УДК 004.056.5

Сравнение протоколов канального уровня различных вендоров

Ромадов Александр Николаевич – студент Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Аннотация. Данная статья проводит сравнительный анализ различных протоколов канального уровня, используемых в компьютерных сетях. Для каждого протокола представлена информация о его создателе или принадлежности к вендору, а также подробное описание его функциональности и характеристик. Кроме того, проведен сравнительный анализ протоколов, включающий такие аспекты, как пропускная способность, задержка, масштабируемость и применение. Статья поможет читателям получить полное представление о различных протоколах канального уровня и сделать осознанный выбор в соответствии с требованиями и особенностями их сетей.

Ключевые слова. Протоколы канального уровня, сравнительный анализ, пропускная способность, задержка, масштабируемость, топология сети, безопасность, применение.

Протоколы канального уровня играют ключевую роль в передаче данных в компьютерных сетях. Они обеспечивают надежность и эффективность коммуникации между устройствами, управляют потоком данных и осуществляют обнаружение и исправление ошибок. В данной статье мы проведем сравнительный анализ реально существующих протоколов канального уровня от разных вендоров, рассмотрим их особенности и сравним их преимущества и недостатки.

Обзор протоколов

Ethernet (стандарт IEEE 802.3):

Ethernet — это стандартный протокол канального уровня, разработанный компанией Xerox Corporation в 1970-х годах. В настоящее время Ethernet — это широко используемый протокол, поддерживаемый множеством производителей, включая Cisco, Juniper Networks, HP, Dell и других. Он обеспечивает высокую скорость передачи данных и широкую совместимость.

Основные характеристики:

  • Ethernet — это наиболее распространенный протокол канального уровня в современных компьютерных сетях.
  • Ethernet обеспечивает высокую скорость передачи данных, начиная от 10 Mbps (Ethernet 10BASE-T) и до многогигабитных скоростей, таких как 1 Gbps (Gigabit Ethernet), 10 Gbps (10 Gigabit Ethernet), 40 Gbps и 100 Gbps.
  • Ethernet поддерживает различные типы сред передачи данных, включая витую пару, оптоволокно и беспроводные интерфейсы. Это позволяет адаптировать сеть к конкретным требованиям и условиям эксплуатации.
  • Сети Ethernet могут быть масштабированы от небольших локальных сетей до крупных корпоративных сетей, охватывающих большие территории. Это достигается путем соединения коммутаторов и маршрутизаторов, использования VLAN и межсетевых экранов.
  • Ethernet позволяет добавлять новые функциональности и возможности, такие как Quality of Service (QoS), Power over Ethernet (PoE) для питания устройств, а также поддержку сетевых протоколов более высоких уровней, таких как IP и TCP/UDP.
  • Ethernet совместим с различными устройствами и производителями. [1]

Wi-Fi (стандарты IEEE 802.11):

Wi-Fi — это беспроводной протокол канального уровня, который позволяет устройствам подключаться к локальным сетям без использования проводных соединений. Основные характеристики Wi-Fi:

  • Wi-Fi обеспечивает беспроводную связь между устройствами, позволяя им передавать данные по воздуху без необходимости физического подключения.
  • Wi-Fi работает на различных стандартах, таких как IEEE 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac и 802.11ax (Wi-Fi 6), каждый из которых определяет различные скорости передачи данных и поддерживает разные частотные диапазоны (2,4 ГГц и/или 5 ГГц).
  • Wi-Fi поддерживает различные механизмы безопасности, такие как WEP, WPA, WPA2 и WPA3, для защиты сети и данных от несанкционированного доступа.

Token Ring (стандарт IEEE 802.5):

Token Ring был разработан компанией IBM в 1980-х годах. Он был популярен в сетях IBM и предоставлял кольцевую топологию. В настоящее время Token Ring уступил место Ethernet и не используется широко. Помимо того, что он был особенно популярен среди пользователей IBM, данный протокол также был принят другими производителями, включая HP и F5 Networks. Основные характеристики Token Ring:

  • Протокол Token Ring использует физическую топологию кольца (Ring). Каждое устройство в сети подключается к соседнему устройству, образуя закольцованную структуру. Это обеспечивает надежную и предсказуемую передачу данных.[2]
  • В протоколе Token Ring используется механизм передачи токена, который передается последовательно каждому устройству в кольце. Устройство, удерживающее токен, имеет право передавать данные по сети.
  • Поскольку устройство имеет монопольный доступ к среде передачи данных, в протоколе Token Ring отсутствуют коллизии.
  • Протокол Token Ring поддерживает различные скорости передачи данных, включая 4 Mbps и 16 Mbps. Однако, более высокие скорости, такие как 100 Mbps и выше, не поддерживаются.
  • Протокол Token Ring обладает высокой надежностью благодаря физическому кольцевому соединению. Если одно из устройств выходит из строя, остальные устройства в кольце могут продолжать функционировать без проблем.

FDDI (Fiber Distributed Data Interface): FDDI был разработан American National Standards Institute (ANSI) и представлен в1987 году.FDDI — это протокол канального уровня, использующий оптоволоконные каналы передачи данных. Он предназначен для сетей с высокой пропускной способностью и отказоустойчивостью. FDDI использовался крупными организациями и вендорами, включая Cisco, HP и Juniper Networks. Сегодня FDDI не так широко распространен и был замещен Ethernet и оптоволоконными технологиями. Особенности этого протокола включают:

физическую топологию кольца (Ring), использование концепции двойного кольца, где данные передаются одновременно в двух противоположных направлениях по двум независимым кольцам. Это обеспечивает резервирование пути передачи данных и повышает надежность сети. [3]

FDDI использует оптическое волокно в качестве среды передачи данных. Оптические кабели обеспечивают высокую пропускную способность, дальность передачи и иммунитет к электромагнитным помехам. Протокол FDDI также использует механизм передачи токена, аналогичный протоколу Token Ring. Высокая скорость передачи данных: FDDI обеспечивает высокую скорость передачи данных до 100 Mbps.

ATM (Asynchronous Transfer Mode): Протокол ATM был разработан в индустриальной группе ATM Forum и является стандартом для передачи данных в сетях широкополосного доступа. Он использует сотовую структуру данных, где информация разбивается на фиксированные размеры ячеек (cell) по 53 байта. ATM считается устаревшим, он был популярен в сетях проводного широкополосного доступа и телекоммуникационных сетях до 2000-х годов. Его основные особенности включают:

Коммутацию каналов, где данные передаются в виде ячеек фиксированного размера (53 байта) по заранее установленным каналам. Такая структура обеспечивает эффективное использование пропускной способности сети.

Поддержку различных типов трафика, включая голос, видео и данные.

Асинхронную передачу данных, что означает, что каждая клетка передается независимо и мгновенно. Это позволяет обрабатывать различные типы трафика, такие как голос, видео и данные, с разными требованиями к пропускной способности и задержкам. Возможности качества обслуживания (QoS) для гарантированной доставки данных с определенными параметрами задержки и пропускной способности. [4]

Масштабируемость: ATM обеспечивает высокую масштабируемость и позволяет подключать большое количество узлов к сети.

CDP (Cisco Discovery Protocol): CDP является проприетарным протоколом, разработанным Cisco Systems. Он используется для обнаружения и получения информации о соседних сетевых устройствах, работающих с оборудованием Cisco. Основные функции:

Передача информации о соседних устройствах, таких как модель, тип, версия программного обеспечения и подключенные интерфейсы. Передача информации происходит автоматически. Это упрощает процесс конфигурации и управления сетью.

Возможность использования CDP для обнаружения и отладки проблем в сети, а также для оптимизации конфигурации сетевого оборудования Cisco.

LLDP (Link Layer Discovery Protocol): LLDP является стандартным протоколом канального уровня, определенным в стандарте IEEE 802.1AB. Он предоставляет средство обнаружения и передачи информации о соседних устройствах в сети. Основные функции LLDP сопоставимы с функциями протокола CDP.

STP (Spanning Tree Protocol): STP был разработан Radia Perlman и стандартизирован IEEE 802.1D. STP является протоколом, разработанным для предотвращения петель в коммутируемых сетях Ethernet. STP поддерживается различными вендорами, включая Cisco, Juniper Networks, HP и других.

Основные функции:

  • Обнаружение и блокирование петлевых путей в сети, чтобы предотвратить возникновение бесконечных циклов и проблем с коммутацией.
  • Выбор основного маршрутизатора (root bridge), который играет роль центрального элемента в определении логической топологии сети.
  • Автоматическое восстановление соединений в случае отказа основного пути, чтобы обеспечить непрерывность работы сети.
  • Расчет стоимости пути для каждого порта на основе пропускной способности. [5]

PVST (Per-VLAN Spanning Tree): является вариантом протокола STP (Spanning Tree Protocol), разработанного компанией Cisco Systems. PVST создает отдельное дерево Spanning Tree для каждого VLAN в сети. Это позволяет более эффективно использовать пропускную способность коммутаторов и предотвращает петли в каждом VLAN. В целом, этот протокол расширяет возможности стандартного протокола STP.

PAgP (Port Aggregation Protocol): разработан компаниейCisco Systems. PAgP позволяет объединять несколько физических портов на коммутаторе в логическую группу EtherChannel. Это повышает пропускную способность и обеспечивает избыточность, распределяя трафик между группой портов.

LACP (Link Aggregation Control Protocol): также известный как IEEE 802.3ad, является стандартным протоколом для объединения нескольких физических портов в логическую группу EtherChannel. Он позволяет различным вендорам обеспечивать объединение портов в сети. Является полным аналогом PAgP.

Сравнение

Теперь проведем небольшой сравнительный анализ всех протоколов канального уровня, рассмотренных в данной статье. Так как многие из представленных протоколов различаются по функционалу, ниже будут приведены сравнения, как мне кажется, основных аспектов, на которые стоит обратить внимание при выборе того или иного протокола.

Пропускная способность

  • Ethernet: Стандарт Ethernet поддерживает различные скорости передачи данных, включая 10 Мбит/с (Ethernet), 100 Мбит/с (Fast Ethernet), 1 Гбит/с (Gigabit Ethernet) и 10 Гбит/с (10 Gigabit Ethernet). Это позволяет выбрать наиболее подходящую пропускную способность для конкретной сети. [6]
  • Wi-Fi: Пропускная способность Wi-Fi ограничена и зависит от версии стандарта. Например, 802.11n может достигать скорости до 600 Мбит/с, а 802.11ax (Wi-Fi 6) - скорости до нескольких гигабит в секунду. Wi-Fi предоставляет беспроводное подключение, что удобно для подключения портативных устройств, таких как мобильные телефоны. Но необходимо помнить, что беспроводная связь подвержена помехам.
  • Token Ring и FDDI: Эти стандарты обеспечивают более узкую пропускную способность, до 16 Мбит/с и 100 Мбит/с соответственно, и могут быть предпочтительны для специфических сетевых требований.
  • ATM: ATM предлагает предсказуемую пропускную способность благодаря использованию фиксированных размеров ячеек. Это отличает его от Ethernet и Wi-Fi, которые имеют переменную пропускную способность в зависимости от загруженности сети. Однако, скорость соединения у данного протокола недостаточна для конкуренции с Ethernet и Wi-Fi.

Задержка

  • Ethernet и Wi-Fi имеют низкую задержку, что делает их подходящими для приложений с низкой латентностью, использующих передачу голоса или видео в реальном времени.
  • Token Ring и FDDI имеют более высокую задержку, связанную с кольцевой топологией, что делает их менее подходящими для приложений с высокой латентностью.
  • ATM широко использовался в устройствах ADSL для каналов с пропускной способностью не более 2 Мбит/с для передачи аудио/видео потоков благодаря низкой задержке. [7]

Масштабируемость

  • Ethernet и Wi-Fi обладают высокой масштабируемостью и могут поддерживать большое количество узлов в сети.
  • TokenRing и FDDI имеют ограничения в масштабируемости, связанные с кольцевой топологией, и обычно применяются в средних и малых сетях.
  • ATM обладает высокой масштабируемостью и раньше использовался в глобальных сетях.

Топология сети

  • Ethernet и Wi-Fi могут работать в самых различных топологиях.
  • FDDI и Token Ring основаны на кольцевой топологии. FDDI так же обеспечивает высокую надежность и отказоустойчивость благодаря двум кольцам.

Безопасность

  • Ethernet и Wi-Fi предлагают различные механизмы безопасности, такие как шифрование и аутентификация, чтобы обеспечить защиту данных в сети. Например, Wi-Fi имеет функции безопасности, такие как шифрование WPA2/WPA3 и аутентификацию с использованием протокола 802.1X.
  • Token Ring и FDDI поддерживают лишь механизмы обнаружения и исправления ошибок, что повышает надежность передачи данных.

Применение:

  • Ethernet широко применяется в проводных сетях, включая локальные сети организаций.
  • Wi-Fi популярен для беспроводной связи в домашних и офисных условиях.
  • Token Ring и FDDI имеют специализированное применение в сетях с высокими требованиями к надежности и пропускной способности.
  • ATM на данный момент практически не используется. В 2009 году компания Uvum предсказала его исчезновение к 2014 году, но он, вероятно, все еще используется в узкоспециализированных областях.
  • STP применяется в коммутационных Ethernet-сетях для предотвращения образования петель. Его аналогами являются STP версии 2 и протокол PVST, расширяющий функциональность STP для работы с VLAN.

CDP и LLDP очень схожи. Главное отличие в том, что CDP является проприетарным протоколом Cisco Systems, а LLDP - стандартным протоколом IEEE 802.1AB. LLDP универсален и заменяет аналогичные проприетарные протоколы.

PAgP и LACP также имеют много общего. Основное отличие заключается в названиях режимов работы:

  • Пассивный (Auto в PAgP) режим ставит порт в пассивное состояние согласования. В этом режиме порт отвечает на полученные пакеты LACP (PAgP), но не инициирует согласование пакетов LACP (PAgP).
  • Активный (DESIRABLE в PAgP) режим переводит порт в активное состояние согласования, в котором порт инициирует согласование с другими портами, отправляя пакеты LACP (PAgP).

PAgP работает только на устройствах Cisco, в то время как LACP является его альтернативой и не привязан к определенному производителю оборудования. [8]

Вывод

Каждый из рассмотренных протоколов канального уровня имеет свои особенности и преимущества. Выбор протокола зависит от конкретных требований сети, таких как пропускная способность, топология, безопасность и применение. Ethernet и Wi-Fi являются наиболее распространенными и широко применяемыми протоколами, которые практически вытеснили используемые для специализированных сценариев Token Ring и FDDI. С выбором остальных протоколов не должно возникать никаких проблем. Если сеть построена на основе конкретного производителя, например Cisco, то предпочтительнее выбирать для использования его проприетарные протоколы, ведь они, как правило, работают лучше. Если у выбранного производителя нет своих протоколов или сеть состоит из разных устройств, то выбор падет на стандартные протоколы. Исходя из этого, важно тщательно оценить требования сети и выбрать подходящий протокол, который обеспечит оптимальную производительность и функциональность.

Список литературы

  1. Computronium [Электронный ресурс]: Проприетарные протоколы и их аналоги. URL: http://1921680255.blogspot.com/2019/10/blog-post.html (дата обращения 19.05.2023)
  2. Control Engineering [Электронный ресурс]: Краткий путеводитель по беспроводным технологиям «Интернета вещей». Часть 3. Wi-Fi. URL: https://clck.ru/34Tmra (дата обращения 19.05.2023)
  3. Kunegin [Электронный ресурс]: Развитие технологии беспроводных сетей: стандарт IEEE 802.11. Wi-Fi. URL: https://clck.ru/34Tmsy (дата обращения 19.05.2023)
  4. Штеренберг, С. И. Обеспечение безопасности на высокоуровневой среде Windows / С. И. Штеренберг, Г. С. Бударный, Р. Р. Ахметов // Региональная информатика (РИ-2022): Юбилейная XVIII Санкт-Петербургская международная конференция. 2022. – С. 585-586.
  5. The Astrology Page [Электронный ресурс]: что такое протокол обнаружения Cisco (CDP). URL: https://ru.theastrologypage.com/cisco-discovery- protocol (дата обращения 19.05.2023)
  6. FS community [Электронный ресурс]: LACP и PAGP: в чём разница. URL: https://community.fs.com/ru/blog/lacp-vs-pagp-comparison.html (дата обращения 19.05.2023)
  7. Networkpointblog [Электронный ресурс]: Цикл 3. Тема 14: CAM, CDP, LLDP, UDLD. URL: https://inlnk.ru/70Mwj0 (дата обращения 19.05.2023)
  8. Habr [Электронный ресурс]: Протокол EtherChannel для 2 уровня OSI URL: https://habr.com/ru/companies/ua-hosting/articles/466427/ (дата обращения 19.05.2023)

Интересная статья? Поделись ей с другими: