Расчёт локальной вычислительной сети производственного помещения

звезда (star), при которой к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них использует свою отдельную линию связи;

кольцо (ring), при которой каждый компьютер передает информацию всегда только одному компьютеру, следующему в цепочке, а получает информацию только от предыдущего в цепочке компьютера, и эта цепочка замкнута в ≪кольцо≫.

Для решения данной задачи лучше всего использовать топологию «звезда», т.к. она соответствует требованиям поставленной задачи.

Рисунок 3 - Сеть с топологией “Звезда”

локальная вычислительная сеть топология

Топология Звезда предполагает наличие центрального узла коммутации, с которым соединяются компьютеры сети посредством отдельных линий связи (рисунок 3). Данные между компьютерами передаются через центральный узел, обеспечивающий их маршрутизацию в сети. Данная топология обеспечивает простоту расширения и управления сетью, однако ее работоспособность полностью определяется состоянием центрального узла коммутации. Топология Звезда является более гибкой архитектурой позволяющей, строить как простые, так и сложные сегментированные, разветвленные сети. Скорость работы такой сети существенно выше, кроме того, имеется возможность построения сегментов с разной скоростью передачи данных в зависимости от ее технического оснащения и организации. При повреждении линии связи конкретного луча от сети отключаются только компьютеры, связанные с этим лучом.

На практике, как правило, реализуют комбинированные варианты построения локальной сети на основе топологии Звезда.

Для расширения числа подключаемых рабочих станций при создании сетей произвольной конфигурации широко используют специальные устройства - концентраторы (hub), фактически выполняющие функцию многопортовых (со многими входами) повторителей. Задачей концентратора является сбор воедино подходящих к нему сетевых соединений и организация приема и передачи данных между адресатами. Выпускают концентраторы пассивные и активные с автономным питанием. Основными их параметрами являются: скорость передачи данных и количество портов. Различные модели устройств работают на скоростях 10 Мбит/с и 10/100 Мбит/с (в новейших моделях максимально возможная скорость достигает 1000 Мбит/с) и имеют 4, 5, 8, 12, 16, 24 и 32 портов.

В ЛВС для соединения устройств между собой обычно используют кабели нескольких видов, а в ряде случаев, радиоканал и инфракрасный канал. Среди различных типов кабелей наиболее часто применяют витую пару, реже коаксиальный и оптоволоконный кабель.

В простейшем случае витая пара (VTP) образуется двумя свитыми (скрученными) изолированными проводниками. Существует несколько категорий витой пары, отличающихся максимально возможной скоростью передачи и помехозащищенностью. Для повышения помехозащищенности используют экранированную витую пару (STR). В последние годы витая пара является наиболее широко используемым видом передающей среды. Этот тип кабеля обеспечивает высокую скорость передачи - до 100 Мбит/с, прост при монтаже, нетребователен при эксплуатации. Используется только в сетях с топологией Звезда. Недостатком является небольшая длина луча (до 100 м).

Коаксиальный кабель на срезе представляет собой совокупность изолированной центральной жилы (проводника) и окружающей ее защитной металлической оплетки, обеспечивающей высокую помехозащищенность от внешних электромагнитных полей. В сетях используют два вида коаксиального кабеля: толстый и тонкий. Толстый кабель характеризуется более высокими значениями эксплуатационных параметров. При построении новых сетей коаксиальный кабель практически не применяется из-за малых для современных сетей скоростей передачи данных.

Оптоволоконный кабель является наиболее современным техническим решением, обеспечивающим наибольший уровень помехозащищенности. По сравнению с электрическими кабелями он не излучает электромагнитных колебаний при передаче данных, что актуально для сетей с повышенными требованиями информационной безопасности, нечувствителен к внешним электромагнитным полям. Оптоволоконный кабель характеризуется высокой скоростью передачи (до 1000 Мбит/с) и большой длиной луча (до сотни км), однако, в то же время, он является наиболее дорогим решением по стоимости как оборудования, так и монтажа, а также требует сложных переходных (стыковочных) устройств для преобразования электрических сигналов в световые и обратно. В течение последних лет в ЛВС доминирующим решением является архитектура Ethernet. В качестве передающей среды в различных спецификациях могут использоваться витая пара, толстый и тонкий коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель.

В ряде случаев при невозможности или нецелесообразности прокладки кабелей используют радиосети, включающие в свой состав необходимое количество установленных на компьютерах радиотрансиверов (комплект приемник-передатчик), обменивающихся данными по радиоканалу. Обычно радиоканал организуют на расстояние до 5 км (известны решения с дальностью действия до 40 км и скоростью передачи до 11 Мбит/с). Для такой технологии характерна высокая стоимость, кроме того, для ее применения необходимо получать соответствующее разрешение в Государственной комиссии по радиочастотам.

В последние годы в связи с широким применением ЛВС типичной стала задача соединения ряда автономных сетей в единое целое с целью объединения ресурсов и организации единой транспортной сети. Подобная необходимость возникает практически всегда при организации корпоративных сетей.

Простейший вариант объединения нескольких сегментов сети с шинной топологией для увеличения ее общей протяженности реализуется с помощью приемопередатчиков (трансиверов) и повторителей (репитеров).

Приемопередатчик представляет собой устройство, предназначенное для приема пакетов от сетевых карт и последующей их передачи в шину.

Повторитель (устройство с автономным питанием) выполняет функцию усилителя мощности сигналов, передающих пакеты данных между сегментами определенной длины.

В случае объединения однотипных близкорасположенных сетей используют наиболее простое техническое решение - мост, предполагающий использование в обеих сетях одинаковых методов передачи данных. Объединяемые сети должны иметь одинаковые сетевые уровни модели OSI, однако при этом допускаются некоторые различия на физическом и канальном уровнях. Мост позволяет объединять и сети с различной топологией при использовании однотипных сетевых операционных систем. Различают локальные и удаленные мосты. В отличие от локальных удаленные мосты позволяют посредством внешних каналов и модемов связать территориально разнесенные сети.

Более сложным техническим решением является использование шлюза, представляющего собой устройство для организации обмена данными между сетями с различными протоколами взаимодействия. Непосредственное назначение шлюза заключается в согласовании протоколов, используемых в объединяемых сетях. Функции шлюза реализуются на всех уровнях модели OSI выше сетевого уровня. Именно шлюзы позволяют реализовать подключение ЛВС к глобальной сети.

В сетях со сложной конфигурацией или в объединенных сетях широко применяют маршрутизаторы (router), представляющие собой устройства для оптимизации управления передачей сообщений в сетях различного типа, использующих одинаковые операционные системы. Маршрутизатор определяет наиболее эффективный путь передачи сообщения (пакетов) конкретному абоненту сети, обеспечивая при этом балансировку загрузки сети (оптимизацию) с подключением к работе свободных каналов связи. Маршрутизатор пропускает в конкретную сеть только те сообщения, которые адресованы ее абонентам. Адрес конкретного абонента определяется его собственным адресом в рамках сети и адресом этой сети. Функции маршрутизатора реализуются на сетевом и транспортном уровнях модели OSI, при этом более высокие уровни объединяемых сетей должны быть одинаковы.

При построении сложных сетей для обеспечения необходимой интенсивности и оптимизации работы вместо концентратора используют более интеллектуальное устройство - коммутатор (switch). Его принципиальным отличием от концентратора является наличие внутренней логики и микропрограммы, которые более оптимально используют ресурсы сети (фактически реализуя функции маршрутизатора), разгружая ее и повышая общую производительность. Они обладают большей пропускной способностью и малым временем задержки, что обеспечивает в сетях поддержку интерактивного трафика между взаимодействующими рабочими станциями.

Различные виды коммутационного оборудования (мосты, маршрутизаторы и коммутаторы) по назначению и функциональным возможностям близки друг другу. Мосты обеспечивают сегментацию сети на нижнем (физическом) уровне, поэтому их "интеллектуальные" возможности малы. Маршрутизаторы, объединяя физические и логические сегменты сети в единое целое, выполняют при этом ряд "интеллектуальных" функций, но они вносят заметные задержки, что негативно сказывается на оперативности управления трафиком. Коммутаторы обеспечивают меньшее время задержки и наиболее эффективны в сетях с небольшим числом пользователей. Однако в сложных сетях с большим числом коммутационных устройств маршрутизаторы обеспечивают более эффективное управление трафиком, чем коммутаторы.

Конструктивно мосты, маршрутизаторы и шлюзы обычно выполняются в виде плат, устанавливаемых в компьютеры и управляемых с помощью специализированного программного обеспечения. В высокопроизводительных системах они могут быть выполнены в виде внешних устройств с автономным питанием.

Черновой вариант схематичного плана соединения устройств сети

По выбранным в предыдущих пунктах вариантах типа и топологии сети, построим предварительную блок-схему сети:

тип сети: одноранговая

топология: звезда.

.2 Спецификация физической среды ETHERNET

В настоящее время наиболее популярными стандартами локальных сетей являются Ethernet, Token Ring, FDDI. Дадим им сравнительную характеристику. - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля, который стал последней версией фирменного стандарта Ethernet. Поэтому фирменную версию стандарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX или Ethernet II. В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet, который во многом не является самостоятельным стандартом, о чем говорит и тот факт, что его описание просто является дополнительным разделом к основному стандарту 802.3. Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерский код. Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных:

10Base5 - коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 500 метров (без повторителей).

10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0.25 дюйма, называемый «тонким» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 185 метров (без повторителей).

10Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию с концентратором. Расстояние между концентратором и конечным узлом - не более 100 м.

10Base-F - оптоволоконный кабель. Топология аналогична стандарту на витой паре. Имеется несколько вариантов этой спецификации - FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB. Число 10 означает битовую скорость передачи данных этих стандартов - 10 Мб/с, а слово Base - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц.

Сети стандарта Token Ring, также как и сети Ethernet, используют разделяемую среду передачи данных, которая состоит из обрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему используется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциями права на использование кольца в определенном порядке. Право на использование кольца передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном. Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 Мб/с и 16 Мб/с. Первая скорость определена в стандарте 802.5, а вторая является новым стандартом де-факто, появившимся в результате развития технологии Token Ring. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается. Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мб/с, имеют и некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мб/с.

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя её основные идеи. Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван режимом Thru - "сквозным" или "транзитным". Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется. В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным, образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть "свертывание" или "сворачивание" колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой. Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключёнными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.Ethernet является эволюционным развитием классической технологии Ethernet. Она сохранила метод доступа CSMA/CD. Также она использует скорость обмена информацией, равную 100 Мб/с. Таким образом, технология Fast Ethernet обеспечивает преемственность и согласованность сетей 10Base-T и 100Base-T, что немаловажно. Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне. Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем - оптоволокно, 2-х парная витая пара категории 5 и 4-х парная витая пара категории 3, причем по сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), здесь отличия каждого варианта от других глубже - меняется и количество проводников, и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet, то имелась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и остальные подуровни, специфические для каждого варианта. Основными достоинствами технологии Fast Ethernet являются:

увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c;

сохранение метода случайного доступа Ethernet;

сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля.

Указанные свойства позволяют осуществлять переход от сетей 10Base-T к скоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с хорошо знакомой технологией: Fast Ethernet не требует коренного переобучения персонала и замены оборудования во всех узлах сети.

Официальный стандарт 100Base-T (802.3u) установил три различных спецификации для физического уровня (в терминах семиуровневой модели OSI) для поддержки следующих типов кабельных систем:

100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5, или экранированной витой паре STP Type 1;

100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;

100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля.

.3 Выбор кабеля

При проектировании локальной сети на предприятии мне необходимо использовать сетевую технологию 10BaseТ. Это разработка технологии Ethernet по стандарту 802.3 со скоростью передачи данных 100 Мб/с для кабеля «неэкранированная витая пара». Для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента 100 метров.

Основные достоинства витой пары:

возможность работы в дуплексном режиме;

низкая стоимость кабеля «витой пары»;

более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле;

минимально допустимый радиус изгиба меньше;

большая помехозащищенность из-за использования дифференциального сигнала;

возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);

отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети.

BaseТ - обозначение технологии Ethernet по стандарту 802.3 со скоростью передачи данных 100 Мб/с для кабеля «неэкранированная витая пара». Проанализировав характеристики кабеля, я пришел к выводу, что рациональнее всего в данной ЛВС будем использовать кабель 5 категории (UTP 5), так как у него самые подходящие параметры, использование этой категории также позволит в будущем перейти к более быстродействующей технологии сети. Расстояние внутри рабочей группы не превышает 100 метров, это позволяет использовать витую пару без репитеров. В данном задании необходимо обеспечить расстояние между группами от 10 до 100 метров. Так как будем соединять коммутаторы между собой, то в дальнейшем расчет будет вестись по кабелю 10Base-FB.

Между этажами необходимо проложить кабель длиной 50 метров. Для обеспечения заданной длины воспользуемся оптоволоконным кабелем 10Base-FB.

2.4 Расчет корректность сети - величины PDV (Path Delay Value) и PVV и оценка их с предельно допустимыми в сети Ethernet

Расчет PDV. Для упрощения расчетов воспользуемся справочными данными IEEE, содержащие значения задержек распространения сигналов в повторителях, приемопередатчиках и различных физических средах. В таблице приведены данные, необходимые для расчета значения PDV для всех физических стандартов сетей Ethernet. Битовый интервал обозначен как bt.

В нашем случае имеем следующую таблицу:

Таблица 1

Для нашей конфигурации путь наибольшей длины - это путь между компьютерами, присоединенными к первому и второму коммутаторам. Этот путь включает в себя пять сегментов: 10Base-T (два сегмента) и 10Base-FB (три сегмента).

Произведем расчет, считая начальным сегмент 1, а конечным - сегмент 12.

Левый сегмент 1: 15,3+100*0,113=26,6

Правый сегмент 6: 165,0+100*0,113=176,3

Промежуточный сегмент 2: 24+75*0,1=31,5

Промежуточный сегмент 5: 24+50*0,1=29

В результате суммарная задержка для всех пяти сегментов составит:

,6+176,2+31,5+29 = 263,3 что меньше, чем предельно допустимая величина 575, то есть сеть работоспособна.

Произведем теперь расчет суммарной задержки для того же пути, но в обратном направлении. При этом начальным сегментом будет сегмент 6, а конечным - 1. Результат таким же, так как начальный и конечные сегменты совпадают.

Расчет PVV. Но расчета двойного времени прохождения, в соответствии со стандартом, не достаточно, чтобы сделать окончательный вывод о работоспособности сети. Необходимо рассчитать также уменьшение межкадрового интервала повторителями, то есть величину PVV.

Для расчета PVV также можно воспользоваться значениями максимальных величин уменьшения межкадрового интервала при прохождении повторителей различных физических сред, рекомендованными IEEE и приведенными в таблице.

Таблица 2

Начальный сегмент 1: 10Base-T: 10,5

Промежуточный сегмент 2: 10Base-FB: 2

Промежуточный сегмент 5: 10Base-FB: 2

Промежуточный сегмент 6: 10Base-Т: 10,5

В результате суммарное сокращение межкадрового интервала составит:

,5+2+2+10,5 = 25, что меньше предельной величины 49. Следовательно, данная конфигурация и по этому показателю будет показателю.

Вычисления для обратного направления, поэтому же пути дадут в данном случае тот же результат, так как тип кабеля для 1 и 6 сегмента одинаковы.

2.5 Окончательный компоновочный вариант сети

Чтобы сеть Ethernet, состоящая из сегментов различной физической природы, работала корректно, необходимо выполнение четырех основных условий:

количество станций в сети не более 1024;

максимальная длина каждого физического сегмента не более величины, опре­деленной в соответствующем стандарте физического уровня;

время двойного оборота сигнала PDV между двумя самыми удаленными друг от друга станциями сети не более 575 битовых интервала;

сокращение межкадрового интервала PVV, при прохождении последовательности кадров через все повторители должно быть не больше, чем 49 битовых интервала. Так как при отправке кадров конечные узлы обеспечивают начальное межкадровое расстояние в 96 битовых интервала, то после прохождения повторителя оно должно быть не меньше, чем 96 - 49 = 47 битовых интервала.

Соблюдение этих требований обеспечивает корректность работы сети даже в случаях, когда нарушаются простые правила конфигурирования, определяющие максимальное количество повторителей и общую длину сети в 2500 м.

Все рассчитанные, параметры спроектированной локальной сети удовлетворяют основным необходимым требования сети Ethernet. Для расчетов применялись максимальные из возможных значений параметров (длины и т.д.). Исходя из чего, можно утверждать, что рассчитанный проект локальной сети будут работоспособен и удовлетворяет поставленным требованиям проектирования.

3. Экономический расчет

Предлагаемая конфигурация локальной сети соответствует требованиям сети Ethernet. Она проходит по PVD и PVV. Применение современных типов кабелей и коммутаторов дает возможность в будущем проводить наращивание и модернизацию сети.

Заключение

Рождение компьютерных сетей было вызвано практической потребностью ― иметь возможность для совместного использования данных. Персональный компьютер - прекрасный инструмент для создания документа, подготовки таблиц, графических данных и других видов информации, но при этом нет возможности быстро поделиться своей информацией с другими, если не использовать компьютерные сети.

В результате выполнения курсового проекта я ознакомился с методами проектирования локальных сетей. Осуществил разработку сети, при этом учитывал возможность, количество компьютеров и необходимость прокладки сети на данном предприятии. Я научился выбирать архитектуру сети, исходя из её характеристик и преимуществ. Топология - «звезда», как самая распространённая и надёжная. Конечно же, выбранный кабель не является лучшим, но он недорогой и прост в обращении. При выборе оборудования я ориентировался на его характеристики.

В процессе работы я приобрел практические навыки по разработке и проектированию сети.

Список использованных источников

В.Г. Олифер, Н.А. Олифер «Компьютерные сети», учебник, 668 стр., С.-П., изд. «Питер», 2007.

Д. Челлис и др., «Основы построения сетей», Учебное руководство для специалистов MCSE, 323 стр., Москва, изд. «Лори», 2009.

Новиков Ю.В., Кондратенко С.В. «Локальные сети: архитектура, алгоритмы, проектирование»: изд. «ЭКОМ», М, 2009.

А.П. Пятибратов и др., «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации»: учебник, Москва: «Финансы и статистика», 2005.

Кульгин М. Технологии корпоративных сетей: Энциклопедия - СПб.: Издательство «Питер», 2007.

Кульгин М. Практика построения компьютерных сетей. Для профессионалов - СПб.: Питер, 2008.

Косарев В.П. Компьютерные системы и сети: Учеб. пособие / Под ред. В.П. Косарева и Л.В. Еремина - М.: Финансы и статистика, 2005.

Фролов А.В. Локальные сети персональных компьютеров/ Фролов А.В., Фролов Г.В. - М.: Диалог-МИФИ, 2009.

Ги К. Введение в локально-вычислительные сети Пер. с англ. Под ред. Б.С. Иругова - М.: Радио и связь, 2004.

Закер К. Компьютерные Сети, Модернизация, Поиск Неисправностей - М.: Перспектива, 2005.