电子信息工程技术《10.4 帧中继协议及配置》

10.4 帧中继协议及配置
帧中继（Frame Relay，FR）协议是在X.25分组交换技术的基础上发展起来的一种快速分组交换技术，由ITU-T制定。

帧中继是基于虚电路进行数据分组交换，用户的路由器封装帧中继协议，作为DTE设备连接到帧中继网络中的DCE设备（帧中继交换机），其传输速率可达到1600字节/秒，非常适合在广域网中连接局域网。

本节将介绍帧中继的基本工作原理、配置及故障排除方法。

10.4.1 Frame Relay协议概述
帧中继（FR）技术是在数据链路层用简化的方法传送和交换数据单元的快速分组交换技术。

1986年AT&T首先在其有关ISDN的技术规范中提出了帧中继业务；1988年国际电信联盟ITU-T公布第一个有关帧中继业务框架的标准I.122；1989年美国国家标准委员会ANSI开始帧中继技术标准的研究工作；1990年CISCO、DEC、NT和STRATACOM联合创建帧中继委员会；1991年帧中继委员会改名为帧中继论坛，并开始标准的制定工作。

迄今ITU-T、ANSI和帧中继论坛制定了帧中继的一系列标准，帧中继技术日趋完善。

帧中继技术自20世纪80年代初诞生以来，发展非常迅速。

帧中继是基于X.25进行简化的快速分组交换技术，所以在许多使用帧中继的终端应用中，不需要对原有的X.25设备进行硬件上的改造，只需要对其软件进行升级就可以提供帧中继业务。

对比X.25，它去掉了差错控制、流量控制、分组层的功能，从而简化了封装的帧结构，缩短了交换机的处理时间，提高了网络吞吐量，降低了通信时延。

另外，对网络带宽的统计时分复用和动态分配优势也是促进帧中继大力发展的重要因素。

帧中继具有以下特点：
●帧中继技术去掉了网络层的功能，仅提供OSI物理层和数据链路层核心层的功能，从而简化了封装的帧结构，缩短了交换机的处理时间，提高了网络吞吐量，降低了通信时延；
●帧中继协议是基于虚电路的面向连接的交换技术，可以对物理电路实行统计时分复用，即在一个物理连接上可以复用多个逻辑连接，实现了带宽的复用和动态分配，有利于多用户、多速率数据的传输，充分利用了网络资源；
●帧中继链路层完成统计复用、帧透明传输和错误检测等功能；
●帧中继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提供了一套合理的带宽管理；
●帧中继通过滑动窗口机制来控制链路上的数据流量，以防止防止网络拥塞。

10.4.2 帧中继协议原理
作为一种简化X.25的广域网协议，帧中继协议在用户面上它仅完成物理层和链路层的功能，在链路层完成统计复用、帧透明传输和错误检测，但是不提供错误后重传操作；在控制面上提供虚电路的管理，带宽管理和防止阻塞等功能。

帧中继定义了路由器和电信运营商的本地接入交换设备之间的互连过程，图10-26描述了运行在路由器和帧中继交换机之间的帧中继。

（DTE）
图10-26 帧中继工作示意图
帧中继运行机制涉及一些核心术语，现在对它们描述如下：
●数据终端设备（DTE）：DTE位于用户端，是用户端接入广域网的特定网络设备。

例如，路由器、网桥等都属于DTE。

●数据通信设备（DCE）：DCE为运营商的网络互连设备，用于在网络中提供计时、交换服务和在广域网中传输数据。

大多数情况下，广域网中使用的一些调试解调器（帧中继交换机）属于DCE。

在帧中继设备中，每对DTE设备都分配了一个数据链路连接标识符DLCI，以实现在单条物理传输链路上静态地复用多条虚电路（逻辑数据会话链路）。

运营商的DCE设备建立了一个将DCLI映射到出站端口的交换表。

接收到数据帧后，DCE设备将对DCLI进行分析，并将帧传递到相应的出站端口。

在发送第一个数据帧之前，就建立了到目的站的完整数据传输路径。

图10-27为帧中继连接及所用组件。

D
DTE DTE
图10-27 帧中继虚电路连接
●本地接入速率：指用户端路由器到帧中继网络连接链路的时钟脉冲速度，即端口速度。

它是帧进入或离开FR网络的最大速度，与其它设置无关。

虚电路（VC）：用于确保两台DTE设备之间双向通信的逻辑电路，使用数据链路连接标识符DLCI唯一的标识。

它是面向连接的，可以保证用户帧按顺序传送至目的地。

为了便于通过网络传输，单条物理电路可以支持多条VC，能够降低连接多台DTE设备所需的中间设备和网络复杂性，它可以经过任意数目的帧中继交换机等DCE设备。

VC可以分为永久虚电路（PVC）和交换型虚电路（SVC）两种。

○1永久虚电路（PVC）：一种手动设置产生的虚电路，用于提供永久性连接，实现DTE 设备间通过帧中继网络不断的传输数据。

它不需要建立和拆除电路；
○2交换虚电路（SVC）：通过某种协议协商产生的虚电路，提供临时连接，实现DTE 设备间通过帧中继网络间歇性的传输数据。

SVC根据需要动态的创建，并在传输完毕后拆除。

●数据链路连接标识符（DLCI）：长度为10位的数字，用于表示虚电路。

DLCI只在
本地有意义，因为它只在DTE-DCE 之间有效，并不具有端到端的DTE-DTE 之间的有效性。

因此，另一端的设备可能使用不同的DLCI 值来表示同一虚链接。

● 逆向地址解析协议（Inverse ARP ）：一种动态地将远程网络层地址（IP 地址、IPX 地址）与本地DLCI 关联起来的方法，以便让路由器能够动态的知道与VC 相关联的远程DTE 设备的网络层地址。

如果知道了某条虚电路连接的对端设备的协议地址，在本地就可以生成对端协议地址与DLCI 的映射（MAP ），从而避免手工配置地址映射。

帧中继地址映射（MAP ）是把对端设备的协议地址与连接对端设备的DLCI 关联起来，以便高层协议使用对端设备的协议地址能够寻址到对端设备。

逆向地址解析协议的主要功能是求解每条虚电路连接的对端设备的协议地址，包括等。

其基本过程实现如下：
每当发现一条新的虚电路时（前提是本地接口上已配置了协议地址），Inverse ARP 就在该虚电路上发送Inverse ARP 请求报文给对端，该请求报文包含有本地的协议地址，对端设备收到该请求时，可以获得本地的协议地址，从而生成地址映射，并发送Inverse ARP 响应报文进行响应，这样本地同样生成地址映射。

如在Inverse ARP 请求报文的接收端发现对端的协议地址与本地配置的MAP 中的协议地址相同，则不会生成该动态MAP 。

● 本地管理接口（LMI ）：一种用于路由器（DTE ）和本地帧中继交换机（DCE ）之间的信令标准，负责管理路由器和帧中继交换机之间的连接以及维护连接的状态。

LMI 有3中类型：Cisco 、ANSI 和Q933A 。

路由器上必须配置正在使用的LMI 。

LMI 主要用于确定路由器知道的众多PVC 的状态；发送维护连接的数据包，以保证PVC 始终处于激活状态，不因为暂时无数据发送而失败；通知路由器哪些PVC 可以使用。

● 子接口：在帧中继中支持子接口的概念，在一个物理接口上可以定义多个子接口，子接口和主接口共同对应一个物理接口。

子接口只是逻辑上的接口，在逻辑上与主接口的地位是平等的。

在同一个物理接口下的主接口和子接口不能指定相同的DLCI ，因为每个物理接口上的DLCI 必须是唯一的。

子接口主要有以下两点应用：
○
1 在部分网状网络里，解决由水平分割带来的问题为减少路由器环路的产生，水平分割机制不允许路由器把从一个接口进来的更新信息再从该接口发送出去。

如图10-28所示，路由器RA 告诉路由器RD 一条路由信息，由于水平分割机制，路由器RA 不能通过接收此路由信息的S0/0将这条信息告诉路由器RB 和RC 。

DCLI ：200DCLI ：200
S0/0DCLI ：200
路由器RB
路由器RA
路由器RC
Switch 路由器RD
图10-28 帧中继与水平分割 要解决这个问题最好的方法是使用子接口，也就是在一个物理接口上配置多个逻辑接口，每个子接口都有自己的网络地址，就好像一个物理接口一样。

可以在串口线路上定义这些逻辑子接口。

每一个子接口使用一个或多个不同的DLCI 连接到对端的路由器。

在子接口上配置DLCI 后，还需要建立目的端协议地址和该DLCI 的映射。

这样，虽然在路由器RD 上仅拥有一个物理串口S0/0，但是在物理串口S0/0上现在定义了S0/0.1 子接口上的DLCI 到路由器RA ，S0/0.2子接口上的DLCI 到路由器RB 和S0/0.3子接口上的DLCI 到路由器RC 。

通过配置子接口，路由器可以实现相互连接，并能够转发更新信息。

这样在路由器的一个物理接口上就可以避免水平分割带来的影响。

○
2 本端设备与多个远端设备通信，各远端设备端口不在同一网段网络设备通过帧中继网络连接，要求相连的设备属于同一网段。

如图10-28所示，RD 的串口S0/0必须与RA 、RB 和RC 相应端口属于同一网段。

如果远端设备端口不属于同一网段时，使用子接口就可以方便的实现连接，节省物理接口。

如图10-29所示，只要满足相连的两台设备的子接口（如RA 的相应接口与S0/0.1）在同一子网段即可，从而同一台网络设备（路由器RD ）的一个物理接口可以连接多个子网。

DCLI ：200DCLI ：200
S0/0DCLI ：200
路由器RB
路由器RA
路由器RC S0/0.1S0/0.2S0/0.3Switch 路由器RD
图10-29 帧中继子接口
综合帧中继中所使用的上述组件及思路，可以概括出帧中继的基本原理为：
帧中继采用统计复用技术，每一条线路和每一个物理端口可容纳许多虚电路，用户之间通过虚电路进行连接。

在每一帧的帧头中都包含虚电路号—数据链路连接标识符DLCI ，这是每一帧的地址信息。

帧中继的虚电路是由多段DLCI 的逻辑连接链接而构成的端到端的逻辑链路。

目前，帧中继网主要提供永久虚电路PVC 业务，每一个节点中都存在PVC 交换表，其中包含了每一条虚电路的输入链路号和在该输入链路上的DLCI 值及对应的输出链路号和在输出链路上的DLCI 值。

PVC 交换表由是由网络管理部门建立的。

当数据帧进入帧中继网络时，接收节点通过DLCI 值查找PVC 交换表，从而确定帧的发送链路，并在PVC 交换表中找出对应的下段PVC 的号码DLCI ，并变换数据帧中的DLCI 值，然后将帧准确地送往下一节点。

10.4.3 帧中继协议配置方法
1．帧中继基本配置
帧中继的基本配置是指在路由器（DTE ）一个或多个物理端口上配置帧中继，同时，远程路由器支持LMI 和反向ARP 。

帧中继的配置步骤为：
Step1：指定要配置帧中继的DTE 端口
命令：Router#configure terminal
Router(config)#interface interface-id
Router(config-if)#
Step2：为指定的帧中继端口配置网络层地址（IP 地址）
命令：Router(config-if)#ip address ip-address mask
Router(config-if)#
Step3：为指定的帧中继端口封装帧中继协议
命令：Router(config-if)#encapsulation frame-relay [ cisco|ietf ]
Router(config-if)#
参数“cisco”表示用于封装点对点数据流中的帧中继封装类型为Cisco封装，它帧中继是默认的封装类型。

如果要连接到另一台Cisco路由器，可以使用该参数。

参数“ietf”表示帧中继封装类型为遵循IETF标准RFC2427，当连接到非Cisco路由器时，应使用该参数。

Step4：建立LMI连接
命令：Router(config-if)#frame-relay lmi-type cisco|ansi| q933a
Router(config-if)#
Step5：配置链路带宽
命令：Router(config-if)#bandwidth band-val
Router(config-if)#
值得注意的是，该命令影响EIGRP和OSPF等协议的路由选择结果，还将影响其它的计算。

Step6：启用反向ARP
命令：Router(config-if)#frame-relay inverse-arp [protocol] [DLCI]
Router(config-if)#
参数“protocol”指定要使用的协议，可以是IP、IPX、AppleTalk等；参数“DLCI”指定虚电路的DLCI值，在本地路由器端口上将通过该虚电路交换反向ARP消息。

注意，反向ARP默认被启用。

Step7：配置静态映射（Static Map）
静态映射是指当远程路由器不支持反向ARP、FR对等体帧中继封装类型不同或要控制PVC上的广播和组播数据流时，必须静态地将本地DLCI映射到远程路由器的网络层地址。

命令：Router(config-if)#frame-relay map protocol net-address dlci [broadcast] [ietf|cisco|
payload-compress packet-by-packet]
Router(config-if)#
参数含义如下：
●protocol：指定支持的协议、桥接或逻辑链路控制，其值可以是IP、IPX、AppleTalk、DECnet、DLSW、LLC2、RSRB、XNS和Banyan VINES；
●net-address：指定目标路由器端口的网络层地址；
●dcli：指定用于连接到远程协议地址的DLCI值；
●broadcast：允许通过虚电路传输广播或组播，以允许在VC上使用动态路由协议；
●ietf或cisco：启用IETF或Cisco封装；
●Payload-compress packet-by-packet：启用基于分组的有效负载压缩，压缩方法为Cisco 专用的Stacker。

图10-30为一个模拟帧中继网络的拓扑图，路由器RB为Cisco3640，用于模拟帧中继交换机，示例10-5为该网络的帧中继配置过程。

S0/0192.168.123.3/24S0/0S0/0192.168.123.4/24
192.168.123.1/24
S0/0
S0/1S0/2
D L C I :101
D L C I :301
D L C I :
1
02
D L
C I :4
02DLCI:302
DLCI:401Loopback0
192.168.10.1/24
RB
(FR Switch)RD RA
RC 图10-30 帧中继基本配置示例图
路由器RA 、RC 和RD 要做的配置包括端口地址、在串口上封装帧中继并指定LMI 的类型和配置路由。

本示例中路由器RA 、RC 和RD 均使用RIP 路由选择协议。

由于RA 、RB 和RC 的配置相似，此处只给出路由器RA 上的配置过程，如示例10-5-1所示。

示例10-5-1 路由器RA 上路由及帧中继配置过程
路由器RB 需要配置为帧中继交换机，并进行帧中继静态地址映射等相关设置，其配置过程如示例10-5-2所示。

示例10-5-2 路由器RB 上帧中继配置过程
示例10-5-3为使用“show frame-relay map”命令用来查看帧中继的映射结果。

示例10-5-3 查看帧中继的映射
以上输出显示了帧中继反向ARP的作用结果，表明路由器RA、RC和RD每个封装帧中继的接口都包含2条处于活动（active）状态的DLCI；每条记录都显示了远端的IP地址
“dynamic”和本地的DLCI的映射关系；
“broadcast”参数允许在PVC上传输广播或组播流量；
表明是动态映射。

在上述实验中，每台路由器都不能ping通自己的串行口IP地址，但是可以ping通远端封装帧中继的串行口IP地址。

这是因为路由器自己的帧中继映射表中没有自己接口IP地址和DLCI的映射条目。

可使用show frame-relay pvc命令显示每条PVC的状态以及有关数据流的统计信息来验证，其结果如示例10-5-4所示。

示例10-5-4 show frame-relay pvc命令输出结果
PVC状态有如下3种，每种的含义如下所述：
●Active：表明PVC的状态是活跃的，表示成功的端对端（DTE到DTE）电路；
●Inactive：表明成功连接到交换机，但在PVC的另一端未检测到DTE；
Deleted：表明为该DTE配置的DLCI被交换机视为对该接口无效，或PVC不存在。

采用反向ARP做动态映射是解决不了上述问题的，只能通过帧中继静态映射解决。

示例10-5-5为帧中继静态映射配置过程。

示例10-5-5 配置反向ARP静态映射
示例10-5-6为使用show frame-relay map命令查看帧中继静态映射的配置结果。

示例10-5-6 show frame-relay map查看帧中继反向ARP地址映射情况
以上输出表明路由器RA、RC和RD上每个封装了帧中继的接口都采用静态映射。

除了在路由器的端口上进行帧中继基本配置外，帧中继的子接口还可以配置为点到点和点到多点两种模式。

点到点模式的特征为：每个点到点子接口用于建立单条到远程路由器物理接口或子接口的PVC连接；每对点到点路由器都处于一个独立的子网中，而每个点到点子接口都与一个DLCI关联；每个子接口就如同一个物理点到点接口，其上的路由更新信息不受水平分割规则的限制。

多点模式的特征是：一个多点子接口可建立多条到达多个远程路由器物理接口或子接口的PVC连接；所有参与接口都位于同一个子网中；每个子接口如同一个常规NBMA帧中继接口，其上的路由更新信息受水平分割规则的限制。

2．帧中继的点到点子接口配置
Step1：在路由器选择要配置子接口的物理端口；
Step2：使用“no ip address”命令删除选中端口的网络地址；
Step3：为端口封装帧中继协议
Step4：创建子接口，并将其指定为点到点子接口
命令：Router(config-if)#interface interface-id.subinterface-number point-to-point Router(config-subif)#
参数“subinterface-number ”为指定的子接口编号，取值范围为1-4292967293；参数“point-to-point ”指定每对点到点路由器都处于独立子网中。

值得注意的是，配置点到点子接口后，不能将该子接口号再次分配给多点子接口。

相反，应该使用不同的子接口号。

Step5：为子端口配置本地DLCI ，以便其与物理端口区别开来 命令：Router(config-subif)#frame-relay interface-dlci dlci-value
Router(config-subif)#
参数“dlci-value ”指定子端口关联的本地DLCI ，它是将LMI 继承DLCI 与子接口关联起来的唯一方法。

在图10-31所示的网络中，路由器RA 的S0/0上有两个点到点的子接口：S0/0.110和S0/0.120，分别连接路由器RB 和RC ，并且每个子接口都位于不同的子网中。

RB
RC
S0/0
RA
图10-31 帧中继点到点子接口示例
示例10-6为图10-31中所示帧中继网络中路由器RA 端口S0/0上帧中继点到点子接口配置过程。

示例10-6 RA 帧中继点到点子接口配置
3．帧中继多点子接口配置
Step1：在路由器选择要配置子接口的物理端口；
Step2：使用“no ip address ”命令删除选中端口的网络地址； Step3：为端口封装帧中继协议
Step4：创建子接口，并将其指定为点到点子接口
命令：Router(config-if)#interface interface-id.subinterface-number multipoint Router(config-subif)#
Step5：为子接口配置本地DLCI
命令：Router(config-subif)#frame-relay interface-dlci dlci-value
Router(config-subif)#
注意，如果子接口配置多点且启用了反向ARP ，则必须为它配置本地DLCI ，以便其与物理端口区别开；如果多点子接口配置了静态路由映射，则不需要为多点子接口配置本地DLCI 。

在图10-32中，路由器RA 、RB 和RC 都位于子网192.168.110.0/24中。

路由器RA 上端口S0/0为一个多点子接口，连接了3条PVC 。

DLCI 为110的PVC 连接路由器RB ，DLCI 为120的PVC 连接路由器RC ，DLCI 为114的PVC 连接路由器RD 。

RB
RD
FR
S0/0.1
RA
RC
图10-32 帧中继多点子接口配置示例
示例10-7为图10-32中所示帧中继网络中路由器RA 端口S0/0上多点子接口帧中继配置过程。

示例10-7 RA 帧中继点到点子接口配置
配置是需要注意的是，水平分割在路由器多点主接口上默认是被禁用的，但是在帧中继多点子接口上默认为被启用的。

因此，在示例10-7中必须手工关闭在路由器RA的多点子接口上的水平分割规则，以避免因水平分割产生的危害。