Le relais de trame.
Ecrit par Geoffroy Vallée et Thierry Cresson (avril 1999) dans le cadre d'un exposé en Maîtrise Informatique à REIMS.
Lorsque nous avons fait ce dossier, nous nous sommes rendu compte qu'il était difficile de trouver de la documentation française complète sur ce sujet.
Le but de cette page n'est pas de faire une présentation complète du relais de trame mais de faire une introduction la plus complète possible, permettant de comprendre son fonctionnement.
Si jamais vous constatez des erreurs, ou si vous voulez apportez des compléments, n'hésitez pas à nous écrire.
Table des matières.
Introduction.
1 Rappel sur la commutation de trame (Frame Switching).
1.1 Vue générale.
1.2 Rappel sur le LAP-D.
1.3 Contrôle d'erreur et de flux.
2 Relais de trame.
2.1 Historique.
2.2 Introduction.
2.3 Normalisation.
2.4 Correspondance avec le modèle ISO.
2.5 Structure de la trame.
2.6 Routage.
2.7 Les différents types de connexion.
2.8 Le contrôle de flux.
2.9 La voix sur relais de trame.
2.10 Annexe.
Conclusion.
Introduction.
Le relais de trame est une techniques de commutation de niveau 2 qui, à l'origine, ne devait servir que dans la perspective d'un passage d'un réseau à commutation du paquet (de type X25) vers un réseau à commutation de cellules (ATM - Asynchronous Transfer Mode).
Le relais de trame a été normalisé par l'ANSI et par l'UIT-T dans le cadre du RNIS (Réseau Numérique à Intégration de Service).
Le relais de trame est une simplification supplémentaire de la commutation de trames.
1 Rappel sur la commutation de trame (Frame Switching).
1.1 Vue générale.
Le principal but de la commutation de trame (commutation au niveau liaison) est de simplifier le fonctionnement des noeuds du réseau.
En effet, dans une commutation de paquet (de type X25), la réception d'un paquet nécessite tout un procédé d'acquittement , de contrôle et de reprise sur erreur très lourd(attente et acquittement de trames, retransmission en cas d'erreurs, copie de trame en attente d'un acquittement...).
Or, la plus part des réseaux sont aujourd'hui très fiables d'où une possibilité d'alléger les protocoles existants.
En particulier, l'acquittement de proche en proche des réseaux X25 n'est plus nécessaire.
Ainsi, le transit à travers le réseau se fait bien plus rapidement.
La commutation de trame est donc un transport de trame à travers un réseau sans remonter au niveau paquet dans les noeuds intermédiaires.
Ceci implique que le niveau 2 d'un tel réseau devra être assez puissant et qu'il devra, entre autre, remplir les fonctionnalités suivantes en plus de celles de niveau 2:
- adressage multi-point
- adressage de niveau réseau
- les fonctionnalités remplie par la couche réseau
La norme qui a été retenue dans la commutation de trames est celle rencontrée sur les canaux D du RNIS : le LAP-D.
Cette norme inclut par exemple la détection d'erreur et leur correction.
Un autre avantage de la commutation de trame est l'introduction d'une signalisation séparée du transport des données.
Ainsi, la connexion de niveau 2 se fait de manière indépendante de la connexion logique de l'utilisateur.
Les nœuds intermédiaires n'ont donc pas à se soucier de cette connexion.
1.2 Rappel sur le LAP-D.
Le protocole LAP-D a été initialement développé pour véhiculer les informations sur les canaux D, qui eux-même ont été créées pour les réseaux numériques à intégration de services en bande étroite (RNIS).
C'est un protocole de niveau 2 du modèle OSI, de type HDLC.
Le LAP-D sert à véhiculer les informations hors-bande, c'est à dire la signalisation et pour le transfert de données en mode paquet.
Le LAP-D constitue doncun "réseau sémaphore" dans le réseau.
Ces informations peuvent être des informations de service du réseau ou encore des trames.
Cette norme a pour caractéristique un champ d'adressage qui doit définir l'une quelconque des entités connectées sur le LAP-D (celui-ci fonctionnant en multi-point).
Indications sur le champ d'adresses du LAP-D:
- le SAPI (Service Access Point Identifier) est le point d'accès au service réseau. Ce champ sur 6 bits permet de multiplexer sur la même liaison jusqu'à 64 services distincts. Actuellement, seules quatres valeurs sont utilisées :
- 0 pour les contrôles des canaux B (nous ne d\'etaillerons pas ici ce point)
- 1 pour les techniques de commutation de trames (frame switching)
- 16 pour les informations utlisateur
- 63 pour les procédures de maintenance et de test
- le bit CR (Commande Reponse) permet de spécifier si l'on se trouve en mode commande ou reponse
- le TEI (Terminal End-Point) qui identifie les récepteurs, c'est à dire l'adresse multipoint proprement dite (la valeur 127 est r\'eserv\'ee comme adresse de diffusion sur le multipoint).
1.3 Contrôle d'erreur et de flux.
Le contrôle d'erreurs et de flux sont reportés aux extrémités de la connexion d'où une très grande simplification du travail des noeuds.
Néanmoins, la zone de correction d'erreur dans la trame est examinée dans chaque noeud traversé.
En cas d'erreur, la trame sera retransmise à partir du noeud de commutation précédent.
2 Le relais de trame.
2.1 Historique.
Le relais de trame est apparu suite à l'augmentation considérable du trafic lié à l'interconnexion des réseaux locaux, mais également parce que le relais de trame répond aux exigences de l'architecture clients/serveurs.
Un autre point essentiel qui a rendu le développement du relais de trame possible est, comme nous l'avons vu précédemment, la qualité des réseaux actuels.
2.2 Introduction.
Le relais de trame est apparu suite à la volonté du monde industriel de transporter du flux IP avec une qualité de service (QOS) quarantie pour leur application. En effet, IP est devenu le protocole applicatif universel. Or, les opérateurs ne sont pas prêts à fournir des services natifs IP présentant une qualité de service suffisante.
Le relais de trame possède de tels services, et peut donc par exemple convenir dans une certaine mesure à des applications de voix comme nous le verrons ultérieurement.
En effet, le relais de trame peut offrir un débit de 45Mbit/s avec un temps de latence de 20 ms (contre 200 pour X25).
On notera qu'au delà de ces 45Mbit/s, on preferera ATM car le temps de latence augmente et ne correspond plus par exemple au transport de la voix.
Le but n'est pas pour autant de remplacer systématiquement X25.
2.3 Normalisation.
Le relais de trame suit la recommandation de l'UIT-T Q-922.
De plus, le Frame Relay Forum publie régulièrement des recommandation afin d'adapter le relais de trame aux évolutions techniques.
De part ces caractéristiques, on peut considérer que le relais de trame est une amélioration de la recommandation X25.
On retrouvera donc le même type de service et finalement des caractéristiques assez proches.
On peut distinguer 2 modes du relais de trames:
- Le FR1 (Frame Relay 1) où le contrôle de flux et la reprise sur erreurs sont laissés à la charge de l'équipement terminal.
- Le FR2 (Frame Relay 2) où le contrôle de flux et la reprise sur erreurs sont effectués aux extrémités du réseau.
Nous n'entrerons pas ici dans le détail au niveau des différences entre ces deux modes.
2.4 Correspondance avec le modèle ISO.
Rappelons tout d'abord pour la bonne compréhension de la suite que le relais de trame est en quelque sorte une simplification de X25.
Le relais de trame opère au niveau physique et liaison de données du modèle OSI. Les fonctions qui sont habituellement effectuées par X25 à la couche réseau, sont effectu\ées ici au niveau de la liaison de données : multiplexage... etc.
L'architecture du relais de trame fait une distinction entre:
- un plan de contrôle (établissement et fermeture de la connexion).
- un plan utilisateur qui est responsable du transfert des données de bout en bout.
Dans le protocole de plan utilisateur LAP-F (Link Access Procedure for Frame-Mode Bearer Service), qui est une amélioration de LAP-D (Link Access Procedure for D Channel) du RNIS, seules les fonctions suivantes du noyau sont utilisées:
- Délimitation de trame, transparence.
- Multiplexage et démultiplexage de trame.
- Vérfication de la longueur de la trame.
- Détection d'erreur.
- Fonction de contrôle de congestion.
Ce sont les services minimaux n\'ecessaires au transfert de donn\'ees vers un autre utilisateur sans contrôle de flux, ni contrôle d'erreur.
2.5 Structure de trame.
La trame véhiculée dans un réseau en relais de trame est très semblable à celle du LAP-D.
Aussi, comme dans quasiment tous les protocoles de niveau liaison de donnée, la trame est très similaire à celle décrite par l'OSI dans son modèle de réference (cf. HDLC - High Data Level Control).
C'est principalement les zones SAPI (Service Access Point Identifier) et TEPI (Terminal End Point Identifier) qui sont modifiées.
Cela est dû à la difference au niveau de l'adressage des trames du relais de trame.
Détaillons maintenant la structure de la trame:
- La taille des trames peut variée jusqu'à 8 189 octets (à cause de l'encapsulation des données de l'utilisateur dont on ne connaît pas la taille a priori).
- La taille de l'entête de la trame est habituellement de 6 ou 8 octets et d\'epend de la longueur du champ d'adressage.
- La trame est délimitée par des drapeaux (flags) composés de la séquence 01111110.
- La zone de donnée peut contenir d'autres protocoles tels que un paquets X25, SNA ou encore IP.
- Le FCS (Frame Control Sequence) permet d'effectuer un contrôle sur la trame: il est calculé par le FRAD à l'arrivée de la trame à son destinataire.
Si le FCS calculé est différent de celui de la trame, la trame sera détruite; celle-ci devra donc être réémise (tout comme dans HDLC).
L'important est de bien noter que le contrôle sur le FCS n'est effectué qu'à l'arrivée de la trame à son destinataire, et non pas par les noeuds du réseau traversés.
- L'entête de la trame de relais de trame inclus:
- Le DLCI (Data Link Connection Identifier): numéro qui identifie la connexion logique multiplexée sur le support de transfert.
- Le bit 5 est le DE (Discard Eligibility) qui indique si la trame peut être détruite ou non en cas de congestion du réseau.
- Le bit 3 est le FECN (Forward Explicit Congestion Notification) qui permet d'indiquer un problème de congestion au niveau d'un noeud du réseau (bit FECN à 1). Dans ce cas, une fois la trame reçue, le destinataire se met dans un état de 'pause' afin d'anticiper les délais d'arrivée des prochaines trames. Toutes les autres trame arrivant au destinataire devront alors avoir leur bit FECN à 1.
- Le bit 4 est le BECN (Backware Explicit Congestion Notification) peut seulement être envoyé par un routeur du réseau, pour indiquer à l'émetteur un problème de congestion, et pour demander une aide d'un protocole de niveau superieur pour effectuer un contrôle de flux.
- Les bits 2 et 6 sont les bits d'extension d'adresse.
- Le bit 1 est le bit C/R (Command / Reponse).
On se rend compte que la structure de la trame du relais de trame est très proche de celle du LAP-D.
Seules les zones SAPI (Service Access Point Identifier) et TEPI (Terminal End Point Identifier) sont remplacées par la zone d'adresse et le DLCI pour prendre en compte le contexte du relais de trame.
Dans le relais de trame, l'adresse est codée sur deux parties : une deux 6 bits et une de 4 bits, soit au total 10 bits. Il peut donc y avoir 2^10 = 1024 valeurs de DLCI.
Cela peut paraître relativement insuffisant pour les réseaux complexes ou de très grande taille.
Pour pallier à ce problème, deux extensions ont été effectuées : 1 ou 2 octets supplémentaires ont été ajoutés pour obtenir des étiquettes sur 16 ou 32 bits.
2.6 Routage.
Le routage des trames du relais de trame est effectué grâce aux DLCI : la zone d'adresse va servir à router les trames suivant un chemin explicite qui sera mis en place par le plan de signalisation (Circuits Virtuels; point sur lequel nous reviendrons un peu plus tard).
A chaque traversée de noeud, celui-ci est modifié et le chaînage différents des DLCI permet d'effectuer un routage de la trame jusqu'à destination (en suivant le circuit virtuel préalablement établit).
En ce qui concerne l'interconnexion de réseaux héterogènes et d'un réseau relais de trame, deux cas sont possibles:
- le routeur effectuant l'interconnexion supporte le relais de trame et dans ce cas, aucun autre materiel n'est nécessaire.
- le routeur d'interconnexion ne supporte pas le relais de trame, et dans ce cas, il est n\'ecessaire d'ajouter au routeur un FRAD (Frame Relay Acces Device) qui est permet de faire passer l'information sur le relais de trame.
On constate aujourd'hui que de nombreux constructeurs de routeurs fabriquent, ou prévoient de fabriquer, des routeurs capables de supporter les flux sur relais de trame.
2.7 Les différents types de connexion.
Les Circuits Virtuels Permanents (CVP).
Aujourd'hui, la plus part des réseaux basés sur le relais de trame utilise des circuits virtuels permanents.
Ce type de circuit est un lien statique, permanent entre les sites qui ne peut être modifier sans l'intervention de l'administrateur réseau, c'est à dire de l'opérateur.
De la même manière, les Ciruits Virtuels Permanents (Permanent Virtual Circuit - PVC) peuvent être ajoutés ou retirés du service simplement en effectuant une demande au près de l'operateur.
L'ouverture et la fermeture de connexions est automatiquement faite pour chaque connexion, selon le Circuit Virtuel Permanent spécifique et déjà établit.
En effet, quand l'utilisateur et l'operateur de relais de trame se sont mis d'accord sur les services devant être disponibles sur la liaison de relais de trame, un Circuit Virtuel Permanent a été établit avec un débit spécifique, un taux d'erreur adapté aux exigences de l'utilisateur...
De plus, la technologie actuelle permet d'attribuer des priorités differentes aux PVCs.
Ce mécanisme permet de faire transiter des flux de données multimédia tels que la voix (nous détaillerons la voix sur relais de trame un peu plus loin).
Le nombre maximal théorique de circuits virtuels supporté par une connexion physique est de 1024.
Il va sans dire que ce type de connexion n'est pas nécessaire à toutes les applications ne serait-ce que pour une question de coût (le PVC est 'ouvert' en permanence, entrainant un coût assez élevé).
Les Circuits Virtuels Commutés.
Aussi, une évolution du relais de trame est très appréciée: le SVC (Switch Virtual Circuit).
Le SVC permet d'établir un circuit dans le réseau automatiquement et à la demande ces connexions d'où un coût beaucoup moindre, contrairement aux PVCs où le circuit est 'ouvert' en permanence.
Les SVC sont promis depuis 1995 par les operateurs mais aujourd'hui encore peu d'offres sont disponibles même si ce type de connexion permetterait, d'après le Frame Relay Forum, d'élargir considérablement la couverture géographique des réseaux de relais de trame.
Les services sont négociés à chaque connexion, de façon a s'adapter à l'application concernée par la future communication.
La technique du SVC est particulièrement peu coûteuse pour les utilisateurs ayant peu de données à faire transiter sur le réseau puisque les coûts ne seront effectifs que lors de la communication et non pas en permanence comme c'est le cas avec un CPV.
En outre, le relais de trame est capable d'agréger différents types de flux (qui peuvent être, comme nous l'avons indiqué un peu plus haut, des flux X25, SNA, IP ou autres), par multiplexage des flux sur un lien unique.
Un conduit virtuel est attribué à chaque type de flux, doté d'une capacité en bande passante contractuelle, appelée le CIR (Commited information Rate).
2.8 Le contrôle de flux.
Comme nous l'avons vu, il n'y a pas de contrôle de flux.
Il existe seulement des mécanismes d'indication de problèmes de congestion du réseau.
C'est aux machines des utilisateurs finaux de prendre les décisions adéquates.
Le relais de trame ne s'occupe que du transport des données de bout en bout sans gérer les éventuelles problèmes qui peuvent parvenir sur le réseau (le réseau est supposé fiable).
Pendant les intervalles de temps durant lesquels aucune information n'est envoyées sur la connexion, une trame de supervision nommée CCLM (Consolidate Link Layer Management) est utilisée.
Cette trame permet à un noeud congestionné d'indiquer à ces voisins son état de congestion.
Ainsi, chaque voisin pourra à son tour prévenir ces propres voisins et ainsi de suite.
Ainsi, le réseau est "au courant" des problèmes de congestion présents dans le réseau.
2.9 La voix sur relais de trame.
Les operateurs ont récemment introduit le Voice Frame Relay Access Device (VFRAD) qui supporte la transmission de la voix sur les réseaux relais de trame, en donnant la priorité à la voix par rapport aux données afin de garantir un délai de transfert adéquate à la voix.
De nombreux opérateurs offrent aujourd'hui un service de voix sur relais de trame mais la qualité de la voix n'est pas encore systématiquement guarantie.
Chaque materiel pour transporter de la voix sur relais de trame appartient à son constructeur, c'est à dire qu'il n'existe pas à l'heure actuelle de normalisation à ce sujet. Seul une recommandation du Frame Relay Forum a été publiée. Cette recommandation expose un modèle afin d'interconnecter les materiels capables de faire transiter la voix. Cette recommandation se focalise sur la paquetisation des données issues de la voix, sur les algorithmes de compression de la voix et sur la signalisation de la voix au niveau utilisateur.
De plus, avant que la voix soit numérisée, l'écho et les pauses présents dans la communication sont éliminés. Au final, les trames de voix tendent à être plus petites que les trames moyennes de données, aidant ainsi à réduire les délais de transit.
Le relais de trame n'a pas été conçu initialement pour les applications nécessitant un débit constant comme la voix ou la vidéo, et aucune spécification du relais de trame ne peut assurer ce point.
Le relais de trame ne peut pas non plus synchroniser les horloges de l'éméteur et du récépteur, mécanisme nécessaire pour des applications en temps réel.
Jusque récemment, il était impossible de faire transiter correctement de la voix sur relais de trame à cause du délai d'acheminement et de la bande passante disponible.
De plus, la compression de la voix provoque une altération de la qualité du son.
Néanmoins, on assiste aujourd'hui à une amélioration notable du transfert de la voix sur le relais de trame.
2.10 Annexe.
Le relais de trame a amené le développement de nouvelles applications.
En effet, le principal intérêt du relais de trame est d'offrir une qualité de service adéquate aux besoins des utilisateurs.
Il a donc fallu créer de nouvelles applications permettant aux utilisateurs de surveiller la qualité de service offerte par le prestataire afin de vérifier que celui-ci répond bien au contrat.
Conclusion.
Le relais de trame est approprié pour les transfert de gros fichiers, les applications interactives comme les applications CAO ou d'images, ou bien encore les transports de voies haute vitesse multiplexant un grand nombre de voies basses vitesses.
Le relais de trame ne devais servir à l'origine que dans le cadre d'une migration vers un réseau ATM. Néanmoins, on assiste aujourd'hui à un développement très important du relais de trame qui fait que celui-ci commence, dans certain secteur, à prendre la place d'ATM.
Néanmoins, les spécialistes prevoient un augmentation du relais de trame jusqu'à l'an 2000 où celui-ci culminera (au dépend d'une certaine manière d'ATM), pour ensuite diminuer au profis d'ATM.
Avantages:
adapté à l'interconnexion de réseaux locaux : possibilité de faire véhiculer différent type de données sur le même support (IP, SNA d'IBM, la voix ou encore X25).
configuration de la bande passante (gestion possible de la priorité des circuit virtuels et assignation d'une certaine capacité de la bande passante à chaque circuit).
technique peu coûteuse et très souple.
admet les trafics en rafale (bases de données).
Faiblesses:
moins securisé que X25.
dimensionnement difficile et administration délicate.
complexité réclamant souvent la sous-traitance pour les entreprises.
trames de tailles variables (peu propice à la vidéo).
Le principal avantage du relais de trame est réellement la possibilité de configurer à volonté la bande passante, ainsi que la possibilité de faire transiter des flux de données radicalement différents.
Quant au principal défaut, il réside dans la difficulté pour l'entreprise d'évaluer ces besoins en bande passante pour ne pas avoir de coûts inutiles.