V referenčním modelu OSI pokrývá síť Frame Relay fyzickou a spojovou vrstvu. Na fyzické vrstvě se skládá ze síťových zařízení, označovaných jako Frame Relay Switche a z datových linek mezi nimi. K okrajům sítě jsou připojena uživatelská zařízení. To je nejčastěji směrovač připojující lokální síť nebo tzv. FRAD - Frame Relay Access Device. Příklad sítě je vyobrazen na obrázku 1.
Obr.1 Síť Frame Relay
Síť Frame Relay je sítí s přepínáním paketů (packet switching network). Pro ekonomické sdílení přenosových kanálů mezi více uživatelů používá statistické multiplexování. To znamená že rámce jsou na přenosové médium předávány tak jak přicházejí, bez pevně definovaných časových slotů.
Mezitím získaly WAN linky daleko vyšší spolehlivost a menší bitovou chybovost a požadavky na rychlost přenosu dat značně vzrostly. Objevila se potřeba jednoduchého a výkonného přenosového protokolu. Tím se stal protokol Frame Relay, jehož vývoj začal v 80.letech minulého století.
První návrh Frame Relay protokolu vznikl v organizaci CCITT roku 1984. Zpočátku se však nedočkal širšího uplatnění. V roce 1990 vzniklo konzorcium firem Cisco, DEC, Northern Telecom a StrataCom které přišlo s vlastní implementací a navíc s rozšířením původního protokolu navrženého CCITT, označovaným jako LMI (Local Management Interface). Tehdy se k podpoře standardu přidali další výrobci. CCITT a ANSI vydaly své vlastní verze LMI rozšíření. Mezinárodně byl Frame Relay standardizován organizacemi ITU-T a ANSI. Z dříve zmíněného konzorcia čtyř firem vzniklo sdružení výrobců nazývané Frame Relay Forum, které také vydává standardy popisující funkci Frame Relay sítí.
Tento složitý vývoj vedl k existenci několika různých standardů. S tím je třeba počítat při navrhování sítě. Buď musíme používat všechna zařízení od jednoho výrobce nebo taková, která podporují mezinárodně standardizované verze protokolu. Naštěstí mnoho zařízení dovoluje požadovanou verzi protokolu nakonfigurovat.
Síť Frame Relay je spojově orientovanou sítí. To znamená, že dříve než bude možné komunikovat, musí být vytvořen virtuální okruh. Virtuálním okruhem rozumíme logické spojení mezi DTE zařízeními, které je označeno identifikátorem, nazývaným DLCI (Data Link Connection Identifier). Jednou fyzickou linkou mezi DTE zařízením a sítí může procházet několik virtuálních okruhů, každý z nich zakončený na jiném protějším DTE zařízení. Virtuální okruh prochází přes libovolný počet DCE zařízení (switchů), tvořících Frame Relay síť.
Virtuální okruhy mohou být dvou typů : PVC (Permanent Virtual Circuit) nebo SVC (Switched Virtual Circuit).
PVC okruhy jsou jednoduché a ve Frame Relay sítích velmi často používané. Vyžadují však při návrhu pečlivé plánování založené na znalosti datových toků v navrhované síti.
SVC okruh tedy prochází čtyřmi funkčními stavy :
Hodnotu DLCI pro PVC okruhy přiřazuje poskytovatel sítě. Některé DLCI jsou vyhrazeny pro účely signalizace, pro uživatelské okruhy se používá rozsah 16 až 1007.
Pro řízení toku dat se používá jednoduchý mechanismus, který může pomocí příznakových bitů v hlavičce rámce informovat odesílatele nebo příjemce, že v průběhu přenosu došlo v některém místě sítě k přetížení. Tomuto mechanismu se budeme blíže věnovat v dalším textu.
Každý rámec začíná značkou (flag), která slouží k identifikaci začátku rámce. Formát této značky je binárně 01111110. Šest za sebou následujících jedniček se nesmí vyskytnout na jiném místě rámce než v počáteční nebo koncové značce. Pokud by se šest jedniček mělo objevit v přenášených datech, dojde po páté jedničce k automatickému vložení nuly. Na přijímací straně je nula zase samočinně odstraněna. Tahle technika se někdy nazývá bit stuffing. Pokud se na datovém okruhu právě nepřenášejí žádné rámce, nepřetržitě se vysílají značky.
Za počáteční značkou následuje dvoubajtová hlavička Frame Relay rámce. V ní je nejdůležitější položkou desetibitový DLCI identifikátor. Je rozdělený na dvě části délky 6 a 4 bitů. Bit C/R (Command/Response bit) slouží pro účely vyšších vrstev protokolů. Bity EA (Extended Address) nám hodnotou 0 říkají, že bude následovat další bajt hlavičky, v posledním (tedy druhém) bajtu hlavičky má EA bit hodnotu 1. To nám umožňuje v budoucích verzích protokolu pouhou změnou těchto bitů prodloužit hlavičku např. na tři nebo čtyři bajty. Bity FECN, BECN a DE se používají k řízení toku dat.
Za hlavičkou následuje datová část paketu, která může mít proměnnou délku. Maximální délka této části je 8kB.
Každý rámec je zakončen kontrolním součtem (FCS,Frame Check Sequence) a koncovou značkou. Pro tu platí totéž co pro počáteční značku.
Na obrázku 4 je část rámce Frame Relay, zachyceného protokolovým analyzátorem. Vidíte výše popsanou hlavičku rámce, za ní následuje pole FRF.3 (standard Frame Relay Fora pro multiprotokolovou enkapsulaci). Ten nám v položce NLPID (Network Layer Protocol ID) říká jaký protokol je v tomto rámci přenášen. Za ním je již běžná hlavička IP protokolu.
Frame Relay: Type: User-Data
Frame Relay: FCS: 0xF589
Frame Relay: Frame - Relay Header: 6225
Frame Relay: 000110..0101.... DLCI: 101
Frame Relay: ......0......... C/R
Frame Relay: .......0........ EA1
Frame Relay: ............0... FECN
Frame Relay: .............0.. BECN
Frame Relay: ..............0. DE
Frame Relay: ...............1 EA2
FRF.3: Control is UI
FRF.3: NLPID is IP
IP: Version = 4
IP: Total Length = 100
IP: Identification = 15
IP: Flags & Fragment Offset: 0x0000
IP: .0.............. May Fragment
IP: ..0............. Last Fragment
IP: Fragment Offset = 0 [Bytes]
IP: Time to Live = 255 [Seconds/Hops]
IP: Protocol: 1 ICMP
IP: Header Checksum = 0xA585
IP: Source Address = 10.1.1.2
IP: Destination Address = 10.1.1.1
... atd ...
Obr.4 Hlavička rámce Frame Relay s IP paketem