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帧中继原理
维护岗位认证教材（基础数据专业）
帧中继原理
中国电信维护岗位认证教材编写小组编制
目录
第一章帧中继基本原理1
1.1帧中继业务1
1.2帧中继的基本功能2
第二章帧中继的协议结构和核心功能2
2.1关于协议结构2
2.2帧中继的核心功能3
第三章帧中继的协议3
3.1数据链路层帧方式接入协议（LAPF）3
3.2数据链路层核心协议5
3.3DLCI值的分配和帧中继的寻址机制7
第四章虚电路的带宽控制和拥塞控制9
4.1虚电路带宽控制9
4.2网络容量配置9
4.3拥塞控制10
第五章帧中继用户的接入规程10
第六章帧中继论坛标准12
第一章帧中继基本原理
帧中继（FrameRelay,FR）技术是在OSI第二层上用简化的方法传送和交换数据单元的一种技术。
帧中继技术是在分组技术充分发展，数字与光纤传输线路逐渐替代已有的模拟线路，用户终端日益智能化的条件下诞生并发展起来的。
帧中继仅完成OSI物理层和链路层核心层的功能，将流量控制、纠错等留给智能终端去完成，大大简化了节点机之间协议；同时，帧中继采用虚电路技术，能充分利用网络资源，因而帧中继具有吞吐量高、时延低、适合突发性业务等特点。
作为一种新的承载业务，通过RFC1490协议，把网络层的IP数据包封装成数据链路层的帧中继帧，帧中继的用户接口速率最高为34Mbit/s，它目前在中、低速率网络互联的应用中被广泛使用。
帧中继技术适用于以下两种情况：
用户需要数据通信，其带宽要求为64kbit/s-34Mbit/s，而参与通信的各方多于两个的时候使用帧中继是一种较好的解决方案。
-
当数据业务量为突发性时，由于帧中继具有动态分配带宽的功能，选用帧中继可以有效地处理突发性数据。
1.1帧中继业务
帧中继业务是在用户--网络接口（UNI）之间提供用户信息流的双向传送，并保持原顺序不变的一种承载业务。
用户信息流以帧为单位在网络内传送，用户--网络接口之间以虚电路进行连接，对用户信息流进行统计复用。
帧中继网络提供的业务有两种：
永久虚电路和交换虚电路。
永久虚电路是指在帧中继终端用户之间建立固定的虚电路连接，并在其上提供数据传送业务。
交换虚电路是指在数据传送前，两个帧中继终端用户之间通过呼叫建立虚电路连接，网络在建好的虚电路上提供数据信息的传送服务，终端用户通过呼叫清除操作终止虚电路。
目前已建成的帧中继网络大多只提供永久虚电路业务。
帧中继永久虚电路业务模型如图2-1所示。
1.2帧中继的基本功能
帧中继在OSI第二层以简化的方式传送数据，仅完成物理层和链路层核心层的功能，智能化的终端设备把数据发送到链路层，并封装在LAPD帧结构中，实施以帧为单位的信息传送。
网络不进行纠错、重发、流量控制等。
帧不需要确认，就能够在每个交换机中直接通过，若网络检查出错误帧，直接将其丢弃；一些第二、三层的处理，如纠错、流量控制等，留给智能终端去处理，从而简化了节点机之间的处理过程。
帧中继承载业务有下列特点：
全部控制平面的程序在逻辑上是分离的；
物理层的用户平面程序使用I.430/I.431建议，链路层的用户平面程序使用Q.922建议的核心功能，能够对用户信息流量进行统计复用，并且可以保证在两个S或T参考点之间双向传送的业务数据单元的顺序。
第二章帧中继的协议结构和核心功能
2.1关于协议结构
用户侧
网络侧
OSI层
C平面
U平面
U平面
C平面
OSI层
3
Q.933
Q.933
3
2
Q.921
核心功能
核心功能
Q.921
2
Q.922
Q.922
1
I.430
I.431
I.430
I.431
1
图1-3用户—网络接口
帧中继的设计对OSI七层模型的二、三层实行了结合和简化。
帧中继协议的参考模型在用户终端侧除了完成物理层和链路层的功能之外，仍需要实现数据通信高层协议的功能，但在网络侧仅需实现低层功能。
帧中继业务和控制平面（C平面）及用户平面（U平面）有关，他们都是ISDN协议参考模型的一部分。
控制平面用于交换控制信息，用户平面用于交换和控制用户信息。
C平面和U平面的接口有两种类型：
用户—网络接口（UNI）、网络—网络接口（NNI）。
图1-3是用户—网络接口。
2.2帧中继的核心功能
帧中继的核心功能基于ITU-TQ.921和ANSIT1602-1988。
包括：
帧的定界、定位和透明性
虚电路的复用和解复用
检测帧长是不是整数字节
检测帧长，不能太长或太短
阻塞控制
第三章帧中继的协议
3.1数据链路层帧方式接入协议（LAPF）
1．LAPF基本特性
LAPF（LinkAccessProcedurestoFrameModeBearerServices）是帧方式承载业务的数据链路层协议和规程，包含在ITU-T建议Q.922中。
LAPF的作用是在ISDN用户-网络接口的B、D或H通路上为帧方式承载业务，在用户平面上的数据链路（DL）业务用户之间传递数据链路层业务数据单元（SDU）。
LAPF使用I.430和I.431支持的物理层服务，并允许在ISDNB/D/H通路上统计复用多个帧方式承载连接。
LAPF也可以使用其它类型接口支持的物理层服务。
LAPF的一个子集，对应于数据链路层核心子层，用来支持帧中继承载业务。
这个子集称为数据链路核心协议（DL-CORE）。
LAPF的其余部分称为数据链路控制协议（DL-CONTROL）。
LAPF提供两种信息传送方式：
非确认信息传送方式和确认信息传送方式。
2．LAPF帧结构
LAPF的帧由5种字段组成：
标志字段F、地址字段A、控制字段C、信息字段I和帧检验序列字段FCS。
标志字段（Flag）是一个特殊的八比特组01111110（7E），它的作用是标志一帧的开始和结束。
在地址标志之前的标志为开始标志，在帧校验序列（FCS）字段之后的标志为结束标志。
地址字段A的主要用途是区分同一通路上多个数据链路连接，以便实现帧的复用/分路。
地址字段的长度一般为2个字节，必要时最多可扩展到4个字节。
地址字段通常包括地址字段扩展比特EA，命令/响应指示C/R，帧可丢失指示比特DE，前向显式拥塞比特FECN，后向显示拥塞比特BECN，数据链路连接标识符DLCI和DLCI扩展/控制知识比特D/C等7个组成部分。
87654321
字节
DLCI（高阶比特）
C/R
EA0
1
DLCI（低阶比特）
FECN
BECN
DE
EA1
2
图1-5两个字节的地址字段
控制字段C分3种类型的帧：
信息帧（I帧）用来传送用户数据，但在传用户数据的同时，I帧还捎带传送流量控制和差错控制信息，以保证用户数据的正确传送；监视帧（S帧）专门用来传送控制信息，当流量和差错控制信息没有I帧可以“搭乘”时，需要用S帧来传送；无编号帧（U帧），有两个用途：
传送链路控制信息以及按非确认方式传送用户数据。
信息字段I包含的是用户数据，可以是任意的比特序列，它的长度必须是整数个字节，LAPF信息字节的最大默契长度为260个字节，网络应能支持协商的信息字段的最大字节数至少为1598，用来支持例如LAN互联之类的应用，以尽量减少用户设备分段和重装用户数据的需要。
帧校验序列字段FCS是一个16比特的序列。
它具有很强的检错能力，它能检测出在任何位置上的3个以内的错误、所有的奇数个错误、16个比特之内的连续错误以及大部分的大量突发错误。
3．LAPF帧交换过程
LAPF的帧交换过程是对等实体之间在D/B/H通路或其它类型物理通路上传送和交换信息的过程，进行交换的帧有I帧、S帧和U帧。
采用非确认信息传送方式时，LAPF的工作方程十分简单，用到的帧只有一种，即无编号信号帧UI。
UI帧的I段包含了用户发送的数据，UI帧到达接收端后，LAPF实体按FCS字段的内容检查传输错误，如没有错误，则将I字段的内容送到第3层实体，如有错误，则将该帧丢弃，但不论接收是否正确，接收端都不给发送端任何回答。
采用确认信息传送方式时，LAPF的帧交换分为3个阶段：
连接建立、数据传送和连接释放。
连接建立
任何一端都可以通过发送一个SABME帧来申请一条逻辑连接，这通常是对来自一个第3层实体的申请的响应。
SABME帧含有数据链路连接标识符（DLCI）。
LAPF实体接收该SABME帧，并发送一个连接申请指示给合适的第3层实体；如果该第3层实体以接受连接来响应，则该LAPF实体发送一个UA帧返回给对方。
当对方的LAPF实体收到表示接受的UA帧时，就向上送一个证实信息给提出申请的用户。
如果终点用户拒绝该连接申请，其LAPF实体就回送一个DM帧，接收DM的LAPF实体则通知其用户对方拒绝建立连接。
数据传递
当连接请求已被接受和证实，就建立起该连接，双方就可以在I帧中发送用户数据，并以序号0开始，I帧中的N（S）及N（R）两个字段用于流量控制和差错控制，一个发送I帧序列的LAPF将对这些帧编制序号（模128），并将顺序号放进N（S）中，N（R）是已接收的I帧的捎带确认，它使LAPF实体能够指示它期望接收的下一个I帧的序号。
连接释放
任何一方LAPF实体均可启动一次切断（操作），可以是出于它本身的原（例如出了某种故障），或者根据它的第3层用户的请求。
LAPF实体通过发送一个DISC帧给对等的实体来切断连接。
对方的LAPF实体必须通过回答一个UA而接受该切断，并通知第3层用户连接已经终止。
在途中的任何还未被确认的I帧均会被丢失，由较高层负责恢复。
4．LAPF管理功能
LAPF的管理功能体现在对DLCI管理和参数管理两个方面。
DLCI管理
当使用帧方式承载业务时，DLCI值或者通过应用Q.933呼叫建立规程在控制平面协商，或者通过应用永久虚电路，在预订时，由管理部分来分配。
一旦有DLCI值可用于分配，层管理实体向用户平面数据链路层实体发送一个MDL-ASSIGN请求原语，这个原语包含将要分配的DLCI值和相关联的DL-CEI。
管理参数
下表列出了LAPF的全部系统参数及其默契值，除参数N200之外，其它参数都可以由LAPF通过交换XID帧来协商和修改。
表2-1默契值LAPF的系统参数
参数
默契值
定义
T200
1.5s
对I帧或P=1的帧等待响应的时间
N203
30s
没有帧交换的最大允许时间
N200
3
一个帧重发的最多次数
N201
260八比特组
信息字段的最大长度
K
对于16kbit/s链路，k为3，对于64kbit/s链路，k为7，对于384kbit/s，k为32，对于1920kbit/s链路，k为40。
未得到确认的最大I帧数目
3.2数据链路层核心协议
帧中继承载业务使用Q.922协议的“核心”协议作为数据链路层协议，并透明地传递DL-CORE服务用户数据。
1．帧中继的帧结构
帧中继的帧结构由4种字段组成，如图2-6。
1byte
2-4byte
1-4096byte
2byte
1byte
F
A（地址字段）
I（用户数据）
FCS
F
图2-6帧中继的帧结构
F----标志字段，由一个字节构成01111110。
它的作用是标志一个帧的开始和结束。
为了防止在其他数据信息中随机出现的01111110序列影响同步，一般采用逢5插1的技术对数据进行处理，即对连续5个1位之后插入一个0位。
在接收端再予以去除。
A（地址字段）----在帧中继中地址字段主要作用是寻址，同时还兼有拥塞管理功能。
一般地址字段由2字节组成。
如图1－7。
如果2字节的地址字段不够用，因为10位的DLCI最多可支持1023个PVC，如所需PVC数超过此限，则可扩展到3字节或4字节。
目前我国未用。
8765
4
3
2
1
Byte1
DLCI（高阶）
C/R
EA0
Byte2
DLCI（低阶）
FECN
BECN
DE
EA1
图1-72字节A地址字段
DLCI：
数据链路连接标识符，由10位构成，可提供1023个PVC。
EA：
扩充地址位，可将地址字段扩充到3或4字节，目前未用。
最后一个字节的EA置1，前面字节的EA置0。
C/R：
命令响应指示位，被透明的从一个终端传到另一个终端。
它的用途是标识该帧是命令帧还是响应帧。
命令帧的C/R位置0，响应帧的C/R位置1，目前未用。
FECN：
前向显示拥塞通知，置1表示前向有可能发生拥塞。
BECN：
后向显示拥塞通知，置1表示后向有可能发生拥塞。
DE：
可丢弃位。
DE置1，说明该帧在网络拥塞时可考虑丢弃。
I（用户数据）----信息字段。
应由整数个字节组成。
FCS----帧校验序列。
一个二字节的序列，用于检验帧是否有差错。
在帧中继网中，如传输产生差错，则该帧丢弃，由终端用户通知发端，重发此帧。
2．数据链路层核心协议在ISDN协议结构中的位置
在ISDN环境中，数据链路层核心协议（DL-CORE）的位置如图2-8。
帧中继协议分为用户（U）平面和控制（C）平面两部分，其中U平面第二层又可分为下列两个子层：
DL控制子层（DL-CONTROL）和DL核心子层（DL-CORE）。
图2-8帧中继协议关系图
3．数据链路层核心业务的数据传送功能
数据链路层核心业务的数据传送功能是通过原语的形式来描述的。
只使用一种原语类型DL-CORE-DATA，用来允许核心业务用户之间传送核心用户数据。
数据传送业务不证实服务，因此只有两种原语可供使用：
DL-CORE-DATA请求和DL-CORE-DATA指示。
4．帧中继层管理功能
DL-CORE子层实体与其它实体之间的通信是通过原语来实现的。
在永久帧中继承载连接的情况下，与DL-CORE协议操作有关的信息均由DL-CORE层管理实体负责维护。
对于即时的（on-demand）帧中继承载连接，建立和释放DL-CORE连接均由第三层来实现。
与DL-CORE协议操作有关的信息均通过第三层管理和DL-CORE子层管理之间进行协调来管理的。
3.3DLCI值的分配和帧中继的寻址机制
对于二字节的DLCI可以有1024个取值，而对于三字节和四字节的DLCI则分别有65536和8388607个取值。
表1-2列出二、三和四字节的DLCI值的分配。
表2-2二、三和四字节的DLCI值的分配
功能
二字节DLCI值
三字节DLCI值
四字节DLCI值
通路内信令
0
0
0
保留
1～15
1～1023
1～1310711
用帧中继连接程序指定
16～991
1024～63487
131072～8126463
帧中继承载业务第二层管理
992～1007
63488～64511
8126464～8257535
保留
1008～1022
64512～65534
8257536～8388606
通路内层的管理
1023
65535
8388607
帧中继网中利用DLCI值完成寻址。
而在帧中继的标准中有两种DLCI的定义方式。
第一种方式DLCI值只有本地意义，即一个DLCI值只识别用户和接入交换节点以及交换节点之间的逻辑连接。
这样做的最大好处是由于相同DLCI值在整个帧中继网中可以重复使用。
因此在确定的DLCI取值范围内能给出最大数目的虚电路连接。
应注意的是由于每段定义了不同的DLCI值，它只有本地的路由意义。
第二种DLCI值的定义方式称为全网地址方式，此时DLCI值具有全网意义。
它的优点是地址管理简单，为了增加可用的DLCI值可将地址字段扩到3至4字节。
在帧中继网中，每一个交换节点内都有路由表存在。
当用户需要建立端到端的永久虚电路连接（PVC）时，实际上是建立一条由多段DLCI的连接而成的端到端的逻辑连接。
当携带着用户数据信息的帧进入节点机后，根据该帧地址字段中的DLCI值查找路由表以确定下一段逻辑连接的DLCI值，这样一站一站下去，直至目的地节点。
由于DLCI值是预先映射到目的节点上去的，这就简化了路由处理过程。
节点机只需要关心路由表，在表中察看DLCI值，然后将业务内容路由到按照这个地址确定的输出端口上。
在帧中继网中，一般不要求保持严格的PVC路由，可以是无连接的工作方式，允许在节点机间执行动态的路由，唯一的要求是确保帧到达由DLCI指定的目的端口。
图1－9是一个寻址的实例，阐明了在帧中继网中地址变换的过程。
在这个例子中，终端用户在一个局域网上，路由器的IP地址为128.1。
终端用户设备发出的业务信息内容包含着目的地址128.2和目的主机地址3.4。
路由器1执行查表并决定将地址128.2.3.4映射到DLCI43。
然后将用户业务内容放到帧中继的帧中并将地址字段的DLCI值定为43。
交换节点A收到此帧，在路由表上将DLCI43交换为DLCI76，并决定下一个接收此帧的节点为B。
节点B收到此帧后，将DLCI76变换为DLCI84，并将此帧传递给路由器2。
路由器查看到目的地址128.2.3.4后将业务信息内容传递给终端用户3.4。
上面叙述的是建立PVC的过程。
帧中继也可提供SVC业务。
有关SVC的标准可见之于ANSI的T1.617和ITU-T的Q.933。
帧中继论坛也有相应的SVC标准，但它和Q.933及T1.617的规定有些不同。
帧中继论坛规定的建立呼叫的过程是这样的：
主叫用户发出一个Q.933SETUP消息到帧中继网，这个消息包含与此呼叫相关的DLCI值和明确的被叫地址，例如E.164地址，而对于专用网可用其他的编号方案，如X.121或IP地址。
SETUP包含着以下有关帧中继的信息：
DLCI值
明确的地址
要求的端到端传送时延
要求的吞吐量（进和出）
要求的Bc（进和出）
要求的BE（进和出）
SETUP消息送到网络，同时网络发送一个CALLPROCEEDING给主叫用户，在此期间网络考察SETUP消息所要求的服务是否能被支持。
如果行，这个SETUP消息就传送给远端用户，远端用户响应了一个CALLPROCEEDING；如果这次呼叫被认可，被叫用户发一个CONNECT信息给网络，这个信息通过网络送到主叫方，然后主叫用户送一个CONNECTACKNOWLEDGE给网络，同时被叫方在UNI上发了CONNECT后，要求网络发一个CONNECTACK给主、被叫双方。
当这个过程成功完成以后，就可以在UNI上发送业务信息。
第四章虚电路的带宽控制和拥塞控制
帧中继网络通过为用户分配带宽控制参数，对每条虚电路上传送的用户信息进行监视和控制，实施带宽管理，以合理地利用带宽资源。
4.1虚电路带宽控制
帧中继网对网内带宽资源是实行动态分配的,其带宽控制通过三个控制参数（Bc、Be、CIR）实现。
同时，每隔Tc时间间隔对虚电路上的数据流量进行监视和控制。
Tc值是通过计算得到的，Tc=Bc/CIR。
CIR（承诺的信息速率）：
是帧中继网的运营部门与用户约定的信息传送速率。
当用户以等于或小于CIR速率传送信息时，在正常情况下应能传送通过。
Bc（承诺的突发量）：
是指在Tc时间间隔内，网路允许用户传送的突发数据量。
Be（超过的突发量）：
是指在Tc时间间隔内，网路允许用户传送的超过Bc的数据量。
Tc的值可在10s内选取。
Tc取值越小，越适应突发性低的应用业务，Tc取值越大，越适应突发性高的应用业务。
从图1－10中可以看出，在Tc时间间隔内：
当传送数据量小于等于Bc时，继续传送收到的帧。
当传送数据量大于等于Bc，但小于等于Bc+Be时，若网络未发现严重拥塞，则将Be范围内传送帧的DE位置1后继续传递；若有严重阻塞，则将这些帧丢弃。
当传送数据量大于等于Bc+Be时，将超过范围的帧丢弃。
每个帧中继用户在使用业务以前，应与运营部门约定一条虚电路上的Bc、Be和CIR值。
4.2网络容量配置
在网络运行初期，网络运营部门为保证CIR范围内用户数据信息的传送，在提供可靠服务的基础上积累网管经验，使中继线容量等于经过该中继线的所有PVC的CIR之和，为用户提供充裕的数据带宽，以防止拥塞的发生。
同时，还可以多提供一些CIR=0的虚电路业务，充分利用帧中继动态分配带宽资源的特点，降低拥护通信费用，以吸引更多用户。
随着用户数量的增加，在运营过程中，随着经验的积累，可逐步增加PVC数量，以保证网络资源的充分利用。
同时，CIR=0的业务应尽量提供给那些利用空闲时间（例如夜间）进行通信的用户，对要求较高的用户应尽量提供有一定CIR值的业务，以防止因发生阻塞而造成用户信息的丢失。
4.3拥塞控制
帧中继技术的重要特点之一是网内带宽动态复用，这样虽然大大提高了带宽的利用率，但当用户同时发送数据，或多个用户超过CIR发送，或中继带宽不够大的情况下往往会发生拥塞现象。
如果对网内发生的轻微拥塞不予以有效的处理，则可能致使拥塞现象渐趋严重甚至造成局部或全网受阻，后果严重。
网络产生拥塞后对用户产生的影响也是逐渐加重的。
主要是吞吐能力降低、时延增大、服务质量下降，甚至不能通信。
因此有必要采取一些有效的技术手段对可能发生的拥塞进行控制。
前面在叙述帧中继帧头的地址字段时提到有三个参数是用于拥塞控制的，它们是FECN、BECN和DE。
具体的拥塞控制措施是：
1．在发生轻微拥塞的情况下，采取如下措施防止进一步恶化；
（1）终点控制策略：
将前向传递的帧的FECN比特置1。
（2）源点控制策略：
将后向传递的帧的BECN比特置1。
2．控制恢复策略
在发生严重拥塞的情况下，将DE=1的帧丢弃。
3．终端的拥塞控制
用户终端在接收到拥塞通知后，应降低收信或发信的信息量，以减少因拥塞而造成的帧的丢失。
使用FECN、BECN参数处理拥塞的设想虽然很好，但并不能达到预期的效果。
这是因为用户设备往往不理会或不能理会网络发给它的拥塞通知，所以不采取必要的降低或暂停发送数据的措施，这样依然会引发网络的拥塞和数据的丢失。
网络在发生拥塞情况下丢弃数据应遵守公平原则。
首先要尽量保证用户的CIR得以通过，对于不同优先级的用户信息，应先丢弃优先级低的，后丢弃优先级高的用户信息。
同时对各用户同等优先级别的数据应是基本均等的丢弃。
ANSI的CLLM（综合链路层管理）也支持拥塞管理。
CLLM在DLCI1023上传递控制信息，在发生拥塞时通知用户。
第五章帧中继用户的接入规程
用户和网络之间的接口称为用户--网络接口（UNI），在UNI接口的用户侧是帧中继接入设备，用于将本地用户设备接入到帧中继网。
帧中继接入设备可以是标准的帧中继终端、帧中继装/拆设备，以及提供LAN接入的网桥或路由器等等。
在UNI接口网络侧的是帧中继网络设备，帧中继网络设备可以是电路交换的，也可以是帧交换的或是信元交换的。
用户接入规程是指帧中继接入设备接入到帧中继网络设备应具有的或实现的规程协议。
对于用户接入规程，ITU-T、ANSI和帧中继论坛各自制订了其有关UNI接口的标准，如表1-3所示。
用户设备接入帧中继时，应符合其中之一的要求，并与帧中继网络设备支持的标准相兼容。
由于这三种标准之间差别并不大，大多数生产厂商都支持这些标准。
用户接入规程主要包括以下几部分内容：
表2-3用户接入规程主要内容
ITU
AN
升级会员 