Спроектировать локальную вычислительную сеть

Содержание

Введение…………………………………………………………….…….3

1 Постановка задачи  и исходные данные………………………….……4

2 Проектирование локальной  сети……………………………………....5

3 Расчет локальной сети…………………………………………………14

Список использованных источников…………………………………...21

Приложение А……………………………………………………………22

Приложение Б……………………………………………………….……23

Введение

Вычислительные сети (ВС) появились давно. Еще на заре появления компьютеров существовали огромные системы, известные как системы разделения времени. Они позволяли использовать центральную ЭВМ с помощью удаленных терминалов. Такой терминал состоял из дисплея и клавиатуры. Внешне выглядел как обычный персональный компьютер, но не имел собственного процессорного блока. Пользуясь такими терминалами, сотни, а иногда тысячи сотрудников имели доступ к центральной ЭВМ.

Такой режим обеспечивался  благодаря тому, что система разделения времени разбивала время работы центральной ЭВМ на короткие интервалы времени, распределяя их между пользователями. При этом создавалась иллюзия одновременного использования центральной ЭВМ многими сотрудниками.

В 70-х годах большие  ЭВМ уступили место миникомпьютерным системам, использующим тот же режим разделения времени. Но технология развивалась, и с конца 70-х годов на рабочих местах появились персональные компьютеры. Однако автономно работающие персональные компьютеры не дают непосредственного доступа к данным всей организации и не позволяют совместно использовать программы и оборудование.

С этого момента начинается современное развитие компьютерных сетей.

Вычислительной сетью  называется система, состоящая из двух или более удаленных ЭВМ, соединенных с помощью специальной аппаратуры и взаимодействующих между собой по каналам передачи данных.

Самая простая сеть состоит из нескольких персональных компьютеров, соединенных между собой сетевым кабелем. При этом в каждом компьютере устанавливается специальная плата сетевого адаптера, осуществляющая связь между системной шиной компьютера и сетевым кабелем. 

Кроме этого, все компьютерные сети работают под управлением специальной сетевой операционной системы. Основное назначение компьютерных сетей – совместное использование ресурсов и осуществление интерактивной связи как внутри одной фирмы, так и за ее пределами.

Привлекательной стороной сетей является наличие программ электронной почты и планирования рабочего дня. Благодаря им, сотрудники эффективно взаимодействуют между собой и партнерами по бизнесу, а планирование и корректировка деятельности всей компании осуществляется значительно проще. Использование компьютерных сетей позволяет повысить эффективность работы персонала фирмы и снизить затраты за счет совместного использования данных, дорогостоящих периферийных устройств и программных средств.

1 Постановка задачи и исходные данные

Спроектировать локальную  вычислительную сеть, для организации  исходя из следующих условий:

При проектировании необходимо:

• учесть различные типы топологий (шина, звезда, кольцо);
• использовать различные типы сред передачи данных: сетевые кабели (коаксиальный кабель, витая пара проводов, оптоволокно), провода, радиоканалы наземной и спутниковой связи и т.д.;
• произвести расчет PDV для выбранного стандарта сети;
• осуществить обоснованный выбор оборудования сети (серверы, концентраторы, сетевые адаптеры и т.д.);
• предусмотреть дальнейшую модернизацию сети, а также перепланировку здания;
• произвести расчет надежности сети.

Спроектированную сеть представить в виде схемы.

2 Проектирование  локальной сети

Анализ топологии

Топология сети характеризует  взаимосвязи и пространственное расположение друг относительно друга компонентов сети - сетевых компьютеров, рабочих станций, кабелей и других активных и пассивных устройств. Топология влияет на:

- состав и характеристики  оборудования сети;

- возможности расширения  сети;

- способ управления  сетью.

Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

- шина;

- звезда;

- кольцо.

Топология типа общая шина, представляет собой общий кабель (называемый шина или магистраль), к которому подсоединены все рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы, для предотвращения отражения сигнала.

Рисунок 1 – Топология  типа «шина»

Топология общая шина предполагает использование одного кабеля, к которому подключаются все компьютеры сети. Отправляемое какой-либо рабочей станцией сообщение распространяется на все компьютеры сети. Каждая машина проверяет кому адресовано сообщение, — если сообщение адресовано ей, то обрабатывает его. Принимаются специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать и принимать данные. Для того, чтобы исключить одновременную посылку данных, применяется либо «несущий» сигнал, либо один из компьютеров является главным и «даёт слово» «МАРКЕР» остальным компьютерам такой сети.

Шина самой своей  структурой допускает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов. При таком соединении компьютеры могут передавать информацию только по очереди, — последовательно — потому что линия связи единственная. В противном случае пакеты передаваемой информации будут искажаться в результате взаимного наложения (т. е. произойдет конфликт, коллизия). Таким образом, в шине реализуется режим полудуплексного (halfduplex) обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно (т. е. последовательно а не параллельно).

В топологии «шина» отсутствует  центральный абонент, через которого передается вся информация, что увеличивает  надежность «шины». (При отказе любого центра перестает функционировать вся управляемая им система). Добавление новых абонентов в «шину» достаточно простое и обычно возможно даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании «шины» нужно минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другой топологией. Правда, нужно учесть, что к каждому компьютеру (кроме двух крайних) подходят два кабеля, что не всегда удобно.

«Шине» не страшны  отказы отдельных компьютеров, потому что все другие компьютеры сети продолжат нормально обмениваться информацией. Но так как используется только один общий кабель, — в случае его обрыва нарушается работа всей сети. Тем не менее, может показаться, что «шине» обрыв кабеля не страшен, поскольку в этом случае остаются две полностью работоспособные «шины». Однако из-за особенности распространения электрических сигналов по длинным линиям связи необходимо предусматривать включение на концах шины специальных устройств — Терминаторов.

Без включения терминаторов в «шину» сигнал отражается от конца  линии и искажается так, что связь  по сети становится невозможной. Таким образом при разрыве или повреждении кабеля нарушается согласование линии связи, и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались физически соединенными между собой. Короткое замыкание в любой точке кабеля «шины» выводит из строя всю сеть. Хотя в целом надежность «шины» все же сравнительно высока, так как выход из строя отдельных компьютеров не нарушит работоспособность сети в целом, поиск, тем не менее, неисправности в «шине» затруднен. В частности: любой отказ сетевого оборудования в «шине» очень трудно локализовать, потому что все сетевые адаптеры включены параллельно, и понять, который из них вышел из строя, не так-то просто.

При построении больших  сетей возникает проблема ограничения  на длину линии связи между узлами, — в таком случае сеть разбивают на сегменты. Сегменты соединяются различными устройствами — повторителями, концентраторами или хабами. Например, технология Ethernet позволяет использовать кабель длиной не более 185 метров.

Достоинства:

• небольшое время установки сети;
• дешевизна (требуется кабель меньшей длины и меньше сетевых устройств);
• простота настройки;
• выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети.

Недостатки:

• неполадки в сети, такие как обрыв кабеля или выход из строя терминатора, полностью блокируют работу всей сети;
• затрудненность выявления неисправностей;
• с добавлением новых рабочих станций падает общая производительность сети.

Шинная топология представляет собой топологию, в которой все  устройства локальной сети подключаются к линейной сетевой среде передачи данных. Такую линейную среду часто называют каналом, шиной или трассой. Каждое устройство (например, рабочая станция или сервер) независимо подключается к общему кабелю-шине с помощью специального разъема. Шинный кабель должен иметь на конце согласующий резистор, или терминатор, который поглощает электрический сигнал, не давая ему отражаться и двигаться в обратном направлении по шине.

Типичная шинная топология  имеет простую структуру кабельной  системы с короткими отрезками кабелей. Поэтому по сравнению с другими топологиями стоимость ее реализации невелика. Однако низкая стоимость реализации компенсируется высокой стоимостью управления. Фактически, самым большим недостатком шинной топологии является то, что диагностика ошибок и изолирование сетевых проблем могут быть довольно сложными, поскольку здесь имеются несколько точек концентрации. Так как среда передачи данных не проходит через узлы, подключенные к сети, потеря работоспособности одного из устройств никак не сказывается на других устройствах. Хотя использование всего лишь одного кабеля может рассматриваться как достоинство шинной топологии, однако оно компенсируется тем фактом, что кабель, используемый в этом типе топологии, может стать критической точкой отказа. Другими словами, если шина обрывается, то ни одно из подключенных к ней устройств не сможет передавать сигналы.

Примерами использования  топологии общая шина является сеть 10BASE5 (соединение ПК толстым коаксиальным кабелем) и 10BASE2 (соединение ПК тонким коаксиальным кабелем). Сегмент компьютерной сети, использующей коаксиальный кабель в качестве носителя и подключенных к этому кабелю рабочих станций. В этом случае шиной будет являться отрезок коаксиального кабеля, к которому подключены компьютеры.

Топология типа кольцо — это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи только с двумя другими: от одного он только получает информацию, а другому только передает. На каждой линии связи, как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приемник. Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов.

Рисунок 2 – Топология  типа «кольцо»

Работа в сети кольца заключается в том, что каждый компьютер ретранслирует (возобновляет) сигнал, то есть выступает в роли повторителя, потому затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Четко выделенного центра в этом случае нет, все компьютеры могут быть одинаковыми. Однако достаточно часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует обмен. Понятно, что наличие такого управляющего абонента снижает надежность сети, потому что выход его из строя сразу же парализует весь обмен.

Компьютеры в кольце не являются полностью равноправными (в отличие, например, от шинной топологии). Одни из них обязательно получают информацию от компьютера, который ведет передачу в этот момент, раньше, а другие — позже. Именно на этой особенности топологии и строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на «кольцо». В этих методах право на следующую передачу (или, как еще говорят, на захват сети) переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру.

Подключение новых абонентов  в «кольцо» обычно совсем безболезненно, хотя и требует обязательной остановки  работы всей сети на время подключения. Как и в случае топологии «шина», максимальное количество абонентов в кольце может быть достаточно большое (1000 и больше). Кольцевая топология обычно является самой стойкой к перегрузкам, она обеспечивает уверенную работу с самыми большими потоками переданной по сети информации, потому что в ней, как правило, нет конфликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды).

В кольце, в отличие  от других топологий (звезда, шина), не используется конкурентный метод посылки  данных, компьютер в сети получает данные от стоящего предыдущим в списке адресатов и перенаправляет их далее, если они адресованы не ему. Список адресатов генерируется компьютером, являющимся генератором маркера. Сетевой модуль генерирует маркерный сигнал (обычно порядка 2—10 байт во избежание затухания) и передает его следующей системе (иногда по возрастанию MAC-адреса). Следующая система, приняв сигнал, не анализирует его, а просто передает дальше. Это так называемый нулевой цикл.

Последующий алгоритм работы таков — пакет данных GRE, передаваемый отправителем адресату начинает следовать по пути, проложенному маркером. Пакет передаётся до тех пор, пока не доберётся до получателя.

Достоинства:

• простота установки;
• практически полное отсутствие дополнительного оборудования;
• возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи данных при интенсивной загрузке сети, поскольку использование маркера исключает возможность возникновения коллизий.

Недостатки:

• выход из строя одной рабочей станции, и другие неполадки (обрыв кабеля), отражаются на работоспособности всей сети;
• сложность конфигурирования и настройки;
• сложность поиска неисправностей.
• необходимость иметь две сетевые платы, на каждой рабочей станции.

Наиболее широкое применение получила в волоконно-оптических сетях. Используется в стандартах FDDI, Tokenring.

Топология типа звезда — базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно коммутатор), образуя физический сегмент сети. Подобный сегмент сети может функционировать как отдельно, так и в составе сложной сетевой топологии (как правило, «дерево»). Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который таким способом возлагается очень большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он заниматься не может. Как правило, именно центральный компьютер является самым мощным, и именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе невозможны, потому что управление полностью централизовано.

Рисунок 3 – Топология  типа «звезда»

Рабочая станция, с которой  необходимо передать данные, отсылает их на концентратор. В определённый момент времени только одна машина в сети может пересылать данные, если на концентратор одновременно приходят два пакета, обе посылки оказываются не принятыми и отправителям нужно будет подождать случайный промежуток времени, чтобы возобновить передачу данных. Этот недостаток отсутствует на сетевом устройстве более высокого уровня — коммутаторе, который, в отличие от концентратора, подающего пакет на все порты, подает лишь на определенный порт — получателю. Одновременно может быть передано несколько пакетов. Сколько — зависит от коммутатора.

Активная звезда.В центре сети содержится компьютер, который выступает в роли сервера.

Пассивная звезда.В центре сети с данной топологией содержится не компьютер, а концентратор, или коммутатор, что выполняет ту же функцию, что и повторитель. Он возобновляет сигналы, которые поступают, и пересылает их в другие линии связи. Все пользователи в сети равноправны.

Достоинства:

• выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети в целом;
• хорошая масштабируемость сети;
• лёгкий поиск неисправностей и обрывов в сети;
• высокая производительность сети (при условии правильного проектирования);
• гибкие возможности администрирования.

Недостатки:

• выход из строя центрального концентратора обернётся неработоспособностью сети (или сегмента сети) в целом;
• для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий;
• конечное число рабочих станций в сети (или сегменте сети) ограничено количеством портов в центральном концентраторе.

Одна из наиболее распространённых топологий, поскольку проста в обслуживании. В основном используется в сетях, где носителем выступает кабель витая пара UTP категории 3 или 5.

Сравнительные характеристики рассмотренных топологий приведены  в таблице 1.

Таблица 1 – Сравнительные характеристики топологий ЛВС

Исходя из условий задачи и учитывая виды существующих топологий построения локальных, достоинства и недостатки сетей, принято решение в проектируемой сети использовать топологию звезда на всех этажах обоих зданий.

Анализ видов сетевого соединения

На сегодня, большая  часть компьютерных сетей используют для соединения провода и кабели. Они выступают в качестве среды передачи сигналов между компьютерами. Наиболее распространены: коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель.

Витая пара.

К наиболее дешевому кабельному соединению относят двухжильное проводное соединение, которое еще называется неэкранированной "витой парой" (UTP). При этом пары проводников скручиваются между собой, а волны наводимые друг другом идут в противофазе и гасят друг друга. С помощью данного соединения возможна передача информации со скоростью до 10 Мбит/с. Преимуществами считаются низкая цена и простота установки. Для повышения помехозащищенности информации, часто используют экранированную витую пару (STP), в которой существует дополнительная защита – заземленный экран из фольги, а сам кабель заключается в медную оплетку. Это позволяет передавать данные с более высокой скоростью и на большие расстояния, но в то же время и значительно повышает стоимость самого кабеля.

Самым популярным по применению на сегодняшний день считается кабель 5 категории. Он специально разработан для поддержки высокоскоростных протоколов. Все кабели  экранированной витой пары, независимо от категории выпускаются в виде четырех, скрученных между собой пар, которые имеют определенный цвет и шаг скрутки. Для соединения кабелей с оборудованием используются вилки и розетки RJ-45, представляющие собой 8-контактные разъемы.

Коаксиальный кабель.

Относительно недорогим, легким и гибким, безопасным и простым  в установке, считается коаксиальный кабель, к основным конструкционным особенностям которого относят: проводящую жилу, изоляцию, металлическую оплетку и внешнюю оболочку.

Электрические сигналы, кодирующие данные, передаются по проводящей жиле. Она изоляцией отделяется от металлической оплетки, которая играет роль заземления и защищает передаваемые по жиле сигналы от:

- внешних электромагнитных шумов (атмосферных, промышленных);

- перекрестных помех  – электрических наводок, вызванных  сигналами в соседних проводах.

Различают тонкие и толстые  коаксиальные кабели.

Тонкий коаксиальный кабель представляет собой гибкий кабель диаметром 0,5 см, волновое сопротивление которого равно 50 Ом. Подключается он  непосредственно к платам сетевого адаптера компьютеров. Тонкий коаксиальный кабель способен передавать сигнал на расстояние до 185 м  без его заметного искажения, вызнанного затуханием.

Толстый  коаксиальный кабель считается довольно жестким,  диаметр его составляет 1 см. Медная жила этого кабеля толще, чем у тонкого коаксиального кабеля и он передает сигналы дальше, чем тонкий (до 500 м). Поэтому толстый коаксиальный кабель иногда используют в качестве основного кабеля магистрали, который соединяет несколько небольших сетей, построенных на тонком коаксиальном кабеле.

Тонкий коаксиальный кабель подключается к сетевым платам непосредственно через Т-коннектор, а толстый  через специальное устройство, называемое трансивером.

Оптоволоконный кабель.

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов, а не электрических сигналов. Следовательно, его нельзя вскрыть и перехватить данные.

Передача по оптоволоконному  кабелю не подвержена электрическим  помехам и ведется на чрезвычайно высокой скорости (до 100 Мбит/с).

Основа кабеля – тонкий стеклянный цилиндр (жила), покрытый слоем стекла (оболочка), который имеет отличный от жилы коэффициент преломления

Каждое стеклянное оптоволокно  передает сигналы только в одном  направлении, поэтому кабель состоит  из двух волокон с отдельными коннекторами. Жесткость обеспечивает покрытие из пластика, а прочность – волокна кевлара.

Оптоволоконный кабель рекомендуется использовать при  передаче данных на большие расстояния с высокой скоростью по надежной среде передачи.

Сравнительные характеристики различных сред передачи данных приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Сравнительные характеристики различных сред передачи данных

Исходя из условий  задачи и учитывая виды передающих сред, принято решение в проектируемой  сети использовать следующие среды  передачи:

- толстый коаксиальный кабель связи 10Base-5 на участке «Здание 1- Здание 2», протяженность участка 500м;

- тонкий коаксиальный кабель 10Base-2 в качестве вертикальных и горизонтальных магистральных линий на всех этажах Здания 1 и Здания 2.

3 Расчетная  часть

Математическое  обоснование проектируемой сети

Для начала проведем расчет длины кабеля для проектируемой сети: взаимосвязь между зданиями удаленными на 500 м друг от друга.  Мы имеем примерный план здания с указанным количеством  комнат и компьютеров. При этом не  во всех комнатах есть компьютеры. Также комнаты разделены коридорами, толщина перегородок 0,3 м. Потолок имеет высоту 2,8  метра, толщина стен 0,5 метра, кабель прокладывается в коробах на высоте 2,5 метра от пола в коридорах и 0,3 метра в комнатах. При прокладке кабеля через стену, необходимо просверлить в ней отверстие, в которое, затем будет заложена специальная пластиковая трубка, в которой и будет лежать сетевой кабель. При этом диаметр отверстия и трубки в нём должен быть такой, чтобы в него вошло необходимое количество кабелей.

Таблица 3 – Расчет длины кабеля Здания 1 и Здания 2