自己的帧中继网络，以提高网络资源的利用率，并以各种有效的手段推广帧中继业务，力争在市场竞争中博得更高的市场份额。

　　对一条新开帧中继用户电路，其操作的流程是：业务受理——号线配线——数据配端口——测量台测外线——区局数据装机——局间环路测试——本地环路测试——用户终端至终端全程测试——竣工。当用户外线作好，工程技术人员在用户端安装好帧中继设备之后，需要进行一系列的基本测试，也就是一般意义上讲的开通测试。这些测试的主要目的是确保网络各项参数设置正确，电路的物理和逻辑性能合格（比如保证线路无误码），以便使提供的帧中继网能更好地服务于用户。

　　对帧中继新开电路测试、故障电路排除大致都进行以下几种测试判断：

　　（1）物理层测试

　　物理线路是运行帧中继业务的基础，其性能的好坏直接影响到所提供帧中继业务的质量。因此，物理线路的测试是帧中继电路开通测试、故障修复的重要环节。

　　首先，查看用户端Modem（低速猫一般选NTU560，高速常用LOOP-H）指示灯状态。常见指示灯有：RTS、DTR、TD、RD、DCD、TEST等，DTR指示灯常亮表示数据终端设备准备好，此时用户端应该接好电缆； DCD载波信号到达指示灯，灯常亮表示局端与用户端握手正常，Modem叫通，当DCD灯闪烁或不亮则表明到局端Modem的线路中断；TEST灯闪，表明与局端MODEM未叫通，正常状态应为灭，作环回测试时常亮。

　　其次，查看用户路由器接口的物理状态。一个接口可以处于三种状态之一：up、down或Administratively down；“serial x is up”表明接口已经正确连接，“serial x is administratively down”说明接口处于关闭模式，需用“no shutdown”命令来激活，“serial is down”说明路由器和DSU/CSU连接状态错，应检查线缆和路由器的串口。

　　物理层测试可以验证线路的传输性能，一般主要测试误码率。误码率是测试检验线路传输性能最常用的测试方法，通常测试时间应在30分钟以上，严格意义上测试时间需要连续测试24小时，测试结果的门限指标一般按照ITU-T标准来衡量，其误码一般应小于10的负7次方。

　　（2）帧中继层测试

　　在确保物理层没有问题之后，可以进一步对帧中继层进行测试。将测试仪接入线路，测试仪将模拟用户端设备测试帧中继网络的参数指标，主要包括LMI测试，DLCI号和帧中继协议封装类型的确认等。通常Cisco路由器的封装类型为“Cisco”，这只适用于两端都是Cisco路由器的情形，如果另一端的路由器为其他品牌，如3COM、联想、华为等,则应将封装类型改为“IETF”。

　　LMI（Local Management Interface）本地管理接口是帧中继网络设备和用户端设备进行连通性确认的一种协议；DLCI（Data Link Connection Identifier）数据链路连接识别符，即逻辑虚电路的标识，网络通过DLCI来识别不同的虚电路，DLCI的设置范围为0-1023。

　　通过测试可以明确帧中继网络一侧所采用的LMI类型和所设置的DLCI号，以及逻辑电路的状态等。对LMI和DLCI测试的目的是要确保网络设备和用户端设备设置的一致性。因为只有采用相同的LMI才能建立正常的通信；如果网络和用户采用不同的逻辑虚电路DLCI，二者传输的数据肯定将无法抵达对方。所以对帧中继静态设置信息的测试要双向进行，确保一致匹配。当协议状态为“line PRotocol is up”，说明路由器和帧中继提供商已经正确地交换了LMI信息。如果“line protocol is down”表明行协议没有启动起来,要求运营商重新配置故障线路的链路协议。

　　（3） PVC性能测试

　　帧中继业务开通之后，用户可能会遇到一些问题，诸如某一条虚电路运行速度慢，时延过长等。此时需要专门针对这一虚电路进行性能测试。通常用户需要指定虚电路的DLCI编号，设置发送数据的速率，并在电路的远端设置PVC的环回。测试仪在指定PVC上模拟产生帧中继流量，进行帧丢失率、帧传输率、数据传输率、传输时延、拥塞指示等测试。如果各项指标都合格，表明被测虚电路在测试时间内性能合格。如果某些指标不合格，则需要在端至端电路中间的各个转接点依次做环回测试，通常这种排除测试是按先局内后局外进行排查，以定位故障点，从而排除之。

　　（4） IP层测试

　　从技术角度讲，帧中继网络只是为数据传输提供了一个平台。目前在该平台上传输的典型业务是基于IP的应用。因此，在确保物理层和帧中继层没有问题之后，如果条件具备，还应进行基本的IP层测试。其中最常用的就是IP PING测试。IP PING测试的结果将给出PING时数据包丢失率，时延和相关错误信息。通常，逻辑虚电路对端的IP地址是通过（ARP/RARP）方式获取的；由于帧中继的传输平台对IP应用是透明的，所以对IP层其他更深入的测试方法都可以直接使用。

　　为了保证帧中继业务的质量，就必须在业务开通之前对帧中继电路的物理和逻辑指标进行全面测试；对已开通的帧中继电路，应作好每次故障记录，把有针对性的故障测试分析、维护经验，除报送上级单位外，还应抄送用户网管，以方便用户故障的检测与排除。因为电信企业本身就是服务部门，服务是电信企业永恒的主题，电信企业只有坚持“用户至上，用心服务”的经营理念，才能赢得客户的理解、才能炼就客户的忠诚度，电信企业才能取得很好的经济效益和社会效益。

5 结束语

　　目前市场的路由器都支持帧中继协议，帧中继上可承载流行的IP业务，IP加帧中继已经成了广域网应用的绝佳选择。帧中继上的话音传输技术（VOFR）也不断发展，帧中继电话已经被某些企业所采用。帧中继越来越得到电信运营商和最终用户的青睐，这不仅因为其应用广泛，局域网互联、Internet接入、视频会议等业务都可以通过帧中继网络实现，更重要的是帧中继业务为用户提供了更高的传输速率，更简便的接入方式和更高的性价比。

　　随着多媒体业务的发展，随着IP技术的发展，作为数据通信基础网络技术的帧中继技术将被越来越多地应用，其发展前景无限。

----《中国数据通信》