Frame Relay
프레임 릴레이는 데이터 링크 계층에서 작동하는 스위칭 방식의 프로토콜로, 가상 회선(Virtual Circuit)을 사용하여 데이터 전송 단위를 “프레임”으로 처리한다.
주로 WAN(광역 네트워크) 환경에서 사용되며, X.25 프로토콜의 대체로 등장했다.
프레임 릴레이는 오류 제어나 흐름 제어를 네트워크에서 수행하지 않고, 대신 종단 시스템(End System)이 담당하도록 설계되었기 때문에 불필요한 복잡성을 줄이고 전송 속도를 높였다.
데이터를 전송하기 위해 실제 전용 회선처럼 보이는 가상 통신 경로를 제공하는데
미리 설정된 경로를 따라 데이터가 전송하는 고정 가상 회선(PVC)과,
필요할 때 경로를 설정하고 통신 종료 시 경로를 해제하는 동적 가상 회선(SVC)이 있다.
HDLC 캡슐화를 사용하여 여러 가상 회선을 동시에 처리할 수 있어서 효율적이고, 구조 자체가 간소화되어 전송도 빠르다.
SDM (Statistical Division Multiplexing)
공유된 물리적 채널을 통해 여러 가상 회선(Virtual Circuits)을 동적으로 다중화(Multiplexing)하는 기술이다.
각 가상 회선은 DLCI(Data Link Connection Identifier)를 통해 식별하고
전송 데이터 패킷의 통계적 분포를 활용하여 유휴(idle) 대역폭을 동적으로 재분배한다.
Frame Relay는 SDM을 데이터 전송 및 가상 회선 관리에 적용하여, 네트워크 자원을 동적으로 활용하고 데이터 전송 효율성을 극대화한다.
Frame Relay가 어떻게 작동하는지를 보여주는 예시다.
여기에서 DTE (Data Terminal Equipment)는고객 측 장치로, 라우터나 컴퓨터와 같은 장비를 의미한다. 데이터를 생성하거나 수신하며 네트워크에 접속한다.
DCE (Data Circuit-Terminating Equipment)는 서비스 제공자 측 장치로, 프레임 릴레이 네트워크에서 데이터를 전달하는 역할을 한다.
주로 프레임 릴레이 스위치가 이에 해당하며, 네트워크 내부에서 데이터가 올바른 가상 회선을 따라 전송되도록 한다.
이 과정은 데이터 링크 계층에서 HDLC (High-Level Data Link Control) 기반의 프레임 캡슐화를 통해 데이터가 네트워크에서 전송될 수 있도록 한다.
DLCI (Data Link Connection Identifier)를 통해 각 가상 회선을 식별하고, 가상 회선을 통해 데이터가 이동하며
프레임 릴레이 스위치에 의해 경로가 설정되고 전송되는 과정이다.
여기에서 말하고 있는 가상 회선에는 2가지 개념이 있다.
PVC (Permanent Virtual Circuit)는 미리 설정된 경로를 따라 데이터가 항상 전송 가능한 상태로 유지되는 가상 회선이다.
PVC는 ISDN과 달리 호출 절차(Call Setup)가 필요 없기 때문에 설정 시간과 데이터 전송 딜레이가 감소하므로, 네트워크가 빠르게 데이터를 처리할 수 있다.
위 이미지에서 보이는 DTE(고객 장비)와 DCE(프레임 릴레이 스위치) 간 연결 또한 PVC를 통해 이루어지고 있다.
SVC (Switched Virtual Circuit)는 필요할 때마다 연결을 설정하고 사용 후 연결을 종료하는 방식이다.
ISDN과 유사하게 호출 절차(Call Setup)를 통해 경로를 동적으로 결정한다.
만약 네트워크가 특정 상황에서만 데이터를 전송해야 한다면 SVC를 활용할 수 있다.
PVC에 비해 설정 및 종료 과정에서 시간이 소요되기 때문에 실시간 데이터 전송이 요구되는 환경에서는 적합하지 않다.
DLCI (Data Link Connection Identifier)
DLCI는 가상 회선(Virtual Circuit, VC)을 식별하는 데 사용된다.
하나의 Frame Relay 네트워크에서 여러 논리적 데이터 전송을 멀티플렉싱할 수 있도록 각 DTE 쌍마다 고유의 DLCI 값이 할당된다.
이 때 DLCI는 Frame Relay WAN 전체에서 서로 다를 수도 있다.
예를 들어 두 DTE 장치가 동일한 가상 회선에 연결되어 있을 때, 각 장치는 서로 다른 DLCI 값을 사용해 동일한 연결을 참조할 수 있다.
스위칭 테이블은 포트와 DLCI를 기준으로 설정된다.
구성 요소 필드
- IN_Port: 데이터가 들어오는 포트.
- IN_DLCI: 입력 데이터의 DLCI 값.
- OUT_Port: 데이터가 나가는 포트.
- OUT_DLCI: 출력 데이터의 DLCI 값.
데이터는 이러한 테이블에 따라 경로가 결정되어 전송된다.
LMI (Local Management Interface)
LMI는 프레임 릴레이 네트워크에서 DLCI 할당 및 연결 상태를 관리하는 신호 표준이다.
가상 회선의 통신이 원활하게 이루어지도록 DLCI 할당 및 관리 기능을 제공하고
두 장치 간 연결 상태를 유지하며 네트워크 안정성을 보장한다.
또한 네트워크 혼잡 상황에 대한 정보를 제공하고 트래픽을 효율적으로 조절한다.
여기에서 혼잡 상황에 대한 제어는 두 가지 Congestion Control 메커니즘을 사용한다.
- FECN (Forward Explicit Congestion Notification):
- 수신 DTE에 혼잡 상황 발생을 알림.
- 수신 DTE가 혼잡 회피 절차를 구현하여 네트워크 자원을 최적화할 수 있도록 지원.
- BECN (Backward Explicit Congestion Notification):
- 송신 DTE에 혼잡 상태를 알림.
- 송신 DTE는 데이터 전송 속도를 25% 감소시켜 네트워크 부하를 줄이고 효율성을 높임.
Frame Relay Mapping
라우터가 DLCI를 사용하여 IP 주소와 같은 데이터를 연결하는 과정이다.
이 과정은 네트워크 계층 간의 맵핑으로 볼 수 있다.
- Layer 2 (DLCI): 데이터 링크 계층에서 프레임의 전송에 사용.
- Layer 3 (IP): 네트워크 계층에서 상위 프로토콜의 주소 정보와 연결.
매핑 방식은 정적, 동적 매핑이 있다.
관리자가 수동으로 설정하는 정적 매핑은 네트워크가 안정적일 때 적합하지만, 관리 오버헤드가 발생할 수 있다.
Inverse ARP를 사용해 자동으로 매핑을 생성하는 동적 매핑은 라우터가 다른 장치의 IP 주소를 학습하고 대응하는 DLCI를 찾는다.
동적 매핑 방식에서 말하고 있는 Inverse ARP (Inverse Address Resolution Protocol)는 프레임 릴레이 네트워크에서 DLCI(Data Link Connection Identifier)와 다음 홉의 IP 주소를 매핑하는 프로토콜이다.
동작 과정은 다음과 같다.
- 요청:
- 라우터는 인터페이스에 연결된 모든 DLCI에 대해 Inverse ARP 요청을 보낸다.
- 각 프로토콜(IP, IPX 등)에 대해 별도의 요청이 전송된다.
- 응답:
- 요청을 받은 장치는 자신이 사용하는 IP 주소를 응답으로 라우터에 보낸다.
- 맵 구성:
- 라우터는 응답을 기반으로 DLCI와 IP 주소 간의 매핑 테이블을 생성한다.
- 이 매핑 테이블을 활용해 각 DLCI가 대응하는 IP 주소로 데이터를 전달한다.
Subinterface
위 그림의 Serial0.1, Serial0.2, Serial0.3 처럼, 하나의 물리적 인터페이스를 논리적으로 나눠서 각 서브인터페이스가 독립적인 네트워크나 서브넷처럼 동작하게 할 수 있다.
특히 여러 PVC(Permanent Virtual Circuit)를 설정할 때 중요하다.
이렇게 물리적으로 인터페이스를 추가하지 않더라도 여러 PVC를 지원하여 네트워크 확장이 용이하다.
또한 서브 인터페이스는 Split Horizon 문제를 해결할 수 있다.
Split Horizon은 라우팅 프로토콜에서 동일한 인터페이스로 받은 경로 정보를 다시 동일한 인터페이스로 전송하지 않는 규칙이다. (또는 라우팅 테이블 불일치)
이 규칙은 잘못된 라우팅 경로를 방지하지만, 멀티포인트 환경에서는 네트워크 구성에 제한을 줄 수 있다.
이 때, 서브인터페이스를 사용하면 논리적으로 독립된 인터페이스로 처리되므로 Split Horizon 규칙이 적용되지 않아 문제를 해결할 수 있다.
Subinterface는 다음과 같은 방법으로 구성될 수 있다.
Point-to-Point 링크
각 서브인터페이스를 개별 PVC에 연결하여 독립적인 네트워크 또는 서브넷을 구성한다.
이렇게 Point-to-Point 링크를 사용하여 스플릿 호라이즌 문제를 피할 수 있다.
위 그림처럼 SO.1 (192.168.1.1), SO.2 (192.168.2.1), SO.3 (192.168.3.1).
멀티포인트 구성
하나의 인터페이스를 통해 다중 네트워크(라우터)를 연결한다.
각 PVC는 개별적으로 IP 네트워크를 형성하며, 논리적으로 독립적이다.
이 방법은 스플릿 호라이즌 문제가 발생할 가능성이 있다.
참고 그림
Point-to-Point 링크 서브인터페이스
멀티 포인트 서브인터페이스
Frame Relay의 프레임 구조
- Flag: 프레임의 시작과 끝을 나타내는 비트 패턴(0x7E).
- Address Field:
- DLCI: 가상 회선 식별.
- FECN, BECN, DE: 혼잡 제어 및 데이터 삭제 자격 표시.
- Control Field: 데이터 전송 제어.
- Information Field: 실제 데이터가 포함된 부분.
- FCS (Frame Check Sequence): 오류 감지 및 프레임 무결성 확인.
Frame Relay 구성 및 설정 단계 요약
Frame Relay 구성 단계
- 라우터 접속 및 전역 구성 모드 진입
- CLI에 접속하여 전역 구성 모드로 진입.
- 시리얼 인터페이스 선택
- Frame Relay를 활성화할 시리얼 인터페이스를 선택.
- Frame Relay 캡슐화 설정
- Cisco 기본 캡슐화 또는 IETF 캡슐화 설정.
- 서브인터페이스 구성
- Point-to-Point 또는 Multipoint 서브인터페이스를 설정.
- DLCI와 IP 주소 매핑
- DLCI와 IP 주소를 매핑하여 논리적 연결 구성.
- LMI(Local Management Interface) 설정
- 필요 시 LMI 유형 명시적으로 설정.
- 구성 저장
- 설정 내용을 저장하여 유지.
Frame Relay 설정 확인 단계
- 시리얼 인터페이스 상태 확인
- 인터페이스 상태, 속도, DLCI 정보 확인.
- DLCI와 IP 매핑 확인
- 목적지 IP와 DLCI 간 매핑 정보 확인.
- PVC 상태 확인
- PVC 상태와 FECN/BECN 패킷 수 확인.
- LMI 상태 확인
- 라우터와 Frame Relay 스위치 간의 LMI 상태 확인.
Frame Relay의 장점
효율성: 단순한 프로토콜 구조로 고속 데이터 전송 가능.
확장성: 서브인터페이스를 통해 여러 가상 회선을 처리 가능.
비용 절감: 추가 장비 없이 물리적 자원을 최대한 활용.
네트워크 안정성: Split Horizon 문제 해결 및 독립적인 라우팅 관리.