Анализ и оценка сетевых топологий

ВВЕДЕНИЕ

 

В современном обществе существует одна из потребностей –  это связь между людьми, странами, континентом. Она должна быть быстрой, надежной и удобной. Связь между  компьютерами обеспечивают сети.

Вхождение России в мировое  информационное пространство влечет за собой широчайшее использование новейших информационных технологий, и в первую очередь, компьютерных сетей.

Сети врываются в  жизнь людей, как в профессиональную деятельность, так и в быт –  самым неожиданным и массовым образом знания о сетях и навыки работы в них становятся необходимыми множеству людей. Компьютерные сети породили новые технологии обработки информации – сетевые технологии. В простейшем случае сетевые технологии позволяют совместно использовать ресурсы – накопители большой емкости, печатающие устройства, доступ в Internet, базы и банки данных.

Топология локальной  сети – это конфигурация кабельных соединений между компьютерами, выполненных по единому принципу. Конкретная топология выбирается исходя из используемого оборудования, а также на основе имеющихся требований к мобильности, масштабируемости и вычислительной мощности всей системы в целом.

В данной работе будут  рассмотрены базовые топологии вычислительных сетей, организация локальной вычислительной сети, выбор топологии и определяется необходимое аппаратное и программное обеспечение.

Объектом моего исследования является локальная вычислительная сеть. Предметом исследования являются принципы проектирования локальных сетей на примере предприятия по разработке программного обеспечения.

Целью исследования является анализ и оценка базовых сетевых  топологий, выбор технологии, топологии  и сетевого оборудования для построения локальной сети. Для выполнения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. изучение теоретических сведений о топологиях сетей;
2. анализ и структурирование данных о работе сетей с различной топологией;
3. выявление достоинств и недостатков различных топологий сетей, влияющих на производительность сети.

Актуальность проекта  состоит в том, что данная локальная сеть является средством для организации эффективного функционирования предприятия. Данная локальная сеть проектируется с целью совместного использования общих ресурсов, таких как локальные диски, сетевой принтер, Интернет

Для достижения поставленных целей и задач необходимо выполнить следующие этапы работы:

– изучение базовых технологий построения сетей;

– рассмотрение программных и технических характеристик предприятия;

– построение схемы информационных потоков предприятия;

– выбор технологии сети;

– подбор сетевого оборудования.

Методы:

1) анализ литературы;

2) интерпретация данных;

3) отбор необходимого материала.

Теоретическая значимость состоит  в анализе и получении знаний о существующих  сетевых технологиях и применении одной из них для реализации на практике.

Практическая значимость проведенного исследования вполне очевидна – материалы  и выводы данной работы помогут разбираться  в преимуществах и недостатках  топологий, влияющих на производительность сети, могут быть использованы для  выбора наиболее подходящей топологии при проектировании компьютерных сетей предприятий.

 

 

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

 

1. Компьютерные сети. Общие понятия

 

Компьютерная сеть –  представляет собой систему распределенной обработки информации, состоящую  как минимум из двух компьютеров, взаимодействующих между собой с помощью специальных средств связи.

Классификация вычислительных сетей  возможна по различным признакам, мы рассмотрим по размеру, структуре и покрываемому расстоянию.

В зависимости от удалённости компьютеров  и масштабов, сети условно разделяют на локальные, региональные и глобальные.

Локальная вычислительная сеть (LAN) – это группа персональных компьютеров или периферийных устройств, объединенных между собой высокоскоростным каналом передачи данных в расположении одного или многих близлежащих зданий. Основная задача, которая ставится при построении локальных вычислительных сетей – это создание телекоммуникационной инфраструктуры компании, обеспечивающей решение поставленных задач с наибольшей эффективностью. К классу локальных вычислительных сетей относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков и т.д. Протяженность такой сети обычно ограничена пределами 2 – 2,5 километра.

В локальных сетях  используется лишь одна среда передачи. Примеры LAN: Ethernet, Token Ring, FDDI.

Региональные сети или сети промежуточного класса (MAN) – это сети большего размера, чем локальные вычислительные сети. Они обычно покрывает область одного города, экономического региона, страны. Обычно расстояние между абонентами региональной вычислительной сети составляет десятки - сотни километров. В городских сетях часто используется различное оборудование и среды передачи с целью эффективной их работы на таких расстояниях.

Глобальная вычислительная сеть (WAN) покрывает большие географические регионы, включающие в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства.

 У глобальной сети нет одного хозяина, который полностью управляет сетью и регулирует доступ к ней.

Глобальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на разных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети осуществляется на базе телефонных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи.

Глобальные сети практически  имеют те же возможности, что и  локальные. Но они расширяют область их действия. Польза от применения глобальных сетей ограничена в первую очередь скоростью работы: глобальные сети работают с меньшей скоростью, чем локальные.

Из глобальных наиболее популярной является сеть Internet, в ее состав входит множество свободно соединенных сетей, причем каждая внутренняя сеть может обладать собственной структурой и способами управления. Основными ячейками Internet являются локальные вычислительные сети.

Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии, обеспечивающие мощные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам.

Локальные сети могут  входить как компоненты в состав региональных сетей, региональные - в глобальные и, наконец, глобальные сети могут образовывать сложные структуры.

Из выше перечисленных  компьютерных сетей, обратим свое внимание на локальные сети, для того чтобы  лучше понять архитектуру сетей, способы передачи данных. А для  этого надо знать такое понятие, как топология сети.

 

1.2 Понятие  топологии сети

 

Топология (конфигурация, структура) компьютерной сети – это  описание физических соединений компьютеров в сети относительно друг друга и способа соединения их линиями связи. Понятие топологии относится, прежде всего, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей и не слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по своему собственному пути.

Топология сетей применяет  несколько специализированных терминов:

1. Узел сети – это компьютер или коммутирующее устройство сети.
2. Ветвь сети – это путь, соединяющий два смежных узла.
3. Оконечный узел – это узел, расположенный в конце только одной ветви.
4. Промежуточный узел – это узел, расположенный на конце более чем одной ветви.
5. Смежные узлы – это узлы соединённые, по крайней мере, одним путём не содержащих никаких других узлов.

Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого  кабеля, возможные и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети.

Сетевая топология может  быть:

• физической – описывает реальное расположение и связи между узлами сети.
• логической – описывает хождение сигнала в рамках физической топологии.

При выборе топологии  нужно учитывать, чтобы она должна обеспечивать надежную и эффективную работу сети, удобное управление потоками сетевых данных. Желательно также, чтобы сеть по стоимости создания и сопровождения получилась недорогой, но в то же время оставались возможности для ее дальнейшего расширения и, желательно, для перехода к более высокоскоростным технологиям связи. Чтобы решить вышеперечисленные вопросы, необходимо знать виды сетевых топологий, а также их достоинства и недостатки.

 

1.3 Базовые  сетевые топологии

 

Существует три базовые  топологии, на основе которых строится большинство сетей:

– шина (bus);

– звезда (star);

– кольцо (ring).

При создании сети с топологией «шина» все компьютеры подключаются к одному кабелю (рисунок 1). На его концах должны быть расположены терминаторы. По такой топологии строятся 10 Мегабитные сети 10Base-2 и 10Base-5. В качестве кабеля используется Коаксиальные кабели.

Рисунок 1 – Схема топологии  сети типа «шина»

 

В сети с топологией «шина» компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов – аппаратных MAC-адресов.

МАС-адрес – это уникальный идентификатор, сопоставляемый с различными типами оборудования для компьютерных сетей.

Чтобы понять процесс  взаимодействия компьютеров по шине, нужно уяснить следующие понятия: передача сигнала, отражение сигнала и терминатор.

Данные в виде электрических  сигналов, передаются всем компьютерам  сети; однако информацию принимает  только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу. Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, т.е. чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть. Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством компьютеров в ней нельзя, так как кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество факторов, в том числе:

– характеристики аппаратного  обеспечения компьютеров в сети;

– частота, с которой  компьютеры передают данные;

– тип работающих сетевых  приложений;

– тип сетевого кабеля;

– расстояние между компьютерами в сети.

«Шина» – пассивная топология. Это значит, что компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.

Данные, или электрические  сигналы, распространяются по всей сети – от одного конца кабеля к другому. Если не предпринимать никаких специальных  действий, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того как данные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить.

Чтобы предотвратить  отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают заглушки (терминаторы, terminators), поглощающие эти сигналы (Рисунок 2). Все концы сетевого кабеля должны быть к чему-нибудь подключены, например к компьютеру или к баррел-коннектору для увеличения длины кабеля. К любому свободному неподключенному концу кабеля должен быть подсоединен терминатор, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов.

Рисунок 2 – Установка терминатора

 

Нарушение целостности  сети может произойти, если разрыв сетевого кабеля происходит при его физическом разрыве или отсоединении одного из его концов. Возможна также ситуация, когда на одном или нескольких концах кабеля отсутствуют терминаторы, что приводит к отражению электрических сигналов в кабеле и прекращению функционирования сети. Сами по себе компьютеры в сети остаются полностью работоспособными, но до тех пор, пока сегмент разорван, они не могут взаимодействовать друг с другом.

У такой топологии сети есть достоинства  и недостатки. К достоинствам можно  отнести:

– небольшое время установки сети;

– дешевизна (требуется меньше кабеля и сетевых устройств);

– простота настройки;

– выход из строя рабочей станции  не отражается на работе сети.

Недостатки такой топологии  следующие:

– такие сети трудно расширять (увеличивать  число компьютеров в сети и количество сегментов – отдельных отрезков кабеля, их соединяющих);

– поскольку шина используется совместно, в каждый момент времени передачу может вести только один из компьютеров;

– «шина» является пассивной топологией – компьютеры только кабель не могут восстанавливать затухающие при передаче по сети сигналы;

– надежность сети с топологией «шина» невысока. Когда электрический сигнал достигает конца кабеля, он (если не приняты специальные меры) отражается, нарушая работу всего сегмента сети.

Топология сети типа «шина» известна как логическая топология Ethernet 10 Мбит/с.

При топологии «звезда» все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, именуемому концентратором (hub) (рисунок 3). Концентратор – сетевое устройство, предназначенное для объединения нескольких устройств Ethernet в общий сегмент сети. Устройства подключаются при помощи витой пары, коаксиального кабеля или оптоволокна.

Сигналы от передающего  компьютера поступают через концентратор ко всем остальным.

Эта топология возникла на заре вычислительной техники, когда  компьютеры были подключены к центральному, главному, компьютеру.

 

Рисунок 3 – Схема топологии сети типа «звезда»

 

Достоинства такой типологии  следующие:

– 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;

– 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 категория 3 или 5. Топология  типа «звезда» нашла свое отражение в технологии Fast Ethernet.

При топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо (рисунок 4). Поэтому у кабеля просто не может быть свободного конца, к которому надо подключать терминатор. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии «шина», здесь каждый компьютер выступает в роли репитера, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.

Рисунок 4 – Схема сети типа «кольцо»

 

Один из принципов  передачи данных в кольцевой сети носит название передачи маркера. Суть его такова. Маркер последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот, который должен передать данные. Передающий компьютер изменяет маркер, помещает адрес получателя в данные и посылает их по кольцу.

Данные проходят через  каждый компьютер, пока не окажутся у  того, чей адрес совпадает с адресом получателя, указанным в данных. После этого принимающий компьютер посылает передающему сообщение, где подтверждает факт приёма данных. Получим подтверждение, передающий компьютер создаёт новый маркер и возвращает его в сеть.

Достоинства такой топологии:

– 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.

Коллизия – это  наложение двух и более кадров (пакетов) от станций, пытающихся передать кадр в один и тот же момент времени.

Топология типа «кольцо» имеет следующие недостатки:

– выход из строя одной  рабочей станции, и другие неполадки (обрыв кабеля), отражаются на работоспособности всей сети;

– сложность конфигурирования и настройки;

– сложность поиска неисправностей.

Наиболее широкое применение получила в оптоволоконных сетях. Используется в стандартах FDDI, Token Ring.

 

 

 

 

 

2 РАЗРАБОТКА  СТРУКТУРЫ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ

 

2.1 Постановка задачи проектирования и схемы взаимодействия

 

Необходимо разработать  локальную сеть для предприятия «Аква+» осуществляющего разработку программного обеспечения для предприятий водоснабжения и водоотведения.

Организационная структура приведена в Приложении А.

Таблица 1 – Распределение компьютеров между отделами

Первый этаж:	Второй этаж:	Третий этаж:	Четвёртый этаж:
Охрана 2	Отдел маркетинга 6	Бухгалтерия 6	Отдел кадров 3
Отдел сбыта  4	САПР (кабинет 1) 13	Юридический отдел 4	Директор 1
–	САПР (кабинет 2) 9	Информационно -технический отдел 8	Заместители 2
–	–	–	Секретари 2
–	–	–	Конференц-зал 1

 

 

Для определения загруженности сети, и распределения пропускной способности построим схему взаимодействия между отделами (Приложение Б) и логическую схему сети (Приложение В).

 

2.2 Выбор топологии  сети

 

При создании сети может  быть реализована одна из трёх базовых  топологий: «звезда», «кольцо» и «шина».

Таблица 2 – Основные характеристики сетей разных топологии

Характеристики	Топология	Топология	Топология
	Звезда	Кольцо	Шина
Стоимость расширения	Незначительная	Средняя	Средняя
Присоединение абонентов	Пассивное	Активное	Пассивное
Защита от отказов	Незначительная	Незначительная	Высокая
Размеры системы	Любые	Любые	Ограничены
Защищённость от прослушивания	Хорошая	Хорошая	Незначительная
Стоимость подключения	Незначительная	Незначительная	Высокая
Возможность работы в  реальном режиме	Очень хорошая	Хорошая	Плохая
Разводка кабеля	Хорошая	Удовлетворительная	Хорошая
Обслуживание	Очень хорошее	Среднее	Среднее

 

Сеть будет построена  по топологии – «звезда», и по распространенной в наше время технологии Ethernet.

Преимущества топологии «звезда»:

– недорогой кабель и  быстрая установка;

– легкое объединение рабочих групп;

– простое расширение сети.

Использования коммутатора  или моста улучшает производительность «поперек» сети.

Неисправность одного узла не приводит к остановке работы всей сети.

Кабельная система обеспечивает подачу сигнала на контрольные лампы  концентратора, что позволяет легко  проводить диагностику и определять неисправные узлы.

В центре каждой «звезды» – концентратор или коммутатор, который непосредственно соединен с каждым отдельным узлом сети через тонкий гибкий кабель UTP, часто называемый «витой парой». Кабель соединяет сетевой адаптер с ПК, с одной стороны, с концентратором или коммутатором - с другой. Устанавливать сеть с топологией «звезда» просто и недорого. Число узлов, которые можно подключить к концентратору, определяется возможным количеством портов самого концентратора. Однако имеется ограничение по числу узлов: сеть может иметь максимум 1024 узла. Рабочая группа, созданная по схеме «звезда», может функционировать независимо или может быть связана с другими рабочими группами.

 

2.3 Выбор оборудования  и программного обеспечения

 

Подразумевается наличие  на предприятии нужного количества персональных компьютеров и серверов с установленным лицензионным программным обеспечением, указанным в разрабатываемом проекте локальной сети предприятия. Предполагается, что в каждом персональном компьютере и сервере установлены сетевые платы для подключения к сети. В дальнейшем затраты на приобретение компьютерной техники и программного обеспечения учтены не будут, так как предполагают составление специальной сметы на приобретение, настройку и установку программного обеспечения, что не является целью данной конкретной работы по проектированию локальной сети предприятия.

В качестве коммуникаторов будут использоваться гигабитные и 100 мегабитные свитчи фирмы D-Link. Выбор  фирмы-производителя обусловлен оптимальным  соотношением цена/качество. Кабель используется как экранированный (FTP), так и неэкранированный (UTP) кабель типа «витая пара» категории 5.

Для обеспечения доступа  в Интернет, будет использоваться технология ADSL, которая позволит получить скорость потока данных в пределах от 1,5 до 8 Мбит/с. Технология ADSL позволяет телекоммуникационным компаниям предоставлять частный защищенный канал для обеспечения обмена информацией между пользователем и провайдером. Кроме того, ADSL эффективна с экономической точки зрения хотя бы потому, что не требует прокладки специальных кабелей, а использует уже существующие двухпроводные медные телефонные линии. ADSL открывает совершенно новые возможности в тех областях, в которых в режиме реального времени необходимо передавать качественный видеосигнал. К ним относится, например, организация видеоконференций, обучение на расстоянии и видео по запросу. Решено использовать ADSL - модем производства фирмы D-Link, а именно модель DSL-500T . Он отвечает всем современным требованиям к сетевому оборудованию и наиболее оптимален по соотношению цена/качество.

Для связи с удаленным  участком сети будет применяться  беспроводная технология стандарта 802.11g, обеспечивающая скорость передачи до 54 мегабит в секунду. Т.к. удаленный  участок будет находиться на расстоянии 500 метров необходимо применить направленные антенны для беспроводных точек доступа. Преимущество беспроводной связи заключается в удобстве монтажа и более дешевой реализации, нежели кабельный вариант. 54 Мбит вполне достаточно для обмена документами и прочими данными, а также для доступа в Интернет.

В качестве операционной системы сервера была выбрана Windows Server 2003 Edition.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В процессе исследования были достигнуты основные цели и решены поставленные задачи.

В данной работе были рассмотрены  основные топологии вычислительных сетей, так же была построена схема взаимодействия, спроектирована структурная  схема локальной вычислительной сети, разработана конфигурация сети, на предприятии «Аква+», которая удовлетворяет критериям по быстродействию, надежности, информационной безопасности.

На основании проведённого исследования можно сделать следующие  выводы, что топологии различаются требуемой длиной соединительного кабеля, удобством соединения, возможностями подключения дополнительных абонентов, отказоустойчивостью, возможностями управления обменом.

Кроме того, топологическая структура влияет на пропускную способность и стоимость локальной сети. Каждая топология сети налагает ряд условий. Например, она может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки.

По итогам исследования можно сделать выбор наиболее подходящей для определенных целей топологии вычислительной сети.

Локальная компьютерная сеть на предприятии по разработке компьютерного обеспечения вносит множество решаемых вопросов, как  оперативность и надежность.

Теоретические материалы и выводы данной работы, могут быть рекомендованы при изучении основных топологий сетей и получении знаний об их основных недостатках и преимуществах, и позволяют разобраться и принять правильное решение при выборе наиболее подходящей топологии при проектировании компьютерных сетей предприятий.

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Олифер В.Г., Олифер  Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. – СПб.: «Питер», 2010. – 324 с.

2. Олифер В.Г., Олифер  Н.А. Основы сетей передачи данных. - СПб.: «Питер», 2007. – 126 с.

3. Велихов А.В., Строчников  К.С. Компьютерные сети. Учебное  пособие по администрированию  локальных сетей. 3-е издание. – Новый издательский дом, 2008 . – 304 с.