Frame-Relay Tec.Overview

Concept:
帧中继技术现在已经完全取代了X.25，成为当今主要的分组交换技术。
它简化了第2层的功能，只提供基础的错误检测功能，没有纠错功能。因为当今的光纤及传输设备的出错率低得多，所以完全没有必要使用纠错。x.25之所以采用这种技术，主要是它是专门针对低劣的电缆设计的。
帧中继的当今最重要/流行的WAN连接标准，它由ITU-T和ANSI联合制定的，用于公共数据网络(PDN)的发送数据的过程。
帧中继是一种面向连接的数据链路技术，即在传输消息之前必须先建立链接，并对应于性能和效率时行了相应的简化，它使用光纤和数字网络，依靠高层时行纠错。

UNI(用户－网络接口)：用户与ISP的连接。
NNI(网络－网络接口)：互联不同的ISP。

注：
1>在ISP内部通常使用ATM来传输帧中继数据，但无论ISP使用什么技术，用户与帧中继ISP都是帧中继连接。
2>帧中继只定义了诸如用户的CPE与ISP的DCE之间的连接，而没有数据如何在ISP网去中传输。

Fundamental:
帧中继连接运行在由DLCI标识的VC上，DLCI被映射到要访问的对端的IP地址上。
DLCI与出站端口的对应关系是在创建VC时建立的，这是通过传输任何数据之前完成的。
帧中继网络属于NBMA。

1>DLCI(Data Link Connection Identifier)
用来标识CPE和帧中继交换机之间的虚电路，它只有本地意义。帧中继交换机将两台路由器的DLCI关联起来，从而创建一条PVC。
DLCI(16-1007):分配给用户。
DLCI(0-15,1008-1023):保留用物特殊用途。
DLCI 1019/1020保留用于广播。
DLCI 1023保留用于Cisco LMI。
DLCI 0保留用于LMI类型ANSI和Q.33A。

2>DLCI地址映射
本地DLCI与目标地址的关联映射，它用于告诉路由器，对于目的为远程地址的分组使用哪个DLCI。
Cisco路由器上DLCI映射既可以手工配置也可以动态指定。
使用动态地址映射时，帧中继反向地址解析协议(IARP)动态地发现与给定PVC相关联的远程设备的协议地址，建立链路时路由器通过每条活动的PVC发送一个IARP分组，请求位于连接另一端的设备提供下一跳协议地址，远程设备返回与该PVC相关联的协议地址。然后，本地路由器将更新其映射表，并根据更新后的映射表来转发分组。
默认情况下，在所有物理接口上为所有协议启用IARP。
发送IARP请求后，路由器使用3种PVC连接状态描述其PVC条目：
active:连接正常
inactive:本地到帧中继交换机的连接正常，但对端到帧中继连接不正常。
deleted:路由器没有从帧中继交换机那里收到LMI，DLCI已经从帧中继交换机中删除或路由器和帧中继交换机之间没有服务。

3>IARP(Inverse ARP)
IARP类似于TCP/IP里的reverse ARP,IARP允许设备动态发现每个VC上使用的Layer 3协议和地址。
在非手工配置的VCs上且VCs处于Active状态，Inverse ARP每60秒发送一次。
在LMI里讲到，这些VCs的状态是由full status message得到的。
一旦接口的物理层up时，router开始每10秒发送LMI enquiries，每发送6次query message, 发送一次full status message。
full status message包括这个接口使用的所有VCs的状态。
一般情况下，最少需要1分钟才能实现VC状态的发现。
在router发现VC处于active状态且没有配置手工指定DLCI时，router开始对这个VC进行Inverse ARP。
这个Inverse ARP frame包括本router使用的layer-3 protocol，protocol address及DLCI等信息。
当这个frame到达remote DTE时，对主会提取这些layer-3 protocol,protocol address,及dlci信息，并将它们保存于VC resolution table。
remote DTE也会发送它的信息到本地router。
在一段时间后本地router会动态了解到所有的它的VC连接信息，进而可以在这些VCs上发送数据。

IARP缺点：
(1)在发送数据的时候，需要等待router发现VC处于的状态，还要等待IARP的每60秒一次的发送。
(2)在multiple vendor的环境下，有可以实现IARP的方式不同，进而导致IARP的fail。或是有些old IOS可能不支持IARP。


3>Frame-relay VC
VC的主要优点：(1)只以用一条电缆实现互联多个远端设备。(2)易于添加多个VCs到一条物理链路。(3)易于动态分配bandwidth以满足用户及应用的需求。
Frame-relay的VC实现是使用了统计时分利用(TDM)，即它每个time slot都可以用来传输数据，并不对每个time slot进行限定。
Full-Meshed Design:如果有N个终端设备，则需要N*(N-1)/2条VC。
Partial-Meshed Design:可以实现hub-and-spoke或是更多的半互联。

4>Cables used for Frame-relay

Frame-relay                                                                                       Frame-relay
 Router    =====(Serial Cable)=========CSU/DSU-------(T1/E1)-------CSU/DSU=====(Serial Cable)======switch

Serial Cable:EIA/TIA-232,EIA/TIA-449,EIA/TIA-530,V.35,and X.25.
CSU/DSU之前的信道化连接：full T1/E1:(T1有24个time slots，E1有30个time slots.)
                         DS3:(T3速率为46Mbps,E3速率为34Mbps.)



Frame-Relay Signaling-LMI(Local Management Interface):
1>LMI信令只有本地意义，它与frame-relay switch共同维护与管理本地Frame Relay DTE到Frame Relay DCE的链路。
2>LMI的主要功能是允许两个直连的设备(Frame-relay router/Frame-relay switch)共享这条VC的状态和配置信息。
3>Messages:
实现这种VC状态和配置的交换，由Frame-relay DTE同期性的发送一个LMI Status Enquiry(query)信息给直连的Frame-relay DCE(switch)。如果Frame-relay DCE(switch)运行良好且配置了与DTE相同的LMI类型，则DCE会回复一个status reply信息。这两个信息可以看做是keepalive功能，允许两个设备了解双方的状态。
可以理解为：由DTE询问DCE"are you there",DEC switch回复"yes,i am"。
默认情况下，只有DTE产生keepalives,DCE只是回复。
在这些keepalives查询后，Frame-relay DTE还会产生一个特别的query消息－full status update,这个消息用于DTE向DCE请求所有关于此DTE的VCs信息，如DLCIs，及它们的其它配置(CIR,Bc,Be)和其它状态信息。
Status Enquiry Message:默认每10秒发送一次。
Full Status Update Message:每发送6个query信息发送一次full status update message。
4>LMI支持存活机制(检查数据传输是否顺畅)，多播机制(给DTE提供地址DLCI)，全局编址(赋予DLCI全局意义，而不是本地意义)和状态机制(提供交换机所知的DLCI的当前状态)。
5>LMI的类型可以动态配置也可以静态指定。
动态配置是通过向帧中继交换机发送一个或多个全状态(full-status)请求来实现的，帧中继交换机返回一种或多种LMI类型，路由器将自己配置为最后收到的LMI类型。
6>Cisco路由器支持三种LMI类型：
cisco(The Gang of Four):由Cisco/StrataCom/北方电信和数字设备公司一同制定，此为默认的类型。
ansi:ANSI标准T1.617d的附录D
q933a:ITU-T Q.933附录A
7>向其它的数据一样，LMI也必须使用一个VC才能实现DTE与DCE之间的信息交换。
为了让DTE/DCE发现Frame relay frame里包含LMI信息，一个保留的VC用来共享LMI信息。
每种LMI类型使用不同的VC：
ANSI Annex D: DLCI 0
ITU-T Annex A: DLCI 0
Gang of Four(cisco): DLCI 1023


Network and Service Interworking:
Frame-relay只定义了DTE与DCE之间交互数据的方式。并没有定义在ISP网络里这些Frame-relay frame是怎么传递的。
大部分情况下，ATM做为ISP内部传递frame-relay frame的传输方式。
ATM使用VPI(Virtual path identifier)和VCI(Virtual channel identifier),它们的作用与Frame-relay里的DLCI是一样的，也是只具有本地意义。
两种标准：FRF.5和FRF.8 定义了frame和地址的转换规则
FRF.5(Networking Interworking)：两端的DTEs都使用Frame-relay设备，ISP使用ATM来传输。
FRF.8(Service Interworking)：DTE一端是Frame-relay设备，一端使用ATM设备，ISP使用ATM来传输。



Configuration Command Reference:
1> encapsulatoin frame-relay [cisco|ietf]
默认为cisco封装方式，如果为非cisco路由器则选择ietf.
2> frame-relay lmi-type {ansi|cisco|q933a}
3> frame-relay map protocol protocol-address dlci [broadcast] [ietf|cisco]
4> [no] frame-relay inverse-arp
5> ip unnumbered interface
6> interface serial number.subinterface-number [multipoint|point-to-point]

Case Study:Dynamic Address Map
R1(config)#int s1/0
R1(config-if)#ip add 10.16.0.1 255.255.255.0
R1(config-if)#encapsulation frame-relay
注：要使用帧中继IARP,接口上的LMI必须运行正常，因为LMI被用来确定PVC。


Case Study:Static Address Map
R1(config)#int s1/0
R1(config-if)#ip add 10.16.0.1 255.255.255.0
R1(config-if)#encapsulation frame-relay
R1(config-if)#frame-relay map ip 10.16.0.2 120 broadcast
R1(config-if)#frame-relay map ip 10.16.0.3 130 broadcast


Cast Study:Hub-and-spoke Topology
R1(config)#int s1/0
R1(config-if)#ip add 10.16.0.1 255.255.255.0
R1(config-if)#encapsulation frame-relay
R1(config-if)#frame-relay map ip 10.16.0.2 102 broadcast
R1(config-if)#frame-relay map ip 10.16.0.3 103 broadcast

R2(config)#int s1/0
R2(config-if)#ip add 10.16.0.2 255.255.255.0
R2(config-if)#encapsulation frame-relay
R2(config-if)#frame-relay map ip 10.16.0.1 201 broadcast
R2(config-if)#frame-relay map ip 10.16.0.3 201 broadcast

R3(config)#int s1/0
R3(config-if)#ip add 10.16.0.3 255.255.255.0
R3(config-if)#encapsulation frame-relay
R3(config-if)#frame-relay map ip 10.16.0.1 301 broadcast
R3(config-if)#frame-relay map ip 10.16.0.2 301 broadcast
注：
1>spoke路由器使用相同的dlci与HUB和另一个spoke路由器通信，不同的只是远程IP地址。
2> 可以使用IARP的动态映射配置与hub路由器的通信，而必须使用相同的DLCI的静态映射建立到另一个spoke结点的连接。但这种方法也只是在路由器没有重启之前有效，如果路由器重启，静态映射将阻止IARP对该DLCI进行解析，从而使spoke结点不能到达hub路由器，从而不能通过hub路由器到达另一个spoke结点，即使你配置了到另一个spoke的静态映射。


Case Study:TroubleShooting Frame-relay
1>show interface s1/0         显示接口的上的frame-relay的信息
rta#sh int s1/0
Serial1/0 is up, line protocol is up
  Hardware is M4T
  Internet address is 192.168.1.1/24
  MTU 1500 bytes, BW 1544 Kbit, DLY 20000 usec,
     reliability 255/255, txload 1/255, rxload 1/255
  Encapsulation FRAME-RELAY, crc 16, loopback not set
  Keepalive set (10 sec)
  Restart-Delay is 0 secs
  LMI enq sent  20, LMI stat recvd 17, LMI upd recvd 0, DTE LMI up
  LMI enq recvd 0, LMI stat sent  0, LMI upd sent  0
  LMI DLCI 0  LMI type is ANSI Annex D  frame relay DTE
  FR SVC disabled, LAPF state down

注：只要LMI enq sent  20, LMI stat recvd 17, LMI upd recvd 0, DTE LMI up这一行发送接收分组不为0，说明帧中继连接正常。


2>show frame-relay pvc        显示PVC的状态与有关数据流的统计信息
rta#sh frame-relay pvc
PVC Statistics for interface Serial1/0 (Frame Relay DTE)

              Active     Inactive      Deleted       Static
  Local          0            1            0            0
  Switched       0            0            0            0
  Unused         0            1            0            0

DLCI = 102, DLCI USAGE = LOCAL, PVC STATUS = INACTIVE, INTERFACE = Serial1/0

  input pkts 0             output pkts 0            in bytes 0
  out bytes 0              dropped pkts 0           in pkts dropped 0
  out pkts dropped 0                out bytes dropped 0
  in FECN pkts 0           in BECN pkts 0           out FECN pkts 0
  out BECN pkts 0          in DE pkts 0             out DE pkts 0
  out bcast pkts 0         out bcast bytes 0
  5 minute input rate 0 bits/sec, 0 packets/sec
  5 minute output rate 0 bits/sec, 0 packets/sec
  pvc create time 00:00:48, last time pvc status changed 00:00:48

3>show frame-relay map      显示有关DLCI映射条目及有关连接的信息
rta#sh frame-relay map
Serial1/0 (up): ip 192.168.1.1 dlci 102(0x66,0x1860), static,
              broadcast,
              CISCO, status defined, active

4>show frame-relay lmi      显示有关LMI数据流的统计信息
rta#sh frame-relay lmi
LMI Statistics for interface Serial1/0 (Frame Relay DTE) LMI TYPE = ANSI
  Invalid Unnumbered info 0             Invalid Prot Disc 0
  Invalid dummy Call Ref 0              Invalid Msg Type 0
  Invalid Status Message 0              Invalid Lock Shift 0
  Invalid Information ID 0              Invalid Report IE Len 0
  Invalid Report Request 0              Invalid Keep IE Len 0
  Num Status Enq. Sent 30               Num Status msgs Rcvd 31
  Num Update Status Rcvd 0              Num Status Timeouts 0
  Last Full Status Req 00:00:02         Last Full Status Rcvd 00:00:02

5>debug frame-relay lmi     检查和诊断帧中继连接
(out)status 显示的是路由器发送的LMI状态请求
(in)status 显示的是帧中继交换机的应答
type1 显示路由器发给帧中继交换机的存活消息，大约每隔10秒钟一次，用来判断帧中继交换机是否还处于活动状态。
type0 显示的是"帧中继全状态消息",路由器每60秒交换一次，如果收到type0消息表明有活动的PVC连接，路由器将发送IARP请求分组。
dlci 102,status 0x2 表明dlci为102的PVC处于活动状态，状态可能取值为：
0x0(inactive):交换机已建立该PVC，但由于某种原因(如PVC另一端出现故障)，而不可用。
0x2(active):PVC已经就绪，可以发送报头中包含该PVC的DLCI的数据流。
0x4(deleted):DLCI被帧中继交换机删除。

6>clear frame-relay inarp    
删除使用IARP动态建立的映射，该命令将在路由器上禁用IARP，要重新启用IARP，可以使用命令：frame-relay inverse-arp


Case Study:Frame-relay Subinterface
在配置帧中继的接口上默认对IP协议禁用了水平分割，但EIGRP例外，必须在每个接口上配置命令：no ip split-horizon eigrp AS#手式禁用水平分割。
Point-to-Point Sub-interface:
每个子接口都有一个自己独立的子网，且hup-and-spoke网络中不受水平分割影响。
如果接口是一个P2P子接口，那么它可以配置一个unnumbered ip address。
如果接口被配置成p2p子接口的，那么它必须通过命令：frame-relay interface-dlci dlci-number手式指定本地DLCI，以将其与物理接口区分开来。过是将LMI派生(derived)的PVC与子接口关联起来的唯一途径，因为 LMI对子接口一无所知。
Point-to-Multipoint Sub-interface:
对应一般的NBMA网络，广播数据流将受水平影响。每个子接口可以建立多条PVC。
对于使用IARP进行动态映射的P2M子接口，必须配置:frame-relay interface-dlci dlci-number，但静态映射地址不用配置该命令。

注：将子接口配置为p2p的后，除非删除它并重启路由器，否则不能将其修改为点多的，反之亦然。



Frame-relay Traffic Shaping:
流量整形主要控制数据流离开接口的速度，使之与远程接口的速度一致，同时确保数据流遵循制定的策略。
帧中继交换机默认无法确定优先传输哪些分组，在发生拥塞时也就无法确定应丢弃哪些分组。
同时，实时数据流(如IP语音)的发送速度和接收速度必须一致，否则将出现瓶颈，进而导致分组丢失。


Case Study:Traffic Shaping Terminology
Local Access Rate:线速，即物理的电路最大负载。
CIR(Committed Information Rate):帧中继交换机准许的数据传输速率，即买下的保证速率。单位bit/s。通常为Tc(承诺速率计算间隔)内的平均速率。有些ISP会允许你买下一个CIR为0Kbps的VC。进而ISP会在没有congestion时为你提供服务，然而在ISP忙时，你的流量会被优先丢弃。
Oversubscribe:设备的所有VC的CIR总和超过了Local Access Rate，或接入线路能够支持购买的CIR总和，但无法支持CIR加上突发量。过量使用后，数据帧被丢掉。
Bc(Committed burst rate,承诺突发速率)：在任何Tc(承诺速率计算间隔)内交换机准许传输的最大比特数。例如，如果Tc是2秒，CIR是32kbit/s，则Bc为64kbs (Tc=Bc/CIR)。
Be(Excessive burst rate,超额突发速率)：帧中继交换机试图传输的CIR之外的非承诺比特的最大数量，它受限于接入速率。一些ISP可能会允许你把Be设置为CIR。所有超过Be的流量都会被直接丢弃。
DE(Discard Eligibility，可丢弃)：所有的发送速率在Bc与Be之间的流量，都会被frame-relay switch标识CE字段，指示frame-relay switch在发生冲突时可以优先丢弃它们。
BECN(backward explicit congestion notification):这个值由目的DTE(Frame-relay device)设置相应的Frame-relay Frame的header指示一个congestion(从源到目的),发送到frame-relay frame的源(源DTE，router)。(由目的设备或frame-relay switch反向发送给源设备的congestion notification,指示从源到目的有一个congestion,在源设备收到这个BECN标识时，会放慢发送数据的速率)
FECN(forward explicit congestion notification):Frame-relay frame header中的这个FECN字段一般情况下由frame-relay switch来设置，从而指示一个congestion发生在ISP网络内部的从源到目的VC的end端。(由frame-relay switch发送给目的设备的congestion notification,指示从源到目的有一个congestion)

注：FECN/BECN这种congestion notification也不是对所有的冲突都特别有效，例如frame-relay switch给目的设备发送一个FECN，指示发生了一个congestion,然而在由目的设备回复一个BECN的指示congestion的frame给源设备时，ISP的congestion不存在了，这时候源设备也不会立刻了解到这个情况，它还会放慢发送速率，从而影响发送的效率。
所有，很多ISP现在运营网内运行ATM，因为ATM有自己很好的flow control技术。


Case Study:Frame-relay Traffic Shaping Command Reference
1> R1(config)#map-class frame-relay map-class-name
注意：映射类名称是区分大小写的。
2> R1(config-map-class)#frame-relay traffic-rate average [peak]
average为平均速率，相当于CIR。peak为最大速率，相当于CIR+EIR。如果没有设定peak值，则默认为平均速率。
3> R1(config-map-class)#frame-relay bc bc-value
4> R1(config-map-class)#frame-relay be be-value
5> R1(config-map-class)#frame-relay cir cir-value
6> R1(config-map-class)#frame-relay adaptive-shaping becn
7> R1(config-map-class)#frame-relay custom-queue-list number
8> R1(config-map-class)#frame-relay priority-group number
注意：每个映射类中只能指定一种排队机制。默认的排队机制随串行的带宽而异。同时也不建议使用自定义队列和优先机队列，它们已经被低延迟队列和基于类别的加权公平队列所取代。
9> R1(config-if)#encapsulation frame-relay
10> R1(config-if)#frame-relay class map-class-name
将映射表同接口上的所有VC关联起来。
11> R1(config-if)#frame-relay traffic-shaping
如果在接口上配置了此命令启用FRTS，将在该接口上的所有VC上启用流量整形和排队机制。
如果没有针对VC专门指定相关映射类，VC将继承子接口的流量整形参数和排队参数；如果没有针对子接口指定这些参数，那VC将继承父接口的参数；如果也没有为父接口指定这些参数，VC将使用默认值。


Case Study:Configure Traffic Shaping Rate Limitation
R1(config)#map-class frame-relay sense-class-name
R1(config-map-class)#frame-relay traffic-rate 4800 9600
R1(config)#int s1/0
R1(config-if)#encapsulation frame-relay
R1(config-if)#frame-relay traffic-shaping
R1(config-if)#frame-relay class sense-class-name
可选命令：
R1(config-if)#frame-relay interface-dlci dlci [ietf|cisco] class class-name


Case Study:BECN Supports

       Branch Office ============================== Central Office

1>先由central office向branch office发送数据。
2>如果帧中继交换机中某台设备发生拥塞，对于branch office发送给central office的应答分组都会被标识BECN位，指示链路拥塞。
3>如果没有FRTS特性，那即使central office注意到BECN被置位，也不会降低发送速度。
4>central office发送的分组到达发生拥塞的交换机后将被丢弃，同时导致central office路由器重传分组，使拥塞进一步恶化。
5>如果使用BECN Supports特性，路由器开始收到大量BECN分组后，将降低分组的发送速度；当不再出现BECN分组时再提高分组发送速度。

注：
1>默认情况下BECN Support功能不被开启。
2>BECN分组出现频率增大时，将发送速度从最大速率平稳地降低到平均速率(相当于CIR);网络拥塞得到缓解，BECN分组出现频率降低后，将发送速度逐渐增大到最大速率。

R1(config)#map-class frame-relay sense-class-name
R1(config-map-class)#frame-relay traffic-rate 4800 9600
R1(config-map-class)#frame-relay adaptive-shaping becn
R1(config)#int s1/0
R1(config-if)#encapsulation frame-relay
R1(config-if)#frame-relay traffic-shaping
R1(config-if)#frame-relay class sense-class-name
可选命令：
R1(config-if)#frame-relay interface-dlci dlci [ietf|cisco] class class-name


Case Study:Verify Frame-relay Traffic Shaping
1> show traffic-shape       显示当前的流量整形配置
2> show traffic-shape statistics    显示有关流量整形的统计信息

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