幀中繼

幀中繼（frame relay）是於1992年興起的一種新的公用數據網通訊協議，使用分組交換方法規定數字電信信道的物理層和數據鏈路層，1994年開始獲得迅速發展。

幀中繼最初是作為X.25系統的簡化版本開發的，設計用於在新興的集成業務數字網（ISDN）網路上傳輸。X.25的設計初衷是在易受噪聲干擾而導致數據丟失的普通電話線上運行，因此該協議具有廣泛的糾錯功能來解決這一問題。作為一種有效的數據傳輸技術，它可以在一對一或者一對多的應用中快速而低廉的傳輸數位資訊。它可以使用於語音、數據通信，既可用於區域網（LAN）也可用於廣域網（WAN）的通信。每個幀中繼使用者將得到一個接到幀中繼節點的專線。也正因為如此，ISDN提供了顯著更低的誤碼率，實際上接近於零，因此廣泛的糾錯開銷不再需要。新的協議套件本質上是一個精簡的X.25，沒有糾錯功能，從而降低了開銷，提高了信道效率，並且通常總體性能顯著高於X.25。幀中繼網路對於端使用者來說，它通過一條經常改變且對使用者不可見的通道來處理和其他使用者間的數據傳輸。

與X.25一樣，幀中繼通常用於電路交換布局，其中兩個端點之間的連接是長期的（至少以電腦術語而言）。這與電話網絡的正常使用相匹配，X.25正是設計在其上運行的。這與設計為短期使用的協議形成對比，如網際網路協議，每個數據包可能發送到不同的端點。實際上，幀中繼常被用作橋接機制，將區域網（LAN）系統或設備與後端系統的專用鏈路連接起來。使用者獲得一個連接，將其數據封裝（在某些情況下包括VoFR中的語音）並發送到幀中繼節點，然後轉發到另一個端點，在那裡注入遠程網路，看起來就像是本地流量。這比使用租用線路更便宜，這是其流行的原因之一。在幀中繼網路中配置使用者設備的極端簡單性提供了幀中繼流行的另一個原因。

數據鏈路連接標識符DLCI是用來標識各端點的一個具有局部意義的數值。多個PVC可以連接到同一個物理終端，PVC一般都指定承諾資訊速率CIR和額外資訊率EIR。

幀中繼被設計為可以更有效的利用現有的物理資源，由於絕大多數的客戶不可能百分之百的利用數據服務，因此允許可以給電信營運商的客戶提供超過供應的數據服務。正由於電信營運商過多的預定了帶寬，所以導致了幀中繼在某些市場中獲得了壞的名聲。

電信公司一直在對外出售幀中繼服務給那些在尋找比專線更低廉的客戶，根據政府和電信公司的政策，它被用於各種不同的應用領域。

隨著光纖乙太網、MPLS、VPN以及電纜數據機和DSL等專用寬頻服務的出現，幀中繼近年來已變得不那麼流行。

## 技術特徵

幀中繼的設計者旨在為區域網（LAN）之間以及廣域網（WAN）中端點之間的間歇性流量提供一種經濟高效的數據傳輸電信服務。幀中繼將數據放入稱為"幀"的可變大小單元中，並將任何必要的糾錯（如數據重傳）留給端點處理。這加快了整體數據傳輸速度。對於大多數服務，網路提供永久虛電路（PVC），這意味著客戶看到的是連續、專用的連接，而無需支付全時租用線路的費用，同時服務提供商計算每幀到達目的地的路由，並可根據使用量收費。

企業可以選擇服務質量等級，對某些幀進行優先處理，而使其他幀不那麼重要。幀中繼可以在分式T-1或E1，或全T載波或E載波系統上運行。幀中繼是對基本速率ISDN（提供128 kbit/s帶寬）和異步傳輸模式（ATM）（運行方式與幀中繼有些相似，但速度從155.520 Mbit/s到622.080 Mbit/s）之間的中檔服務的補充和提供。

幀中繼的技術基礎是較老的X.25分組交換技術，設計用於在模擬語音線路上傳輸數據。與X.25的設計者預期具有相對較高傳輸錯誤機率的模擬信號不同，幀中繼是一種快速分組交換技術，在傳輸錯誤機率較低的鏈路上運行（通常像PDH那樣實際上無丟失），這意味著該協議不嘗試糾正錯誤。當幀中繼網路檢測到幀中的錯誤時，它只是丟棄該幀。端點負責檢測和重傳被丟棄的幀。（然而，數字網路提供的錯誤發生率相對於模擬網路來說仍然要小得多。）

幀中繼通常用於將區域網（LAN）與主要骨幹網連接，以及在公共廣域網（WAN）和通過T-1線路租用線路的私有網路環境中使用。它在傳輸期間需要專用連接。幀中繼不為語音或影片傳輸提供理想路徑，因為這兩者都需要穩定的傳輸流。然而，在某些情況下，語音和影片傳輸確實使用幀中繼。

幀中繼交換機創建虛電路以將遠程LAN連接到WAN。幀中繼網路存在於LAN邊界設備（通常是路由器）和運營商交換機之間。運營商用於在交換機之間傳輸數據的技術是可變的，可能因運營商而異（即，實際的幀中繼實現要正常運行，不必僅依賴其自身的傳輸機制）。

該技術的複雜性要求對用於描述幀中繼工作方式的術語有透徹的理解。如果沒有對幀中繼的紮實理解，很難對其性能進行故障排除。

幀中繼幀結構基本上與為LAP-D定義的完全相同。流量分析可以通過其缺少控制欄位來區分幀中繼格式與LAP-D。

### 協議數據單元

每個幀中繼協議數據單元（PDU）包含以下欄位：

- 標誌欄位。標誌用於執行高級數據鏈路同步，用唯一模式01111110指示幀的開始和結束。為確保01111110模式不會出現在幀內部的某個位置，使用比特填充和去填充程序。
- 地址欄位。根據所用地址的範圍，每個地址欄位可能占用第2至3位元組、第2至4位元組或第2至5位元組。雙字節地址欄位包括EA=地址欄位擴展位和C/R=命令/響應位。
- DLCI-數據鏈路連接標識符位。DLCI用於標識虛連接，使接收端知道幀屬於哪個資訊連接。請注意，此DLCI僅具有本地意義。單個物理信道可以復用多個不同的虛連接。
- FECN、BECN、DE位。這些位報告擁塞： FECN=前向顯式擁塞通知位 BECN=後向顯式擁塞通知位 DE=丟棄資格位
- 資訊欄位。系統參數定義主機可以打包到幀中的最大數據字節數。主機可以在呼叫建立時協商實際的最大幀長度。標準規定最大資訊欄位大小（任何網路可支持）至少為262位元組。由於端到端協議通常基於較大的資訊單元運行，幀中繼建議網路支持至少1600位元組的最大值，以避免最終使用者需要進行分段和重組。
- 幀校驗序列（FCS）欄位。由於不能完全忽略介質的誤碼率，每個交換節點需要實現錯誤檢測，以避免由於傳輸錯誤幀而浪費帶寬。幀中繼中使用的錯誤檢測機制以循環冗餘校驗（CRC）為基礎。

### 擁塞控制

幀中繼網路在每個交換節點使用簡化的協議。它通過省略逐鏈路流控制來實現簡單性，因此提供的負載在很大程度上決定了幀中繼網路的性能。當提供的負載較高時，由於某些服務中的突發流量，一些幀中繼節點的臨時過載會導致網路吞吐量崩潰。因此，幀中繼網路需要一些有效的機制來控制擁塞。

幀中繼網路中的擁塞控制包括以下要素：

- 准入控制。這提供了幀中繼中用於確保一旦接受就保證資源需求的主要機制。它通常也用於實現高網路性能。網路根據請求的流量描述符與網路剩餘容量的關係來決定是否接受新的連接請求。流量描述符由一組在呼叫建立時或服務訂閱時傳達給交換節點的參陣列成，這些參數表徵了連接的統計特性。流量描述符由三個要素組成：
- 承諾資訊速率（CIR）。網路保證在測量間隔T內傳輸資訊單元的平均速率（以bit/s為單位）。此T間隔定義為：T = Bc/CIR。
- 承諾突發大小（Bc）。在間隔T內可傳輸的最大資訊單元數。
- 超額突發大小（Be）。網路將嘗試在間隔內承載的最大非承諾資訊單元數（以比特為單位）。

一旦網路建立了連接，幀中繼網路的邊緣節點必須監測連接的流量，以確保網路資源的實際使用不超過此規範。幀中繼對使用者的的資訊速率定義了一些限制。它允許網路強制執行最終使用者的資訊速率，並在超過訂閱的接入速率時丟棄資訊。

顯式擁塞通知被提議作為擁塞避免策略。它試圖使網路在其期望的平衡點運行，以便可以滿足網路的某種服務質量（QoS）。為此，特殊的擁塞控制位已被納入幀中繼的地址欄位：FECN和BECN。基本思想是避免數據在網路內部累積。

FECN表示前向顯式擁塞通知。FECN位可以設置為1，以指示在幀傳輸方向上經歷了擁塞，因此它通知目的地擁塞已經發生。BECN表示後向顯式擁塞通知。BECN位可以設置為1，以指示在網路中與幀傳輸方向相反的方向上經歷了擁塞，因此它通知發送方擁塞已經發生。