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现代交换原理
帧中继技术

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帧中继技术及其应用
摘要 帧中继是一种在OSI参考模型的物理层和数据链路层工作的高性能WAN技术，也是一种典型的包交换技术。帧中继是有 Sprint International的工程师发明的，是X.25协议的简化版本，起初用于综合业务数字网（ISDN接口。如今，在其他各种接口上也得到了广泛的应用。网络提供商通常利用帧中继作为WAN上各个LAN之间的数据流量的封装技术。本文简要介绍了帧中继技术产生的技术背景，发展的必要性; 较详细地叙述了帧中继的原理, 帧中继的技术特点, 阐述了帧中继的未来发展与实际应用。
关键词 帧中继 X.25 综合业务数字网 封装技术 实际应用

帧中继技术背景
数据通信最早是基于模拟电话网进行的,传输的介质利用电缆和架空明线，第一个广泛应用的规程是CCITT 的X. 25 协议。用模拟网进行数据通信的缺点是, 误码率高, 约为10- 4~ 10- 5( 即每传输104~ 105 个比特信息就会产生1 比特的误码) ; 传输速率低( 9. 6kbps) , 而且网络终端亦是非智能化( 无控制流量和纠错检错功能) 的设备。X. 25 采用分组交换、存贮转发方式, 为了在高误码的通信网上保证较可靠的通信, X. 25 分组网提供误差校验和流量控制, 故X. 25 协议相当复杂, 且不可避免干涉到网络分层中的高层协议。由于光纤通信和计算机技术的迅速发展, 使网络的误码率误码率下降到10- 9~ 10- 10, 速率却高达几百Mbps。加上光纤的带宽极高, 数据终端又发展到高智能化, 故X. 25 已不能适应信息时代高速、低价、有效传输的要求。现在的网络可以将误码校验、流量控制等工作交给智能化的终端设备去处理, 从而提高网络的吞吐量。帧中继技术就是在这种情况下应运而生。

帧中继的原理
帧中继是一个简单的面向连接的虚拟电路分组业务,它既提供交换虚拟连接( switched v irtual connection,SVC) , 也提供永久虚拟电路( permanent virtual circuit, PVC) , 作为ISDN 的支撑业务, 帧中继还遵循ISDN 的原则, 使用户数据与信令分离。
（1）帧中继的分成结构
帧中继的分层结构与OSI 参考模型大致相对应,如图1 所示。在OSI 下三层中, 帧中继网只用下2 层物理层和数据链路层的一半功能而去掉了网络层, 将端到端的确认放在第2 层。

（2）帧中继的体系结构
因为用户信息和信令在网络端到端之间保持逻辑分离, 用户信息在用户平面( U- 平面) 内传输, 而信令在控制平面( C- 平面) 内传输, ITU- T 标准亦从用户侧和网络侧两方面描述FR, 如图2 所示。FR 体系结构中一个重要的协议为键路层协议, 通常叫做LAPF或Q. 972, 其核心功能为: 帧定界, 帧对齐, 数据透明,用地址域实现复用与解复用, 帧检查, 检错不重传, 阻塞控制等。

帧中继的数据传输协议
帧中继的帧格式
在FR中,信息以格式简单、长度可变的帧方式进行传输, 帧格式如图3 所示。每帧由帧定位、帧头、帧尾和用户信息四个部分组成。

FLAG 标志( 011110) : 表示每个帧的开始和结束,并填充帧之间的信道空隙。
用户信息: 一帧含有的用户信息最短1 字节, 缺省260 字节, 大多数帧中继产品最多支持1600 用户字节。
帧尾: 含2 字节的帧检验序列( frame check sequence,FCS) , 其计算方法与X. 25 相同。
帧头: 由2~ 4 字节组成。含有一个10 位长的数据链路连接标识符( data link connection identifer, DLCI), 是在呼叫建立时( SVC, 若为PVC 则是网络经营者允许时) 终端与网络协商好的虚拟呼叫标识, 终端通过DLCI 标识每个帧所属的虚拟连接, 并支持同时对不同目的地发出的许多呼叫。在建立SVC 时, DLCI只具有本地意义。帧头中其它位的含义如下:
EA：地址扩展位。如为1,则表示这是最后一个地址字节; 如为0,则表示下一字节仍为地址字节;C/ R：命令/ 响应位, 被透明地从一个终端传至另一个终端;FECN:如为1, 表示正向有可能发生拥塞显示;BECN:如为1, 表示反向有可能发生拥塞显示;DE:拥塞发生时丢弃一些帧, DE= 1 的帧被优先丢弃。
帧中继的协议
帧中继的数据传输协议在体系结构中属于Q.922的一个很小的子集, 称数据链路核心协议, 它提供了终端之间帧双向固定顺序传输, 协议有检错但无纠错和流量控制功能, 纠错和流量控制均在高层协议中完成。帧中继原理如图4 所示。图4 比较清楚地表示一帧的传输原理( 假设终端向网络发送一个帧序列) , 其中帧头用a 表示, 它含有DLCI 和一些其它信息, 带X的长方形表示帧中继交换机, 当交换机收到此帧后按顺序完成下几项工作。

(1)利用帧尾FCS 检验是否有传输错误, 若有则丢弃此帧。
( 2) 查帧长是否太长或太短, DLCI= a 是否已经分配, 发现有任何一种错误即丢弃此帧。
( 3) 参照路径查阅表, 确立通过哪个出口链路向下一站发送。图中对于端口Y, DLCI= a 的帧从端口y输出, 并换上新的标识符DLCI= b, 在发送此帧前因DLCI 的改变需重新计算FCS。
( 4) 在呼叫建立时, 沿途经过的每一帧中继交换机均需在路径查阅表中增加一页, 交换一个不同的DLCI 值, 如此一直交送到目的终端。
在这里说的是一个方向的数据传送过程, 另一方向的传送过程与此完全相同。概括说来, 帧中继数据传输协议可简单表述如下:
( 1) 通过FLAG 标志标识帧的开始和结束;
( 2) 使用0 位的插入和删除, 避免标识序列与帧内其它字节相混淆;
( 3) 使用FCS 检查传输错误, 查帧长度及其它参数的有效性;
( 4) 利用DLCI 为不同的虚拟连接进行帧的多路复用与分解;
( 5) 进行拥塞控制
帧中继术语
(1) 永久虚电路（PVC）：虚电路是永久建立的链路，由ISP 在其帧中继交换机静态配置交
换表实现。不管电路两端的设备是否连接上，它总是为它保留相应的带宽。
(2) 数据链路连接标识符（DLCI）：一个在路由器和帧中继交换机之间标识PVC 或者SVC的数值。DLCI（Data Link Circiut Identification，数据链路连接标识符）实际上就是帧中继网络中的第2 层地址。

如上图，当路由器R1 要把数据发向路由器R2（IP 为123.123.123.2）时，路由器R1 可以用DLCI=102 来对IP 数据包进行第2 层的封装。数据帧到了帧中继交换机，帧中继交换机根据帧中继交换表进行交换：从S1 接口收到一个DLCI 为102 的帧时，交换机将把帧从S2 接口发送出去，并且发送出去的帧的DLCI 改为201。这样路由器R2 就会接收到R1 发来的数据包。而当路由器R2 要发送数据给R1（IP 为123.123.123.1）时，路由器R2 可以用DLCI=201 来对IP 数据包进行第2 层的封装，数据帧到了帧中继交换机，帧中继交换机同样根据帧中继交换表进行交换：从S2 接口收到一个DLCI 为201 的帧时，交换机将把帧从S1 接口发送出去，并且发送出去的帧的DLCI 改为102。这样路由器R1 就会接收到R2 发来的数据包。
通过以上分析可以知道DLCI 实际上就是IP 数据包在帧中继链路上进行封装时所需的第
2 层地址。图8-2 各路由器中的第3 层地址和第2 层地址映射如下：
R1： 123.123.123.2→102
123.123.123.3→103
R2： 123.123.123.1→201
123.123.123.3→203
R3： 123.123.123.1→301
123.123.123.2→302
帧中继的一个非常重要特性是NBMA（非广播多路访问）。在图8-2 中，如果路由器在DLCI
为102 的PVC 上发送一个广播，R2 路由器可以收到，然而R3 是无法收到的。如果R1 想发送的广播让R2 和R3 都收到，必须分别在DLCI 为102 和103 的PVC 上各发送一次，这就是非广播的含义。多路访问的意思是帧中继网络是多个设备接在同一网络介质上，以太网也是多路访问网络。
(3) 本地管理接口（Local Management Interface）：是路由器和帧中继交换机之间的一种信令标准，负责管理设备之间的连接及维护其连接状态。LMI提供了一个帧中继交换机和路由器之间的简单信令。在帧中继交换机和路由器之间必须采用相同的LMI 类型，配置接口LMI 类型的命令为 frame-relay lmi-type [cisco | ansi | q933a] 。路由器从帧中继交换机收到LMI 信息后，可以得知PVC 状态。三种PVC 状态是:
激活状态（Active）：本地路由器与帧中继交换机的连接是启动且激活的。可以与帧中
继交换机交换数据。
非激活状态（Inactive）：本地路由器与帧中继交换机的连接是启动且激活的，但PVC另一端的路由器未能与它的帧中继交换机通信。删除状态（Deleted）：本地路由器没有从帧中继交换机上收到任何LMI，可能线路或网络有问题，或者配置了不存在的PVC。
(4) 承诺信息速率（CIR，Committed Information Rate）：也叫保证速率，是服务提供商承诺将要提供的有保证的速率，一般为一段时间内（承诺速率测量间隔T）的平均值，其单位为bps。
(5) 超量突发（EB，Excess Brust）：在承诺信息速率之外，帧中继交换机试图发送而未被准许的最大额外数据量，单位为bit。超量突发依赖于服务提供商提供的服务状况，但它通常受到本地接入环路端口速率的限制。
帧中继映射
DLCI 是帧中继网络中的第2 层地址。路由器要通过帧中继网络把IP 数据包发到下一跳路由器时，它必须知道IP 和DLCI 的映射才能进行帧的封装。有两种方法可以获得该映射：一种是静态映射，由管理员手工输入；另一种是动态映射。默认时，路由器帧中继接口是开启动态映射的。
1．静态映射
管理员手工输入的映射就为静态映射，其命令为：
frame-relay map ip protocol address dlci [ broadcast ]
其中：
protocol：协议类型
address：网络地址
dlci：为所需要交换逆向ARP 信息的本地接口的DLCI 号
broadcast：参数表示允许在帧中继线路上传送路由广播或组播信息
2．动态映射
IARP（Inverse ARP，逆向ARP）允许路由器自动建立帧中继映射，其工作原理如图所示：
(1) R1 路由器从DLCI=102 的PVC 上发送IARP 包，IARP 包中有R1 的IP 地址12.12.12.1 ；
(2) 帧中继云对数据包进行交换，最终把IARP 包通过DLCI=201 的PVC 发送给R2；
(3) 由于R2 是从201 的PVC 上接收到该IARP 包，R2 就自动建立一个映射：
12.12.12.1—→201
(4) 同样R2 也发送IARP 数据包，R1 收到该IARP 包，也会自动建立一个映射：
12.12.12.2—→102

帧中继的应用
帧中继比较典型的应用有两种帧中继接入和帧中继交换帧中继接入即作为用户端承载上层报文接入到帧中继网络中帧中继交换指在帧中继网络中直接在链路层通过PVC交换转发用户的报文帧中继网提供了用户设备如路由器桥主机等之间进行数据通信的能力用户设备被称作数据终端设备即DTE 为用户设备提供接入的设备属于网络设备被称为数据通信设备即DCE DTE和DCE之间的接口被称为用户网络接口即UNI 网络与网络之间的接口被称为网间网接口即NNI 帧中继网络可以是公用网络或者是某一企业的私有网络如图。

通过帧中继网络互连局域网
帧中继的工程实现
以下以思科的7200系列路由器作为帧中继交换机,实现部分互联拓扑。

如图,R1作为帧中继交换机,R2与R4、R3实现连接，R3与R4不互通。
下面给出其配置过程及帧中继交换机和路由器CLI中的运行配置信息和其他一些与帧中继有关的参数。
(1) 步骤1：开启帧中继交换功能
R1(config)#frame-relay switching //注：把该路由器当成帧中继交换机
R1(config)#int s1/0
R1(config-if)#no shutdown
R1(config-if)#clock rate 128000 //注：该接口为DCE，要配置时钟
R1(config-if)#encapsulation frame-relay
R1(config-if)#frame-relay lmi-type cisco
R1(config-if)#frame-relay intf-type dce
R1(config-if)#frame-relay route 203 interface s1/2 302
R1(config-if)#frame-relay route 204 interface s1/1 402
R1(config)#int s1/1
R1(config-if)#no shutdown
R1(config-if)#clock rate 128000
R1(config-if)#encapsulation frame-relay
R1(config-if)#frame-relay lmi-type cisco
R1(config-if)#frame-relay intf-type dce
R1(config-if)#frame-relay route 402 interface s1/0 204
R1(config)#int s1/2
R1(config-if)#no shutdown
R1(config-if)#clock rate 128000
R1(config-if)#encapsulation frame-relay
R1(config-if)#frame-relay lmi-type cisco
R1(config-if)#frame-relay intf-type dce
R1(config-if)#frame-relay route 302 interface s1/0 203
R2(config)#int s1/0
R2(config-if)#ip address 192.168.1.1 255.255.255.0
R2(config-if)#no shutdown
R2(config-if)#encapsulation frame-relay
R3(config)#int s1/1
R3(config-if)#ip address 192.168.1.3 255.255.255.0
R3(config-if)#no shutdown
R3(config-if)#encapsulation frame-relay
R4(config)#int s1/0
R4(config-if)#ip address 192.168.1.2 255.255.255.0
R4(config-if)#no shutdown
R4(config-if)#encapsulation frame-relay

结语
综上所述, 帧中继比目前其它任何传输系统都具有优异的性能价格比, 因此成为现今灼手可热的技术在我国, 若能参考和借鉴发达国家的技术成果和先进经验, 结合实际情况适当加以应用, 必将为我国通信事业的发展作出不可低估的贡献。随着多媒体业务和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。
参考文献
余琼蓉. 《帧中继技术简介 [J] 今日电信，1997.12
方芳，赵慧玲 帧中继技术的发展[J]. 现代电信科技 2005.12
金慧文、陈建亚、纪红 《现代交换原理》[M]. 电子工业出版社 2011.2
糜正琨、杨国民 《交换技术》清华大学出版社 2006-07-01
Karl Solie著、李津、卓林译《CISCO CCIE 实验指南》