Funcionamiento de Frame Relay

Se explica el funcionamiento de Frame Relay y los mecanismos de control de ancho de banda. Se detallan los siguientes temas: Encapsulación, Topología y asignación de direcciones de Frame Relay.

1. Circuitos virtuales

La conexión a través de una red Frame Relay entre dos DTE es un VC. Los circuitos son virtuales porque no hay una conexión eléctrica directa de extremo a extremo.

La conexión es lógica, y los datos se transfieren de extremo a extremo sin un circuito eléctrico directo. Con los VC, Frame Relay comparte el ancho de banda entre varios usuarios, y cualquier sitio individual puede comunicarse con cualquier otro sitio individual sin utilizar varias líneas físicas dedicadas.

Hay dos formas de establecer VC:

• Circuitos virtuales conmutados (SVC): se establecen en forma dinámica mediante el envío de mensajes de señalización a la red (CALL SETUP, DATA TRANSFER, IDLE, CALL TERMINATION).
• Circuitos virtuales permanentes (PVC): los preconfigura la prestadora de servicios y, una vez establecidos, solo funcionan en los modos IDLE y DATA TRANSFER. Tenga en cuenta que, en algunas publicaciones, los PVC se denominan “VC privados”.

Los VC proporcionan una ruta de comunicación bidireccional desde un dispositivo hasta otro. Los VC se identifican mediante los DLCI, como se muestra en la Imagen 1. Por lo general, el proveedor de servicios de Frame Relay asigna los valores de DLCI.

2. Circuitos virtuales múltiples

Varios VC

Frame Relay se multiplexa estadísticamente, lo que significa que solo transmite de a una trama por vez, pero pueden coexistir muchas conexiones lógicas en una única línea física.

El dispositivo de acceso Frame Relay (FRAD) o el router conectado a la red Frame Relay puede tener varios VC que lo conecten a las diversas terminales. Varios VC en una única línea física se distinguen porque cada VC tiene su propio DLCI. Recuerde que el DLCI solo tiene importancia local y puede ser diferente en cada extremo de un VC.

A continuación, se muestra un ejemplo de dos VC en una línea de acceso única, cada uno con su propio DLCI, que se conectan a un router (el R1).

Esta capacidad suele reducir la complejidad de la red y el equipo que se requiere para conectar varios dispositivos, lo que lo hace un reemplazo muy rentable para una malla de líneas de acceso. Con esta configuración, cada terminal necesita solo una línea y una interfaz de acceso únicas.

Beneficios de costos de tener varios VC

Con Frame Relay, los clientes pagan por el ancho de banda que utilizan. En efecto, pagan por un puerto de Frame Relay. Cuando el cliente aumenta la cantidad de puertos, paga por más ancho de banda, pero no paga por más equipos, porque los puertos son virtuales. No hay cambios en la infraestructura física. Compare esto con la adquisición de más ancho de banda mediante líneas dedicadas.

3. Encapsulación Frame Relay

Frame Relay toma paquetes de datos de un protocolo de capa de red, como IPv4 o IPv6, los encapsula como la porción de datos de una trama Frame Relay y después pasa la trama a la capa física para la entrega en el cable.

Para entender cómo funciona esto, es conveniente entender cómo se relaciona con los niveles inferiores del modelo OSI. Frame Relay encapsula los datos para el transporte y los baja a la capa física para la entrega:

• Primero, Frame Relay acepta un paquete de un protocolo de capa de red, como IPv4.
• A continuación, lo envuelve con un campo de dirección que contiene el DLCI y un valor de checksum.
• Se agregan campos de indicador para indicar el principio y el fin de la trama.
• Los campos de indicador marcan el comienzo y el fin de la trama, y siempre son los mismos.
• Los indicadores se representan como el número hexadecimal 7E o como el número binario 01111110.
• Una vez que se encapsula el paquete, Frame Relay pasa la trama a la capa física para el transporte.

Encabezado de Frame Relay

El router CPE encapsula cada paquete de capa 3 dentro de un encabezado y un tráiler de Frame Relay antes de enviarlo a través del VC. El encabezado y el tráiler se definen en la especificación de servicios portadores para el procedimiento de acceso de enlace para Frame Relay (LAPF), ITU Q.922-A.

Campo de Dirección

Como se muestra en la Imagen 4, el encabezado de Frame Relay (campo de dirección) contiene:

• DLCI: el DLCI de 10 bits es uno de los campos más importantes del encabezado de Frame Relay. Este valor representa la conexión virtual entre el dispositivo DTE y el switch.
• C/R: es el bit que sigue al byte de DLCI más importante del campo de dirección. El bit C/R no está definido actualmente.
• Dirección extendida (EA): si el valor del campo EA es 1, se determina que el byte actual es el último octeto del DLCI. El octavo bit de cada byte del campo Dirección indica la EA.
• Control de congestión: consta de 3 bits de notificación de congestión de Frame Relay. Se denominan específicamente “bit de notificación explícita de congestión hacia delante” (FECN), “bit de notificación explícita de congestión hacia atrás” (BECN) y “bit elegible de descarte”.

Por lo general, la capa física es EIA/TIA-232, 449 o 530, V.35 o X.21. La trama Frame Relay es un subconjunto del tipo de trama HDLC; por lo tanto, se delimita con campos de indicador.

El indicador de 1 byte utiliza el patrón de bits 01111110. La FCS determina si ocurrieron errores en el campo de dirección de capa 2 durante la transmisión.

El nodo emisor calcula la FCS antes de la transmisión, y el resultado se inserta en el campo FCS. En el extremo distante, se calcula un segundo valor de FCS y se lo compara con la FCS en la trama. Si los resultados son iguales, se procesa la trama. Si existe una diferencia, se descarta la trama.

Frame Relay no notifica el origen cuando se descarta una trama. El control de errores se reserva para las capas superiores del modelo OSI.

4. Topologías de Frame Relay

Cuando se deben conectar más de dos sitios, se debe planificar la topología o el mapa de Frame Relay de las conexiones entre los sitios.

Un diseñador de red debe considerar la topología desde varios puntos de vista para comprender la red y los equipos utilizados para armarla. Las topologías completas para el diseño, la implementación, la operación y el mantenimiento incluyen mapas de descripción general, mapas de las conexiones lógicas, mapas funcionales y mapas de direcciones que muestren el detalle de los equipos y los enlaces de canales.

Registrar las topologías puede ser un proceso muy complicado. Sin embargo, cada red o segmento de red puede verse como uno de tres tipos de topología: en estrella, malla completa o malla parcial.

Topología en estrella (hub-and-spoke)

La topología de WAN más simple es una estrella. En esta topología, la empresa SPAN Ingeniería tiene un sitio central en Chicago que funciona como hub y aloja los servicios principales.

Las conexiones a cada uno de los cinco sitios remotos funcionan como spokes (que significa “rayos”). En una topología en estrella, la ubicación del hub generalmente se elige por el costo de línea arrendada más bajo. Además, cada sitio remoto tiene un enlace de acceso a la nube de Frame Relay con un único VC.

En la Imagen 6, se muestra la topología en estrella en el contexto de una nube de Frame Relay.

El hub en Chicago tiene un enlace de acceso con varios VC, uno para cada sitio remoto. Las líneas que salen de la nube representan las conexiones del proveedor de servicios de Frame Relay y terminan en las instalaciones del cliente.

En general, estas líneas tienen velocidades que van desde 56 kb/s hasta un T1 (1544 Mb/s) y más rápidas. Se asigna uno o más números de DLCI a cada terminal de la línea. Debido a que los costos de Frame Relay no se relacionan con la distancia, no es necesario que el hub esté en el centro geográfico de la red.

Topología de malla completa

Una topología de malla completa se adapta a una situación en la que los servicios a los que se debe acceder están en distintas zonas geográficas y en la que se requiere un acceso altamente confiable a ellos. Además, conecta cada sitio a todos los demás.

Si se utilizan interconexiones de línea arrendada, las líneas y las interfaces seriales adicionales agregan costos. En este ejemplo, se requieren 10 líneas dedicadas para interconectar cada sitio en una topología de malla completa.

Con una malla de Frame Relay, un diseñador de red puede armar varias conexiones simplemente configurando VC adicionales en cada enlace existente, como se muestra en la Imagen 8.

Esta actualización de software eleva la topología en estrella a una topología de malla completa sin los gastos de hardware o de líneas dedicadas adicionales. Debido a que los VC utilizan la multiplexación estadística, varios VC en un enlace de acceso usan Frame Relay mejor que los VC individuales.

Topología de malla parcial

Para las redes grandes, una topología de malla completa rara vez es accesible, porque la cantidad de enlaces necesarios aumenta exponencialmente. El problema no se debe al costo del hardware, sino a que hay un límite teórico de menos de 1000 VC por enlace. En la práctica, el límite es inferior a eso.

Por este motivo, las redes más grandes se suelen configurar en una topología de malla parcial. Con la malla parcial, existen más interconexiones que las requeridas para una configuración en estrella, pero no tantas como para una malla completa. El patrón real depende de los requisitos de flujo de datos.

5. Asignación de direcciones de Frame Relay

Antes de que un router Cisco pueda transmitir datos a través de Frame Relay, necesita saber qué DLCI local se asigna a la dirección de capa 3 del destino remoto.

Los routers Cisco admiten todos los protocolos de capa de red mediante Frame Relay, como IPv4, IPv6, IPX y AppleTalk. Esta asignación de dirección a DLCI se puede lograr mediante la asignación estática o dinámica.

ARP inverso

El protocolo de resolución de direcciones (ARP) inverso es una herramienta principal de Frame Relay. Mientras que ARP traduce direcciones IPv4 de capa 3 a direcciones MAC de capa 2, ARP inverso hace lo contrario. Las direcciones IPv4 de capa 3 correspondientes deben estar disponibles antes de que se puedan utilizar los VC.

Asignación dinámica

La asignación dinámica de direcciones depende de ARP inverso para resolver una dirección IPv4 de capa de red de siguiente salto a un valor de DLCI local.

• El router Frame Relay envía solicitudes de ARP inverso en su PVC para descubrir la dirección de protocolo del dispositivo remoto conectado a la red Frame Relay.
• Luego, el router usa las respuestas para completar una tabla de asignación de direcciones a DLCI en el router Frame Relay o en el servidor de acceso.
• El router arma y mantiene esta tabla de asignación, que contiene todas las solicitudes de ARP inverso resueltas, incluidas las entradas de asignación dinámica y estática.

En los routers Cisco, ARP inverso está habilitado de manera predeterminada para todos los protocolos habilitados en la interfaz física. Los paquetes de ARP inverso no se envían para los protocolos que no están habilitados en la interfaz.

Asignación estática de Frame Relay

El usuario puede elegir anular la asignación dinámica de ARP inverso mediante el suministro de un mapa estático manual para la dirección de protocolo de siguiente salto a un DLCI local. Un mapa estático funciona de manera similar a ARP inverso dinámico mediante la asociación de una dirección de protocolo de siguiente salto específica a un DLCI de Frame Relay local.

No se puede utilizar ARP inverso y una instrucción de asignación para el mismo DLCI y el mismo protocolo.

Un ejemplo del uso de la asignación estática de direcciones es una situación en la cual el router en el otro lado de la red Frame Relay no admite ARP inverso dinámico para un protocolo de red específico. A fin de proporcionar conectividad, se requiere una asignación estática para completar la dirección de capa de red remota a la resolución de DLCI local.

Configuración de la asignación estática

El establecimiento de la asignación estática depende de las necesidades de la red. Para asignar entre una dirección de protocolo de siguiente salto y una dirección de destino DLCI, utilice este comando:

frame-relay map protocol protocol-addressdlci [broadcast] [ietf] [cisco]

La configuración del protocolo OSPF (Open Shortest Path First) se puede simplificar considerablemente agregando la palabra clave optativa broadcast cuando se realiza esta tarea. La palabra clave broadcast especifica que se permite el tráfico de difusión y multidifusión en el VC. Esta configuración permite el uso de protocolos de routing dinámico en el VC.

A continuación, se proporciona un ejemplo de la asignación estática en un router Cisco.

En este ejemplo, la asignación estática de direcciones se realiza en la interfaz serial 0/0/1. La encapsulación de Frame Relay que se usa en el DLCI 102 es CISCO. Como se observa en los pasos de configuración, la asignación estática de direcciones permite que los usuarios seleccionen el tipo de encapsulación de Frame Relay que se utiliza por VC.

Ahora, se muestra el resultado del comando show frame-relay map.

R1# show frame-relay map
Serial0/0/1 (up): ip 10.1.1.2 dlci 102(0x66,0x1860), static,
 broadcast,
 CISCO, status defined, active
R1#

Observe que la interfaz está activa y la dirección IPv4 de destino es 10.1.1.2. El DLCI identifica la conexión que se usa para llegar a esta interfaz. Este valor se muestra en valor decimal (102), en valor hexadecimal (0x66) y en el valor que aparecería en el cable (0x1860). Esta es una entrada estática, no una entrada dinámica. El enlace utiliza la encapsulación Cisco en lugar de la encapsulación IETF.

6. Interfaz de administración local (LMI)

Otro concepto importante en Frame Relay es la interfaz de administración local (LMI). El diseño de Frame Relay proporciona la transferencia de datos conmutada por paquetes con retrasos mínimos de extremo a extremo. El diseño original omite cualquier cosa que pudiera ocasionar un retraso.

Cuando se implementó Frame Relay como una tecnología independiente y no como un componente de ISDN, decidieron que los DTE debían adquirir dinámicamente la información sobre el estado de la red. Sin embargo, el diseño original omitía esta característica.

Un consorcio de Cisco amplió el protocolo Frame Relay a fin de proporcionar capacidades adicionales para los entornos complejos de internetworking. Estas ampliaciones se conocen colectivamente como la LMI.

Básicamente, la LMI es un mecanismo keepalive que proporciona información acerca del estado de las conexiones Frame Relay entre el router (DTE) y el switch Frame Relay (DCE). Aproximadamente cada 10 segundos, la terminal sondea la red, ya sea para solicitar una respuesta muda secuencial o información del estado del canal.

Cuando la red responde con una respuesta de FULL STATUS, incluye información sobre el estado de los DLCI que se asignan a esa línea. La terminal puede utilizar esta información para determinar si las conexiones lógicas pueden pasar datos.

El comando show frame-relay lmi

El resultado muestra el tipo de LMI que usa la interfaz de Frame Relay y los contadores para la secuencia de intercambio del estado de LMI, incluidos los errores como los tiempos de espera de LMI.

Es fácil confundir la LMI y la encapsulación. La LMI es una definición de los mensajes que se usan entre el DTE (el R1) y el DCE (el switch Frame Relay que pertenece al proveedor de servicios). La encapsulación define los encabezados que utiliza un DTE para comunicar información al DTE en el otro extremo de un VC.

Al switch y al router conectado a él les interesa utilizar el mismo LMI. Al switch no le interesa la encapsulación. A los routers terminales (DTE) sí les interesa la encapsulación.

7. Extensiones de LMI

Además de las funciones de transferencia de datos del protocolo Frame Relay, la especificación de Frame Relay incluye extensiones optativas de LMI. Algunas de estas extensiones son las siguientes:

• Mensajes de estado de VC: proporcionan información sobre la integridad del PVC mediante la comunicación y la sincronización entre dispositivos, informes sobre la existencia de nuevos PVC y la eliminación de PVC existentes. También evitan que los datos se envíen a agujeros negros (PVC que ya no existen).
• Multidifusión: permite que un emisor transmita una única trama que se entrega a varios receptores.
• Direccionamiento global: proporciona ID de conexiones con importancia global en lugar de importancia local, lo que permite que se usen para identificar una interfaz específica de la red Frame Relay.
• Control del flujo simple: proporciona un mecanismo de control del flujo XON/XOFF que se aplica a toda la interfaz de Frame Relay. Está diseñado para los dispositivos que no pueden usar los bits de notificación de congestión (es decir, FECN y BECN) que aprovecharían las capas superiores.

Indicadores LMI

La LMI se utiliza para administrar enlaces de Frame Relay. Cada mensaje de LMI se clasifica mediante un DLCI que aparece en la trama LMI. El campo DLCI de 10 bits admite 1024 ID de VC: de 0 a 1023.

Las extensiones de LMI reservan algunas de estas ID de VC, lo que reduce la cantidad de VC permitidos. Los mensajes de LMI se intercambian entre el DTE y el DCE mediante estos DLCI reservados.

Existen varios tipos de LMI, y cada uno es incompatible con los demás. El tipo de LMI configurado en el router debe coincidir con el tipo que utiliza el proveedor de servicios. Los routers Cisco admiten tres tipos de LMI:

• CISCO: extensión original de LMI
• ANSI: correspondiente al estándar ANSI T1.617, anexo D
• Q933A: correspondiente al estándar ITU Q933, anexo A

Visualización del tipo de LMI

Para mostrar la información de los mensajes de LMI y los números de DLCI asociados, use el comando show interfaces [type number]. Cisco utiliza el DLCI 1023 para identificar los mensajes de LMI que se usan para la administración de enlaces Frame Relay.

Sobre la base de los mensajes de estado de LMI que recibe del switch Frame Relay, el router configura automáticamente su interfaz con el tipo de LMI admitido que reconoce el switch Frame Relay.

Si es necesario establecer el tipo de LMI, utilice el comando de configuración de interfaz frame-relay lmi-type [cisco | ansi | q933a]. La configuración del tipo de LMI deshabilita la característica de detección automática.

En los casos en los que un switch Frame Relay utiliza la configuración de tiempo de espera no predeterminada, también se debe configurar el intervalo de keepalive en la interfaz de Frame Relay. De manera predeterminada, el intervalo de tiempo keepalive en las interfaces seriales de Cisco es de 10 segundos.

Mensajes de estado de LMI

Los mensajes de estado ayudan a verificar la integridad de los enlaces lógicos y físicos. Esta información es fundamental en un entorno de routing, porque los protocolos de routing toman decisiones sobre la base de la integridad del enlace.

Como se muestra en la ilustración, son similares a la trama Frame Relay. En lugar del campo Dirección de una trama Frame Relay, hay un campo DLCI de LMI. El cuarto campo indica el tipo de mensajes de LMI e incluye uno de los tres tipos de mensajes de LMI que admite Cisco.

8. Uso de LMI y ARP inverso para asignar direcciones

Los mensajes de estado de LMI combinados con los mensajes de ARP inverso permiten que un router asocie direcciones de capa de red y de capa de enlace de datos.

• En este ejemplo, cuando el R1 se conecta a la red Frame Relay, envía un mensaje de consulta de estado de LMI a la red. La red responde con un mensaje de estado de LMI que contiene detalles de cada VC configurado en el enlace de acceso.
• Periódicamente, el router repite la consulta de estado, pero las respuestas subsiguientes incluyen solo cambios de estado. Después de una cantidad establecida de estas respuestas abreviadas, la red envía un mensaje de estado completo.
• Si el router necesita asignar los VC a direcciones de capa de red, envía un mensaje de ARP inverso en cada VC. ARP inverso funciona de manera similar a ARP en una red local Ethernet, con la excepción de que ARP inverso no transmite solicitudes por difusión.
• Con ARP, el dispositivo emisor conoce la dirección IP de capa 3 y envía una difusión para descubrir la dirección MAC de capa 2 de destino.
• Con ARP inverso, el router conoce la dirección de capa 2, que es el DLCI local, y envía una solicitud para la dirección IP de capa 3 de destino.

Funcionamiento de ARP inverso

Cuando una interfaz que admite ARP inverso se activa, inicia el protocolo ARP inverso y da formato a una solicitud de ARP inverso para el VC activo. La solicitud de ARP inverso incluye el hardware de origen, la dirección de protocolo de capa 3 de origen y la dirección conocida del hardware de destino.

A continuación, rellena el campo de dirección del protocolo de capa 3 de destino solo con ceros. Encapsula el paquete para la red específica y lo envía directamente al dispositivo de destino mediante el VC.

Al recibir una solicitud de ARP inverso, el dispositivo de destino utiliza la dirección del dispositivo de origen para crear su propio mapa de DLCI a capa 3. Después envía una respuesta de ARP inverso que incluye la información de su dirección de capa 3. Cuando el dispositivo de origen recibe la respuesta de ARP inverso, completa el mapa de DLCI a capa 3 con la información proporcionada.