Frame-Relay-Netze 3800721872

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Frame-Relay-Netze

Technik, Netzdesign, Anwendungen Guido Weppler

Institut für Nachrichtentechnik D

Universität Karlsruhe - 76128 Karlsruhe

Inventar Nr,

8016 B

Stand Nr,

BIER

TELEKOMMUNIKATION AKTUELL Institut für Nachrichtentechnik D

Universität Karlsruhe - 76128 Karlsruhe

Frame-Relay-Netze Technik, Netzdesign, Anwendungen

Dipl.-Inform. (FH) Guido Weppler

VDE-VERLAG

GMBH -» Berlin - Offenbach

Titelillustration: Manfred Zapp

Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Weppler, Guido: Frame-relay-Netze : Technik, Netzdesign, Anwendungen / Guido Weppler. - Berlin ; Offenbach : VDE-VERLAG,

1997

ei

(Telekommunikation aktuell) ISBN 3-8007-2187-2

ISBN 3-8007-2187-2 ©

1997

VDE-VERLAG GMBEH, Berlin und Offenbach Bismarckstraße 33, D-10625 Berlin

Alle Rechte vorbehalten Druck: Druckerei Zach Berlin

9710

Vorwort des Autors In der recht jungen Geschichte der Telekommunikation haben der Wandel von Anwenderbedürfnissen und die diesem Trend folgenden Anwendungs-Programme auf der einen und die Entwicklung neuer Übertragungstechniken und Protokolle auf der anderen Seite immer wieder zu fundamentalen Änderungen in den Architekturen geführt. Die Ära zentraler Großrechner wurde durch den dramatischen Verfall der Kosten für Rechenleistung und die damit aufkommenden Personal Computer beendet. Um den Kommunikationsbedürfnissen der Anwender an den nunmehr autonomen Systemen gerecht zu werden, kamen als Folge dieser Entwicklung zunächst die lokalen Netze auf, die bald darauf durch Weitverkehrsnetze miteinander verbunden wurden. Von großer Bedeutung für die Evolution der Kommunikationsverfahren waren daneben u. a. die Verbesserung der öffentlichen Übertragungsstrecken durch Digitalisierung, die Entstehung der Client-Server-Umgebungen und der immer weiter steigende Bedarf der Anwender an Übertragungsleistung im Weitverkehrsbereich. Durch diese und andere Entwicklungen kommt den Kommunikationstechniken im Weitverkehrsbereich ständıg größere Bedeutung zu. Anwender und Anwendungen fordern höheren Durchsatz und geringere Verzögerung bei der Übertragung ihrer fortwährend wachsenden Datenmengen. Frame Relay stellt eine ın vielerlei Hinsicht attraktive Technik zur Erfüllung dieser Anforderungen durch das Übermittlungsnetz dar. Das vorliegende Buch gibt eine fundierte und prägnante Darstellung der FrameRelay-Technik und der entsprechenden Standards. Da Frame Relay bzgl. seiner Anwendungsmöglichkeiten noch nicht vollständig ausdifferenziert ist, wollen wir uns hier auf die Aspekte mit der größten Praxisrelevanz konzentrieren. Ich bedanke mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Anatol Badach, der den Anstoß zu diesem Buch gegeben hat und bei Herm Dipl.-Ing. Roland Werner vom VDEVERLAG für die zahlreichen Korrekturen und seine Hilfsbereitschaft. Für ihre Korrekturen und Verbesserungsvorschläge danke ich meinen Kolleginnen und Kollegen Tina Christmann, Ute Kahler, Dirk Schäfer und Georgina Waide. Mein besonderer Dank gilt Dominik Möller für seine engagierte Unterstützung und viele Anregungen, auch als zum Schluß die Zeit knapp wurde. Köln, im September 1997

Guido Weppler

IH

Vorwort des Herausgebers Bei Frame Relay (FR) handelt es sich um ein Konzept für den Aufbau von Weitverkehrsnetzen nach dem Prinzip der schnellen Paketvermittlung (Fast Packet Switching). Wichtige Vorteile von FR bestehen in der schnellen Übermittlung von paketierten Daten und der mehrfachen Nutzung physikalischer Leitungen durch virtuelle Verbindungen. Die Weitverkehrsnetze auf Basis der FR-Technik werden hauptsächlich als Backbone-Netze genutzt und eignen sich besonders gut für die Übermittlung des unregelmäßigen Datenverkehrs (z. B. Datenverkehr in LAN), in dem in variablen Zeitabständen relativ große Datenmengen zu übertragen sind. Die FR-Technik stellt heutzutage eine wichtige technische Komponente für die Realisierung von standortübergreifenden privaten Sprach- und Datennetzen (sogenannte Corporate Networks) dar. Die FR-Netze können ebenfalls mit ATM-Netzen so integriert werden, daß die in die FR-Technik getätigten Investitionen zukünftig bei der eventuellen Migration zur ATM-Technik nicht verlorengehen. Dieses Buch hat das Ziel, sowohl die Technik der FR-Netze als auch deren Anwendungen in einer kompakten Form darzustellen. Wichtige Schwerpunkte sind u. a. die Möglichkeiten der Sprachübermittlung über FR-Netze und die Konzepte für Interworking von FR mit ATM-Netzen. Um den Aufbau von FR-Netzen zu erleichtern, werden auch die wichtigsten Prinzipien des Netzdesigns präsentiert. Die FR-Netze im Verbund mit ATM-Netzen werden zukünftig einige Veränderungen hinsichtlich weltweiter Kommunikation mit sich bringen. Das Bestreben nach der Integration von Daten, Sprache und Video bis hin zu Multimedia-Anwendungen in Weitverkehrsnetzen wird mit Sicherheit die Entwicklungen der kommenden Jahre bestimmen. An dieser Stelle möchte ich mich beim Autor Herrn Dipl.-Inform. Guido Weppler für die Unterstützung

der Buchreihe

‚„Telekommunikation

aktuell“

bedanken.

Ein

besonderer Dank gilt dem VDE-VERLAG für die Bereitschaft, diesen Titel zu veröffentlichen. Nicht zuletzt möchte ich auch Herrn Dipl.-Ing. Roland Werner für die gute Zusammenarbeit und das große Engagement danken. Fulda, im September 1997

IV

Prof. Dr.-Ing. Anatol Badach

Standardisierungs-Organisationen............uuesnensneneeennennneennnn Wegweiser durch dieses Buch ....................................nnn.

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Frame Relay und andere Vernetzungstechniken ........................ FR versus Mietleitungen............................u00uuneeeeennennnn FR versus X.25 ...............sssssnennesenneessnnnnnnnsnnnnnnnnnnnnnnneneennnnnnn FR versus ATM....................csssssssesssneseessssnnnnnennnnnennneseennnennnnnnn Private versus öffentliche FR-Netze...................................n. Weiterführende Literatur .....................00220002aneeennneeeennneeeneeennnnn

3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.14 3.2 32.1 3.22 3.2.3 3.2.4

3.2.5

3.3

3.3.1 3.3.2

3.3.3

3.4 3.4.1 3.4.1.1 3.4.1.2 3.4.1.3 3.4.2 3.4.2.1 3.4.2.2 3.4.2.3 3.4.2.4 3.4.2.5

FR-Grundlagen .....................................nnnnnen FR-Kerndienst ...........................2000nssnenneesnenneeneeennnnneeneeennennn Allgemeines.......................ennneennnennnnneennennennnnnennnnnnn Multiplex-Verfahren...................................ennnnn Rahmenstruktur ................................nnnnnnnnennnn Adreßfeldstruktur ......................220000200esssenneeesnnneeeeennnnnnneeeeenennennn Performance-Parameter am FR-UNI.....................................uu.. Committed Information Rate (CIR)............................nnnnen. _ Committed Burst Sıze (Be)... Burst ın Excess (Be) ............uuuussesssnanneneessssnnnnnnnneeeennnnenenneneenennnn Meßintervall (Te) ........................... nennen

Beispiel..............ensnssnnssnessnneenennennenennennnnnen

Überlast-Managemernt .......................nennne

Mechanismen zur Überlast-Steuerung...................nn. _ Verhalten des FR-Netzes bei Überlast .............................0.....

_ Verhalten des FR-Users bei Überlast...................n.

Lokales PVC-Management..................uueecensennseenneneeeeeeesssnnennnennn ITU-T 0.933 Annex A LM!..................................n Aufbau von LMI-Nachrichten.......................00022040 essen Informations-Elemente (IE)... Ablauf der Prozeduren am 0.933. A-LM!........................................ Original-LM!I....................................ennnnnnenennn Allgemeines......................nnneeenneneneseseneeennennneen DLCI-Belegung.....................................enennnnneneneennneenenen Nachrichtentyp UPDATE STATUS ..............................neee. Informations-Elemente ...............................nnnnnnnen Parameter .......................sesseeesssssssnnnnensenennennenneennnenee nennen

— DD

1.2 1.3

WD

Einführung......................................neeneenneneene een Geänderte TK-Landschaft, Marktanforderungen, Anwendungen.....

mi

Inhalt

11 12 14 16 17 17 17 18 20 22 24 24 24 25 25 26 27 30 3l 33 37 38 33 40 42 49 49 50 al 52 56

3.5

3.5.1 3.5.2 3.6

Multicasts..................000c nn

56

Multicasts nach FRF/ITU-T...................................... nn. _ Multicasts über das Original-LMI................................n.. Weiterführende Literatur ..........................e nn

57 62 62

4

Anwendungen ................uuuceneaseeaseesneennennnennnennennnennenee nennen

63

4.1.1 4.1.2 _ 4.1.3 _ 4.1.4 4.1.5 _ 4.1.6 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 _ 4.2.5 4.2.5.1 4.2.5.2 4.2.5.3 4.2.6 _ 42.7 4.2.8 429 4.2.9.1 4.2.9.2 4.2.9.3 4.2.94 4.2.10 4.3

Protokollkennzeichnung mit direkter NLPID .................................. Protokollkennzeichnung nach SNAP...................................... Protokollkennzeichnung nach Q.933............................nnnnn Fragmentierung..............snssnsennnnsnesnnennennnennnennn sense Kapselung mit I-Rahmen (gesicherte Übertragung) ......................... Zusammenfassung ............uuuenasassennennennnennnennennennneene een Sprache über FR.......................uensessseeenenneennennneeneene nennen Beweggründe für den Einsatz von VoFR ...........................e. Typische Anwendungsumgebungen der Sprachübertragung ............ Besonderheiten der Sprache.......................00200 nn Digitalisierung von Sprachsignalen ................................... Einflüsse auf Sprach-Rahmen im FR-Netz ...........................cn Verzögerung.................ensennssnnsssnnsnnnnnnennnnnennnenenenenne nenn Laufzeitschwankungen .................ucuuaaeessnneeeneeeennneennneneeenenneeennnn Informationsverlust durch Rahmenverwurf ..............................00..... Bandbreite-Optimierung für die Übertragung .......................0.000... Sıgnalisierung................enssenessnnsennnnnnennnennnnennnnnnenennnn Einsatzbereiche und Vorbehalte......................................n. Das VoFR Implementation Agreement des FR-Forums................... VoFR-Rahmenformat .......................eeeneennee nenn VoFR-Subrahmenformat....................................nnnn Format-Beispiele ..............................neeeeeeneeeeeeennnn VoFR-Konformitätsklassen ................................. nenn Zusammenfassung ..............cucccnanssnenessnnnensneennnnnenenennen nennen Weiterführende Literatur ................................nennnnn

66 68 70 71 73 74 76 77 79 80 81 84 85 85 89 89 92 93 95 96 98 100 101 101 102

5 5.1 5.1.1 5.1.2

FR ATM Interworking......................................ennen Funktionen der IWU.................... nn Rahmenformate .................uuenennnnneennnennneenneennnnennene nenn Logische Verbindungsnummen............................e een

103 106 106 108

5.1.4 _ Lösch-Priorität (DE/CLP)......................................nn

109

4.1

Datenprotokolle über FR (Multiprotokoll-Integration) ....................

5.1.3 _ Überlastanzeigen ...............eeeee nn 5.1.3.1 In Übertragungsrichtung ..........................ennnn 5.1.3.2 Gegen die Übertragungsrichtung.....................eeeennnnn.

VI

63

108 108 109

5.1.5

User-zu-User-Steuerinformation ................00 nn.

6 6.1 6.2 6.2.1 6.22 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.2.1 6.3.2.2 6.3.2.3 6.3.2.4 6.3.3 6.3.3.1 6.3.3.2 6.3.3.3 6.34 6.3.4.1

Netzdesign und Betrieb ............................................en. Topologie und Infrastruktur ............................nnenennnn Dimensionierung ...........u.uuunaseeeenneeesnanneesssnnnnensennenneenennennnneennennnn Anschlußleitungen.....................................neenennenn Verkehrsparameter .............................ennnnnnnen Performance .....................ssannnennesssnneennennn een Kriterien............ennnssnnennnesnennnennennenne nenne Komponenten der Laufzeit... Knotenzeit..................neesnensennannnennsnnnnnennnnnnnnenennnenenne nennen Pufferzeit......................nenesneennnseneennenneeneneee nennen Leitungszeit................csnsnnnsessnessennenseneeenennenneneeeeneneeenennnnn Beispiele ................................enenenenenenennnn Komponenten des Durchsatzes .......................... nen Bandbreite..................................nnnnnnnnnennnn Laufzeit...................nennsneennenseennenenneennenennnnnnnennnnnnennenennnnnnenn Fenstergröße des Transportprotokolls......................................0...... Einflußfaktoren...............ennneneennennnn Netzinterne Datenbehandlung...........................................ce

117 117 120 121 123 130 130 131 131 132 133 133 136 136 136 137 139 139

6.3.4.3 6.4

Bitfehler........................................ nennen Weiterführende Literatur ....................................enneen

144 144

5.1.6 Dienstgüte-Parameter ...................uueeenaeeenneennneennennnnennneeeenennnnn 5.1.7. Lokales Verbindungsmanagemett .............................n 5.1.7.1 Link Integrity Verification ............................ennnnnn 5.1.7.2 Neue/gelöschte PVC ............................... nenn 5.1.7.3 Anzeige des PVC-Betriebszustands.................................... 5.1.8 _ Protokoll-Kapselung höherer Schichten ................................20..0..... 5.2 Weiterführende Literatur ....................................eennnn.

6.3.4.2

Überlastverhalten .........................eennnnn

109

110 111 111 112 112 113 115

143

7

Literatur .........................20sssnsnessnnnneessssseennnnnnnenenennenennnnnnenn

145

8

Standards und Empfehlungen .....................................ee.

147

9

Abkürzungen ..............................ennnnneenneeeeeeeenennnn nenne

151

10

Stichwortverzeichnis .......................................eeennennnnn

155

Vu

1 l.l

Einführung Geänderte TK-Landschaft, Marktanforderungen, Anwendungen

Sowohl die Computer als auch die Kommunikationstechnik haben sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt. Neben den Systemarchitekturen und Kommunikationsmodellen haben sich auch die Benutzeranforderungen und Umgebungsbedingungen geändert. Die wichtigsten dieser Änderungen, die den Datenkommunikationsbereich betreffen, sind nachfolgend aufgeführt. Änderung der TK-Umgebung

e Entwicklung von hierarchischen, Großrechner-basierten Strukturen chen, anarchischen Netzen mit gleichberechtigten Endgeräten

hin zu fla-

e intelligentere Endgeräte e weiter gestreute Kommunikationsbeziehungen Wachsende Leistungsanforderungen e zunehmende Anzahl von Anwendungen mit grafischen Oberflächen e zunehmender Bedarf an kurzen Netzlaufzeiten e höhere Geschwindigkeiten im LAN e steigende Datenmengen

e Aufkommen neuer Anwendungstypen tragung von Sprache und Video

wie Bildverarbeitung, Multimedia,

Über-

e Entstehung neuer Verkehrsmuster, beispielsweise bei der LAN-LAN-Kopplung Bessere Infrastruktur

e niedrigere Bitfehlerraten auf Vertindungsleitungen durch Weiterentwicklung der Übertragungstechnik e breiter Einsatz von Glasfasertechnik e Verdrängung analoger Verfahren Diese neue Situation stellt eine große Herausforderung an die verwendete Weitverkehrstechnik dar. Da die oben erwähnten Trends anhalten, sind traditionelle Verfahren wie Mietleitungs-, TDM- oder X.25-Netze immer weniger in der Lage, den Anforderungen gerecht zu werden. Als neue Technik für Weitverkehrsnetze in derart dynamischen Umgebungen bietet sich Frame Relay (FR) an.

1.2

Standardisierungs-Organisationen

Neue Techniken in der Telekommunikation können sich nur dann weltweit durchsetzen, wenn alle Beteiligten (die Hersteller der beteiligten Vermittlungssysteme und Endgeräte, die Betreiber und Anwender) ein gemeinsames Verständnis von dieser Technik haben. Deshalb erarbeiten Standardisierungs-Organisationen Normen und Empfehlungen, welche die entsprechende Technik detailliert beschreiben. Die Geräte verschiedener Hersteller, die sich an diese Standards halten, sollten dann interoperabel sein, also miteinander kommunizieren können. Soweit die Theorie. Praktisch definieren die Standards neben zwingend notwendigen Funktionen aber auch viele, die optional vorhanden sein können. Durch diese Optionen und Unschärfen arbeiten die Systeme verschiedener Lieferanten trotz Standardkonformität oftmals nicht miteinander. Die wichtigsten Standardisierungs-Organisationen für FR sind: e ITU-T (International Telecommunication Union, Telecommunication Standardization Sector, Nachfolgerin der CCITT). Die ITU-T definiert „Empfehlungen“, die zwar nicht den Status formaler Standards haben, aber de facto den Status Quo der (standardisierten) Technik widerspiegeln. e ANSI (American Standards Institute) Speziell für die neuen Telekommunikationstechniken gilt: e Der Standardisierungsprozeß ist träge und teilweise sehr bürokratisch. Bis eine Technik mittels der Standard-Dokumente so vollständig beschrieben ist, daß einsetzbare Systeme entwickelt werden können, vergehen oft Jahre. e Die Lebenszyklen von Produkten in der schnellebigen Kommunikationswelt werden immer kürzer. Neue Verfahren werden in immer kürzerer Zeit zur Marktreife getrieben. Diese Entwicklungen haben Hersteller wie Anwender im Falle von Frame Relay zur Eigeninitiative veranlaßt. So wurde das sogenannte Frame Relay Forum (FRF) gegründet. Ziele des FRF sind: e Schnelle Bereitstellung von definitiven Implementierungsvorschriften (sogenannte Implementation Agreements, IA). Diese basieren soweit wie möglich auf existierenden Standards und Empfehlungen (von ITU-T, ANSI, ...). Wesentlicher Unterschied ist jedoch, daß die vielen Optionen dieser Dokumente beseitigt werden. e Den Anwendern (dem Markt) die Vorteile von FR bewußt zu machen. e Den Standardisierungsprozeß unterstützen und vorantreiben. Dabei will das FRF ausdrücklich keine neuen Standards/Definitionen hervorbringen, sondern existierende nutzen.

Fast alle namhaften Hersteller und Betreiber von FR-Equipment und -Diensten sind Mitglied im FRF. Dadurch haben die Implementation Agreements bei der Entwicklung von FR-Systemen hohe Relevanz. Kaum ein Hersteller implementiert Funktionen der zugrunde liegenden ITU-T- oder ANSI-Standards, die im entsprechenden FRF IA nicht enthalten sind.

1.3

Wegweiser durch dieses Buch

Begonnen wird mit einer kurzen Abgrenzung von FR gegen anderere populäre Vernetzungstechniken im Weitverkehrsbereich (Kapitel 2). Dabei werden insbesondere die charakteristischen Unterschiede dieser Alternativen verdeutlicht. Wir stellen uns hier außerdem die Frage, welche Argumente für bzw. gegen die Nutzung eines öffentlichen FR-Netzes (statt des Aufbaus eines eigenen) sprechen. Kapitel 3 vermittelt die Grundlagen der FR-Technik. Über die fundamentalen Strukturen (Rahmenaufbau, Steuerelemente) und die im FR besonders wichtigen Performance-Parameter arbeiten wir uns zum Überlast-Management und den Protokollerweiterungen vor. Damit sind die Zusammenhänge im FR-Netz klar. Nachdem die FR-Basistechnik bekannt ist, sehen wir uns in Kapitel 4 an, wie Endgeräte Daten und Sprache über FR transportieren. Dazu beschäftigen wir uns mit den besonderen Anforderungen, die beide Dienstarten an die Übertragungstechnik stellen, und beschreiben die zugehörigen, standardisierten Protokolle. Mit diesem Wissen ist nachvollziehbar, wıe die verschiedenen Endgerätetypen prinzipiell über Frame Relay arbeiten. FR bietet einen wohl definierten Migrationspfad zum ATM (Asynchronous Transfer Mode) hin an. Mit diesem beschäftigen wir uns in Kapitel 5 und sehen dabei, wie die Interworking-Funktionen die Koexistenz von FR und ATM ermöglichen, indem sıe dıe Vorteile beider Techniken in einer hybriden Umgebung nutzbar machen. Das Kapitel 6 ist der wichtigen Frage gewidmet, was bei Planung und Betrieb von FR-Netzen zu berücksichtigen ist. Die wichtigsten Elemente der Infrastrukturplanung und Parametrisierung kommen dabei ebenso zur Sprache wie PerformanceAbschätzungen auf Anwendungsniveau. Um den Rahmen dieses Buches nicht zu sprengen, können die ebenfalls wichtigen Themen wie Management von FR-Netzen, Signalisierung oder Herstellerimplementierungen leider nicht im Detail behandelt werden. Unter Zuhilfenahme der im Anhang angegebenen Literatur können diese Gebiete aber leicht erarbeitet werden.

2

Frame Relay und andere Vernetzungstechniken

Neben FR existieren alternative, meist ältere WAN-Technologien, die sich in ihren spezifischen Eigenschaften unterscheiden. Die folgende Tabelle gibt einen sehr groben Überlick über die Charakteristik einiger dieser Verfahren. Viele der darin enthaltenen Wertungen sind von der konkreten DV- und Kommunikationsumgebung des Anwenders abhängig.

Eignung für ... « paketierte Daten « Sprache, Video mit fester Bitrate mehrere Verbindungen pro Port (Port-Sharing) Bitraten

Netzverzögerung Protokoll-Overhead bei Datentransport Netz garantiert MindestDienstgüte Protokoll-Transparenz Aufwand für redundante Netzstrukturen Flexibilität bei BandbreiteÄnderungen

Interworking mit anderen WAN-Techniken Migrationsmöglichkeit zu ATM

Tabelle 1

Mietleitungen / TDM

X.25

FR

ATM

schlecht gut

gut schlecht

sehr gut weniger gut

gut gut

nein

ja

ja

ja

sehr hoch,

mittel

hoch

sehr hoch

hoch groß

niedrig klein

sehr niedrig sehr groß

aber inflexibel sehr niedrig sehr klein

ja nein ja ja (immer) (optional) (optional) oberhalb oberhalb oberhalb oberhalb OSI-Schicht I | OSI-Schicht 3 | OSI-Schicht 2 | ATM-Schicht (Kerndienst) hoch gering gering gering schlecht _

weniger gut

FR (eingeschränkt) nein nein (nur Leitungs- | (nur KapseEmulation) lung)

gut

gut

ATM, X.25 (eingeschränkt) ja

FR -

Charakteristische Unterschiede verschiedener WAN-Techniken

Ein wichtiges Kriterium für die Beurteilung von Weitverkehrstechniken für die Datenübertragung ist deren Eignung für neue Verkehrsmuster, hier insbesondere die bei der LAN-LAN-Kopplung auftretenden stoßartigen Übertragungen. Es wird in

unregelmäßigen Abständen kurzzeitig viel Übertragungskapazität benötigt, die durchschnittliche Last ist jedoch relativ niedrig. Dieses Verhalten von kurzen, intensiven Übertragungen, durchsetzt von unterschiedlich langen Sendepausen, wird gemeinhin als Burst-Verkehr (bursty traffic, Bild 1) bezeichnet. Übertragungspausen

LAN Bild 1

|

Router

..

„..|Bursts

I T mM: Mietleitung

Burst-Verkehr

Die beiden bedeutendsten professionellen Anwendungsumgebungen für DatenNetze werden auf absehbare Zeit die LAN-LAN-Kopplung mit Routern und die Einbindung von SNA in integrierte Unternehmensnetze sein. Die nachfolgenden Betrachtungen sollen die wichtigsten Unterschiede zwischen FR und anderen WAN-Techniken verdeutlichen. Dabei wird der LAN-Router stellvertretend für alle anderen denkbaren FR-Endgeräte als Beispiel dienen.

2.1

FR versus Mietleitungen

Statt die gemieteten Punkt-zu-Punkt-Leitungen (in Deutschland üblicherweise Datendirektverbindungen oder Festverbindungen der Deutschen Telekom AG) direkt

an die Router anzuschließen, können auch Zeitmultiplexer (Time Division Multiplexer, TDM) zwischengeschaltet werden. Dies erlaubt zwar eine feinere Skalierung der Bandbreite, macht jedoch für den folgenden Vergleich keinen Unterschied, da beide Verfahren bei den hier relevanten Kriterien die gleiche Charakteristik haben. Es wird hier auf die Unterscheidung verzichtet, ob der Anwender selbst das FR-

Netz betreibt oder ob er den FR-Dienst eines Providers bzw. Carriers nutzt. Port-Sharing

Zunächst erfordern Mietleitungs-Netze eine dedizierte Leitung zu jedem gewünschten Kommunikationsziel. An Lokationen mit vielen Verkehrsbeziehungen (z. B. die Zentrale eines Unternehmens oder regionale Niederlassungen) werden also rasch viele Leitungen benötigt. Da auch entsprechend viele Ports zum Anschluß vorhanden sein müssen (jede Leitung belegt zwei Router-Ports), sind große Router und damit hohe Investitionen erforderlich.

Dabei ist eine Sterntopologie mit einer Zentrale und mehreren Außenstellen noch die günstigste Variante. Diese Topologie ist jedoch inhärent unsicher, da keine Ersatzwege existieren. Um eine ausfallsichere Netz-Struktur zu erzeugen, sind also weitere Mietleitungen oder eın Wähl-Backup erforderlich. Die Anzahl der benötigten Leitungen in einem voll vermaschten Netz mit n Lokationen wächst exponentiell nach der Beziehung Anzahl Leitungen =

2 _

mn

NE 20 Router-Ports

R x

Bild 2

R R

Router

Mietleitungs-Netz

Wie in Bild 2 dargestellt, wären in einem Beispiel-Netz mit einer Zentrale und vier Außenstellen für eine ausfallsichere Vollvermaschung also zehn Mietleitungen (und 20 Router-Ports) nötig. Bei neun Außenstellen sind es bereits 45 Leitungen und 90 Router-Ports. Eine solche Vollvermaschung ist zwar theoretisch die ausfallsicherste Struktur, wirtschaftlich aber wegen der entfernungsabhängigen Tarifierung der Leitungen und ihrer geringen durchschnittlichen Auslastung unsinnig. Die Hinzunahme weiterer Standorte erfordert jeweils mindestens eine zusätzliche Festverbindung. Aber auch Änderungen in den Verkehrsbeziehungen ziehen oftmals Änderungen in der physikalischen Topologie nach sich. Diese sind wegen der Bereitstellungszeiten aber normalerweise nicht rasch durchführbar.

Neben der Erhöhung des Vermaschungsgrads läßt sich die Verfügbarkeit der Infrastruktur auch durch die Installation von Wähl-Backup-Systemen für jede Leitung

(wenigstens jeden Standort) erhöhen. Der Nachteil dabei ist, daß durch die im Stö-

rungsfall über ISDN zu überbrückenden großen Entfernungen (Ende-zu-Ende) hohe Telefonkosten anfallen. Außerdem ist das Konzept auf Leitungen mit deutlich weniger als 2 MBit/s Geschwindigkeit begrenzt, wodurch dem Grad der Vermaschung eine größere Bedeutung bei der Absicherung zukommt. Dieser ist ein Kompromiß aus der Robustheit der Topologie und der Wirtschaftlichkeit.

Im Gegensatz dazu teilen sich beim FR durch statistisches Multiplexen mehrere virtuelle Verbindungen (Virtual Connections, VC) eine physikalische Leitung (Port-Sharing, Bild 3). Gegenwärtig stellen die meisten öffentlichen FR-Netze den Routern nur feste virtuelle Verbindungen (Permanent Virtual Connections, PVC) bereit, die vom Betreiber des FR-Netzes mittels des Management-Systems der FRNetzknoten einmal eingerichtet werden und für die Dauer des Nutzungsvertrags aktıv bleiben. R

. Port Sharing am FR-UNI

MEER Ne Dee

en

“... |logische Vermaschung

mit virtuellen Verbindungen

R

R 5 Leitungen 5 Router-Ports

Bild 3

Port-Sharing im FR-Netz

Je Router-Lokation wird durch das Konzept der virtuellen Verbindungen also nur eine Zuleitung zum FR-Netz benötigt. Die Anzahl der Leitungen ist gleich der Anzahl der Router-Lokationen. Die Abbildung der Verkehrsbeziehungen zwischen diesen Standorten wird anstatt über physikalische Leitungen über virtuelle Verbindungen erreicht. So ist für das Hinzufügen einer neuen Verbindung zwischen zwei AußBenstellen nur noch eine entsprechende Anweisung im Netzmanagement-System (NMS) des FR-Netzbetreibers nötig.

Da die Anschlußleitungen zum FR-Netz die einzige Verbindung zu den Kommunikationspartnern darstellt, sollte sie z. B. über ein Wähl-Backup abgesichert werden. Dieses unterscheidet sich von dem entsprechenden System beim Mietleitungsnetz dadurch, daß im Störungsfall der Backup nicht Ende-zu-Ende, sondern nur bis zum nächsten Standort des Netzbetreibers aufgebaut und bezahlt werden muß. Immer häufiger werden über den reinen FR-Transport hinaus Zusatzdienste wie Internet-Zugang, Benutzung von Fremd-Hosts etc. angeboten. Für FR-Anwender (User) sind diese einfach durch zusätzliche PVC auf ihrer bestehenden Anschluß-

leitung zum FR-Netz nutzbar. So können beispielsweise dedizierte Leitungen zu externen Internet-Service-Providern (ISPs) eingespart werden. Verkehrsvolumen

Die Kapazität der Mietleitungen zu den Außenstellen ist auf die erwartete Spitzenlast zu dimensionieren, wobei bekanntermaßen nur aus wenigen Bitraten (in der Re-

gel 64 kBit/s, 2 MBit/s, eventuell n-64 kBit/s) gewählt werden kann. Die entspre-

chende Geschwindigkeit steht permanent bereit, wird aber bei den hier betrachteten LAN-LAN-Verbindungen wegen deren burstartigem Verhalten typischerweise nur sehr gering ausgelastet. Die ungenutzte Kapazität kann von anderen Verbindungen nicht verwendet werden und ist verloren (Bild 4). Das macht das Verfahren für dıe Datenübertragung ineffizient.

Bild 4

Ungenutzte Bandbreite im Mietleitungs-Netz

Bei Frame Relay dagegen stellt sich die Situation anders dar: Will einer der FRPVC an der Zentrale einen Burst übertragen, so kann er dafür die gesamte Bandbreite der Anschlußleitung verwenden, wenn zu dieser Zeit gerade keine anderen

PVC Verkehr erzeugen (Bild 5). Wollen jedoch mehrere PVC gleichzeitig übertragen, so wird die verfügbare Bandbreite gemäß vorher vereinbarter Parameter (Übertragungsrate, Burstgrößen, ...) auf die einzelnen Verbindungen verteilt. Diese Verkehrs-Deskriptoren sind praktisch stufenlos einstellbar, weshalb die Granularität der Bandbreite-Planung um ein Vielfaches feiner als bei Mietleitungs-/TDM-Netzen ist. Wenn ein FR-PVC seine Bandbreite nicht nutzt, steht diese augenblicklich anderen Verbindungen zur Verfügung. Es entstehen keine unnötigen Übertragungspausen, die Bandbreite wird optimal genutzt.

gut ausgelastete |-" Anschlußleitung

Bild 5

Mehrfachnutzung der Leitungen im FR-Netz

Je mehr PVC sich eine Anschlußleitung teilen, desto positiver machen sich die statistischen Eigenschaften des Burstverkehrs bemerkbar. Die beschriebenen Eigenschaften von FR haben also folgende Effekte auf das obige Anwendungsbeispiel: e An der Zentrale wird nur noch ein Port benötigt (statt vier im Mietleitungs-Beispiel). e Die maximale Burst-Geschwindigkeit jeder einzelnen Verbindung ist wesentlich höher als im Mietleitungs-Netz. Dort ist jeder Verbindung fest z. B. ein Viertel ‚der verfügbaren Gesamtbandbreite zugeordnet (entweder über getrennte Leitungen oder TDM-Kanäle). Somit beträgt die Maximalgeschwindigkeit jeder Verbindung auch nur ein Viertel der gesamten Bandbreite. Bei FR kann jede Verbindung im günstigsten Fall auf die volle Leitungsgeschwindigkeit zugreifen. Bei gleicher Summenbandbreite hat so jede einzelne Verbindung eine bessere Performance.

10

e Die beteiligten Ressourcen (Router-Ports, Leitungen, evtl. deutlich besser ausgelastet. Das erhöht die Wirtschaftlichkeit. 2.2

Switches)

werden

FR versus X.25

X.25 ist ein Datenübertragungsprotokoll für den WAN-Bereich, das besonders ın Europa weit verbreitet ist. X.25 definiert ebenso wie FR die Schnittstelle zwischen

Endgerät und Netz. Diese wird als UNI (User to Network Interface) bezeichnet.

Das zwischen den X.25- oder FR-Netzknoten verwendete Protokoll ist in aller Regel firmenspezifisch (proprietär). Sowohl X.25 als auch FR machen sich das Verfahren des statistischen Multiplexens zunutze. Das ermöglicht den Betrieb mehrerer virtueller Verbindungen auf einem physikalischen Port und die Übertragung von LAN-typischen, kurzzeitigen Verkehrsspitzen (Bursts) über die ungenutzte Bandbreite anderer Verbindungen. X.25 wurde entwickelt, um Daten über Strecken mit hohen Bitfehler-Raten übertragen zu können. Deshalb machen Mechanismen zur Fehlererkennung und -Behebung sowie zur Flußsteuerung einen großen Teil des X.25-Protokolls aus. Die Bearbeitung dieser Prozeduren erfordert jedoch viel Rechenleistung und ist sehr zeitintensiv, was die Technik teuer macht und der Performance der damit aufgebauten Netze Grenzen setzt. Seit der Einführung von X.25 wurde die Übertragungstechnik wesentlich weiterentwickelt. Analoge Technik wurde fast überall durch digitale verdrängt. Die BitfehlerRaten heutiger Leitungen sind im allgemeinen sehr niedrig. Außerdem sind, wie bereits oben erwähnt, die Endgeräte deutlich leistungsfähiger geworden. Diese Erkenntnisse hat man sich bei der Entwicklung von FR zunutze gemacht und die Übertragungs-Sicherung vom Netz in die Endgeräte verlagert. Im unwahrscheinlichen Fall eines Übertragungs-Fehlers müssen bei FR die Endgeräte diesen Fehler erkennen und durch geeignete Maßnahmen auf höheren Protokollschichten selbsttätig beheben können. Wie diese Funktionen realisiert werden, spielt für das FRNetz keine Rolle. Durch den Wegfall dieser Aufgaben ist die FR-Technik prinzipiell weniger komplex als entsprechendes X.25-Equipment (Bild 6). Das führt dazu, daß dıe Implementierungen (Netzknoten und Endgeräte) tendenziell eine höhere Leistungsfähigkeit haben und außerdem kostengünstiger herzustellen sind.

11

X.25 |

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|

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Rahmen verwerfen

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Bild 6

2.3

----------Übergabe an höheres Protkoll

ACK = Bestätigung

Protokoll-Komplexität von X.25 und FR im Vergleich (Quelle: Netrix)

FRversus ATM

ATM (Asynchronous Transfer Mode) ist als die Kommunikationstechnik der Zukunft in aller Munde. Deshalb kommt oftmals die Frage auf, ob sich der Investitions- und Planungsaufwand in FR noch lohnt, wo doch ATM unmittelbar vor seiner breiten Anwendbarkeit steht. Solche Bedenken sind weitgehend unbegründet, denn FR bietet einen wohldefinierten Pfad zum ATM hin an, der die getätigten Investitionen sichert und minimalen Einfluß auf den Wirkbetrieb der FR-User hat.

Das ATM-Forum,

der maßgebliche

Schrittmacher für die Markttauglichkeit von

je

ATM, hat dazu zwei wesentliche Beiträge geliefert. So wurden dort die Spezifika-

2

tionen für das ATM-FR-Network-Interworking und das ATM-FR-Service-Interworking niedergeschrieben. Ersteres beschreibt die Vorgehensweise bei der Verbindung von zweı über ein ATM-Kernnetz. Diese Definition ist primär für Organisationen die einen FR-Dienst mit Systemen unterschiedlicher Hersteller über ein betreiben, also beispielsweise für Carrier. FR-User können dabei nach mit anderen FR-Usern kommunizieren.

FR-Netzen interessant, ATM-Netz wie vor nur

Interessanter für die Fragestellung „FR oder ATM ?“ des Dienste-Nutzers ist aber das ATM-FR-Service-Interworking. Dieses definiert, wie ein FR-Endgerät an einem FR-Netz mit einem ATM-Endgerät an einem ATM-Netz kommunizieren kann. Dazu ist zwischen den beiden Netzen eine sogenannte IWU (Interworking Unit) notwendig. Diese wird im Normalfall innerhalb der Netzknoten der ATM-/FRNetzbetreiber untergebracht und ist für den Anwender völlig transparent (Bild 7).

Bild 7

ATM 34M

FR-ATMServiceInterworking

ATM 34M

Interworking

Sanfte Migration mit ATM-FR-Service-Interworking

13

Dieses Szenario ermöglicht es, daß in einem reinen FR-Netz Lokationen mit stark gestiegenen Performance-Anforderungen auf ATM umgeschaltet werden können,

während alle Verbindungen zu den FR-basierten Lokationen voll erhalten bleiben.

An den FR-Lokationen sind keine Änderungen notwendig. Es wird sich ein verbesserter Durchsatz einstellen, weil der Bandbreite-Engpaß an der zentralen Lokation durch den ATM-Anschluß beseitigt ist. Die maximal verfügbare Portgeschwindigkeit bei FR-Diensten ist heute im allgemeinen 2 MBit/s. Oberhalb dieses typischen Schwellenwerts kann eine Lokation dann auf ATM umgerüstet werden. Eine komplette Umkonfiguration aller Standorte auf ATM würde einen hohen Investitionsaufwand bedeuten, da spezielle ATMHardware benötigt wird, die heute noch sehr teuer ist. Außerdem ist der BandbreiteBedarf der Außenstellen oftmals kleiner als 2 MBit/s. Bei solchen Geschwindigkeiten macht sich der große Protokoll-Overhead von ATM besonders deutlich bemerkbar. Für den Transport von Daten ist hier FR die weit bessere Wahl. Die technischen Spezifikationen für das ATM-FR-Service-Interworking sind fest definiert, und es existieren bereits Implementierungen. Das Verfahren sichert auf lange Sicht die Koexistenz von FR- und ATM-Technik. In Umgebungen, in denen es um reinen Datentransport geht, stellt es den optimalen Mix aus hoher Geschwindigkeit, Protokolleffizienz und niedrigen Kosten dar. Wir werden uns in Kapitel 5 ausführlich mit dem Thema ATM-FR-Service-Interworking auseinandersetzen. 2.4

Private versus öffentliche FR-Netze

Überwiegen die Vorteile von FR im konkreten Fall, so stellt sich noch die Frage, ob das entsprechende FR-Netz selbst aufgebaut oder ob ein öffentlicher FR-Dienst verwendet werden soll. Die Vor- und Nachteile der beiden Möglichkeiten müssen von Fall zu Fall geprüft werden. Unter anderem sind folgende Entscheidungskriterien denkbar: Private FR-Netze

e bedeuten große zusätzliche Investitionen in Hard- und Software, Raum, Manpower, Netzplanung, Realisierung, Konfiguration, Netzmanagement, Betrieb, Entstörung, Ersatzteilversorgung usw. e sind wegen der hohen Einstands- und Betriebskosten eher für große Unternehmen interessant

14

zwingen das Unternehmen zur Übernahme der Verantwortung für den einwandfreien Betrieb (!) erfordern spezielles Know-how und große Erfahrung reduzieren unter bestimmten Bedingungen die Gesamtkosten für Datenkommunikation im Unternehmen bieten ein hohes Maß an Kontrolle über das firmeneigene Netz. Für viele Unternehmen ist ihr Datennetz ein lebenswichtiges Organ, das die höchstmögliche Betriebssicherheit liefern muß. Den Betrieb des Netzes selbst zu steuern, bietet hier natürlich Vorteile. lassen sich exakt auf die Bedürfnisse des Unternehmens zuschneiden bieten eine erhöhte Sicherheit. Der bei öffentlichen Netzen immer drohende

Zu-

griff Dritter auf die Unternehmens-EDV läßt sich bei privaten Netzen bei geeignetem Aufbau fast ausschließen.

bieten Konfigurationsfreiheit. Die Dienstqualität kann viel besser auf die individuellen Bedürfnisse der einzelnen Anwendungen eingestellt werden, als dies beim öffentlichen Betreiber der Fall ist. Der Anwender hat Kontrolle über alle Parameter (C/R, Burstgrößen, Überbuchungsfaktoren usw.). Sonderkonfigurationen sind ohne weiteres möglich. bieten über entsprechendes Equipment (FRAD) die Möglichkeit, alle anderen existierenden Protokolle über das FR-Netz zu transportieren und so evtl. mehrere hıstorisch gewachsene Datenkommunikations-Umgebungen auf ein Kernnetz zu konsolidieren.

Öffentliche FR-Dienste (Bild 8) erfordern keine Investitionen in Systeme (von den Endgeräten abgesehen) sind oft sehr kostengünstig bieten garantierte Dienstqualität übernehmen Verantwortung für Störungsbehebung im Netz. Oft können auch FREndgeräte wie Router oder FRAD mitgemietet und in Konfigurations- und Wartungsverträge mit aufgenommen werden, so daß die Investitionen in eigene Systeme und Arbeitsleistung minimal bleiben bieten oft „one stop shopping“ (alles aus einer Hand — Planung, Bestellung der Anschlußleitungen, Beschaffung von Equipment, Konfiguration und Inbetriebnahme der Endgeräte, Dienstbereitstellung, Entstörung, Ersatzteilversorgung usw.). Das erleichtert das Outsourcing dieser Funktionen

15

bieten ihren Kunden zunehmende Anzahl von Zusatzdiensten über zusätzliche VC an den bestehenden Anschlußleitungen. So kann beispielsweise ein leistungsfähiger Internet-Zugang oder die Benutzung von Fremd-Hosts ohne zusätzlichen Investitionsaufwand ermöglicht werden.

bieten internationale Verbindungen über Nerwork-to-Network-Interfaces (NNI) zu anderen Betreibern bieten Beratung und Projektierung als Dienstleistungen an bieten ın vielen Fällen übersichtliche Kostenstrukturen (Entfernungs- und/oder Volumen-unabhängige flat-rate-Tarifierung nach Bandbreite plus Kosten für Anschlußleitungen und eventuelle Sonderleistungen) unterscheiden sich von Betreiber zu Betreiber stark in Leistung, Dienstqualität und Preis. Auch die Flächendeckung ist unterschiedlich (Auswirkung auf Kosten der Anschlußleitungen, deren Preise ja entfernungsabhängig sind). Direkte Ver-

gleiche sind nur schwer möglich

erfordern genaue Analyse der Betreiber-Angebote

a: „‚[Leitungs-Abschlüsse

[Fr-unı a”

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Knoten Ä POP (Point of Presence) des

Netzbetreibers

FR-UNI = Frame Relay User-to-Network-Interface (Benutzer-Netz-Schnittstelle)

Bild 8

2.5

Zugang zu einem öffentlichen FR-Dienst

Weiterführende Literatur

Besonders gründliche Einführungen in das Thema Datenkommunikation bieten [14 und 20]. Weitere Informationen finden sich in [17].

16

3

FR-Grundlagen

3.1

FR-Kerndienst

3.1.1

Allgemeines

Frame Relay wurde ursprünglich als eine Erweiterung des ISDN (Integrated Services Digital Network) konzipiert und läuft dort unter der Bezeichnung Frame Mode Bearer Service. Dieser erlaubt den FR-Zugang zum ISDN z. B. über B- und über D-(Signalisierungs)-Kanäle. Die FR-Knotenfunktion wird von einem sogenannten Frame Handler, der sich irgendwo im Netz befindet, realisiert. Das FR auf ISDN-Basis konnte sich nicht durchsetzen. Man erkannte jedoch die Vorteile des Konzepts und entwickelte Implementierungen (Endgeräte und Knoten), die FR losgelöst vom ISDN als eigenständiges Übertragungsprotokoll nutzten. Auch bei diesem „unabhängigen“ FR zeugen jedoch noch viele Relikte von der Herkunft aus dem ISDN. So basieren sowohl das Kernprotokoll als auch die Signalisierung und diverse Erweiterungen auf ISDN-orientierten Standards. Wie bereits erwähnt, definiert FR dıe Schnittstelle zwischen einem FR-Endgerät und einem FR-Netz, das sogenannte FR-UNI (user to network interface). Das FR-Netz transportiert Frames (Rahmen) mit Benutzer-Daten von einem FR-UNI zu einem anderen. Im sieben-schichtigen OS7-Kommunikationsmodell sınd diese Rahmen auf Schicht 2 (Sicherungsschicht) angesiedelt (Bild 9). Die vorhandenen X.25-Daten-

netze dagegen arbeiten auf Schicht 3 (Netzwerkschicht) und darunter. N

Anw

E: Tep Pr

I.

Phy

1

LAN | S|LANI

FR | [FR

Router

Anw = Anwendung

Bild 9

PR

Phy | Phy PR

PC

: Top : .DORı.Dp

Phy

|Netz| FR |@ |LANI

FRNetzKnoten

|, _| Phy

FRNetZO—O Knoten

Phy = Physikalische Schicht

FR |