Анализ существующих аппаратных и программных решений построения ЛВС

Содержание

Введение

Подавляющая часть компьютеров  западного мира объединена в ту или иную сеть. Опыт эксплуатации сетей показывает, что около 80% всей пересылаемой по сети информации замыкается в рамках одного офиса. Поэтому особое внимание разработчиков стали привлекать так называемые локальные вычислительные сети (LAN). Локальные вычислительные сети отличаются от других сетей тем, что они обычно ограничены умеренной географической областью (одна комната, одно здание, один район).

Существует два типа компьютерных сетей: одноранговые сети и сети с выделенным сервером. Одноранговые сети не предусматривают выделение специальных компьютеров, организующих работу сети. Каждый пользователь, подключаясь к сети, выделяет в сеть какие-либо ресурсы (дисковое пространство, принтеры) и подключается к ресурсам, предоставленным в сеть другими пользователями. Такие сети просты в установке, налаживании; они существенно дешевле сетей с выделенным сервером. В свою очередь сети с выделенным сервером, несмотря на сложность настройки и относительную дороговизну, позволяют осуществлять централизованное управление.

Ни для кого не секрет, что в наше время, для наиболее эффективной работы организации необходима локальная сеть. Сеть позволит Вам:

- сэкономить деньги на покупке  оргтехники (зачем каждому компьютеру  свой принтер или сканер, когда при наличии сети хватит одного или двух);

- выходить в Internet  со всех компьютеров сети через один модем или выделенную линию;

- производить оперативный обмен  информацией между вашими сотрудниками;

- использовать бухгалтерские или  складские сетевые программы;

- наиболее полно защищать вашу  конфиденциальную информацию от  несанкционированного доступа.

Локальные сети в последнее  время из модного дополнения к  компьютерам все более превращаются в обязательную принадлежность любой компании, имеющей больше одного компьютера. Совершенствование аппаратуры и программных средств достигло такого уровня, когда установить и эксплуатировать простейшую сеть может практически любой более или менее грамотный пользователь, тем более что на рынке имеется множество книг, подробно описывающих процесс установки и обслуживания, а последние версии наиболее распространенной операционной системы Windows содержат в себе довольно развитые сетевые средства, так что даже покупать специальное сетевое программное обеспечение совсем не обязательно. То, что раньше было доступно только посвященным, только специально обученным профессионалам, теперь легко может проделать каждый.

1 Анализ существующих  аппаратных и программных решений построения ЛВС

1.1 Область применения

Особенно широко ЛВС применяются при разработке коллективных проектов, например сложных программных комплексов. На базе ЛВС можно создавать системы автоматизированного проектирования. Это позволяет реализовывать новые технологии проектирования изделий машиностроения, радиоэлектроники и вычислительной техники. В условиях развития рыночной экономики появляется возможность создавать конкурентоспособную продукцию, быстро модернизировать ее, обеспечивая реализацию экономической стратегии предприятия.

ЛВС позволяют также реализовывать новые информационные технологии в системах организационно-экономического управления.

В учебных лабораториях университетов  ЛВС позволяют повысить качество обучения и внедрять современные интеллектуальные технологии обучения

Локальные сети в последнее время из модного дополнения к компьютерам все более превращаются в обязательную принадлежность любой компании, имеющей больше одного компьютера. Совершенствование аппаратуры и программных средств достигло такого уровня, когда установить и эксплуатировать простейшую сеть может практически любой более или менее грамотный пользователь.

Сеть позволит Вам:

• сэкономить деньги на покупке оргтехники (зачем каждому компьютеру свой принтер или сканер, когда при наличии сети хватит одного или двух);
• выходить в Internet  со всех компьютеров сети через один модем или выделенную линию;
• производить оперативный обмен информацией между вашими сотрудниками;
• использовать бухгалтерские или складские сетевые программы;
• наиболее полно защищать вашу конфиденциальную информацию от несанкционированного доступа.

1.2 Анализ локальных  вычислительных сетей

Для объединения локальных  сетей требуется специальное  оборудование независимо от того, находятся ли эти ЛВС в одном здании или связаны через распределенную сеть.

• повторители (Repeater) - усиливают полученный из кабельного сегмента сигнал и передают его в другой сегмент:
• объединяют идентичные ЛВС;
• простое усиление сигналов.
• мосты (Bridge) передают сообщения на основе записей в таблице пересылки:
• возможность фильтрации сетевого трафика;
• сохраняет информацию о всех узлах;
• соединяет идентичные или разные сети (например, Ethernet и Token Ring).
• маршрутизаторы (Router) обеспечивают выбор маршрута обмена данными между узлами сети:
• принимает решение о выборе "лучшего пути";
• дистанция обычно оценивается в интервалах (hop) - промежутках между двумя соседними маршрутизаторами на пути от отправителя к получателю.

Основное назначение любой компьютерной сети - предоставление информационных и вычислительных ресурсов подключенным к ней пользователям. С этой точки зрения локальную вычислительную сеть можно рассматривать как совокупность серверов и рабочих станций.

Сервер - компьютер, подключенный к сети и обеспечивающий ее пользователей определенными услугами. Серверы могут осуществлять хранение данных, управление базами данных, удаленную обработку заданий, печать заданий и ряд других функций, потребность в которых может возникнуть у пользователей сети. Сервер - источник ресурсов сети.

Рабочая станция - персональный компьютер, подключенный к сети, через который  пользователь получает доступ к ее ресурсам. Рабочая станция сети функционирует  как в сетевом, так и в локальном режиме. Она оснащена собственной операционной системой (Linux, Windows и т.д.), обеспечивает пользователя всеми необходимыми инструментами для решения прикладных задач.

Особое внимание следует  уделить одному из типов серверов - файловому серверу (File Server). В распространенной терминологии для него принято сокращенное название - файл-сервер.

Файл-сервер хранит данные пользователей сети и обеспечивает им доступ к этим данным. Это компьютер  с большой емкостью оперативной  памяти, жесткими дисками большой емкости и дополнительными накопителями на магнитной ленте (стриммерами). Он работает под управлением специальной операционной системы, которая обеспечивает одновременный доступ пользователей сети к расположенным на нем данным. Файл-сервер выполняет следующие функции: хранение данных, архивирование данных, синхронизацию изменений данных различными пользователями, передачу данных.

Информационные системы, построенные на базе компьютерных сетей, обеспечивают решение следующих  задач: хранение данных, обработка данных, организация доступа пользователей  к данным, передача данных и результатов  обработки данных пользователям.

Архитектура клиент-сервер может использоваться как в одноранговых локальных вычислительных сетях, так и в сети с выделенным сервером.

Одноранговая  сеть. В такой сети нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций и нет единого устройства для хранения данных. Сетевая операционная система распределена по всем рабочим станциям. Каждая станция сети может выполнять функции как клиента, так и сервера. Она может обслуживать запросы от других рабочих станций и направлять свои запросы на обслуживание в сеть. Пользователю сети доступны все устройства, подключенные к другим станциям (диски, принтеры).

Достоинства одноранговых сетей:

• низкая стоимость;
• высокая надежность.

Недостатки одноранговых сетей:

• зависимость эффективности работы сети от количества станций;
• сложность управления сетью;
• сложность обеспечения защиты информации;
• трудности обновления и изменения программного обеспечения станций.

Наибольшей популярностью  пользуются одноранговые сети на базе сетевых операционных систем LANtastic, NetWare Lite.

Сеть с выделенным сервером. В сети с выделенным сервером один из компьютеров выполняет функции хранения данных, предназначенных для использования всеми рабочими станциями, управления взаимодействием между рабочими станциями и ряд сервисных функций. Такой компьютер обычно называют сервером сети. На нем устанавливается сетевая операционная система, к нему подключаются все разделяемые внешние устройства - жесткие диски, принтеры и модемы. Взаимодействие между рабочими станциями в сети, как правило, осуществляется через сервер. Логическая организация такой сети может быть представлена топологией звезда. Роль центрального устройства выполняет сервер. В сетях с централизованным управлением существует возможность обмена информацией между рабочими станциями, минуя файл-сервер.

Достоинства сети с выделенным сервером:

• надежная система защиты информации;
• высокое быстродействие;
• отсутствие ограничений на число рабочих станций;
• простота управления по сравнению с одноранговыми сетями,

Недостатки сети:

• высокая стоимость из-за выделения одного компьютера под сервер;
• зависимость быстродействия и надежности сети от сервера;
• меньшая гибкость по сравнению с одноранговой сетью.

Сети с выделенным сервером являются наиболее распространенными  у пользователей компьютерных сетей. Сетевые операционные системы для таких сетей - LANServer (IBM), Windows NT Server версий 3.51 и 4.0, Windows Server 2000 и 2003 и NetWare (Novell) /6/.

1.3 Анализ топологии  сетей

1.3.1 Топология «шина»

При шинной топологии среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, доступного дня всех рабочих станций, к которому они все должны быть подключены. Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети. Пример такого подключения показан на рисунке 1.

Рисунок 1 – Сеть с топологией «шина»

Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции. Выключение и особенно подключение к такой сети требуют разрыва шины, что вызывает нарушение циркулирующего потока информации и зависание системы.

Благодаря тому, что рабочие станции  можно включать без прерывания сетевых процессов и коммуникационной среды, очень легко прослушивать информацию, т.е. ответвлять информацию из коммуникационной среды.

В ЛВС с прямой (не модулируемой) передачей информации всегда может  существовать только одна станция, передающая информацию. Для предотвращения коллизий в большинстве случаев применяется временной метод разделения, согласно которому для каждой подключенной рабочей станции в определенные моменты времени предоставляется исключительное право на использование канала передачи данных. Поэтому требования к пропускной способности вычислительной сети при повышенной нагрузке снижаются, например, при вводе новых рабочих станций.

В ЛВС с модулированной широкополосной передачей информации различные рабочие станции получают, по мере надобности, частоту, на которой эти рабочие станции могут отправлять и получать информацию. Пересылаемые данные модулируются на соответствующих несущих частотах, т.е. между средой передачи информации и рабочими станциями находятся соответственно модемы для модуляции и демодуляции. Техника широкополосных сообщений позволяет одновременно транспортировать в коммуникационной среде довольно большой объём информации. Для дальнейшего развития дискретной транспортировки данных не играет роли, какая первоначальная информация подана в модем (аналоговая или цифровая), так как она все равно в дальнейшем будет преобразована.

1.3.2 Топология «звезда»

Топология «звезда» это построение сети, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети. Схематично топология «звезда» представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Сеть с топологией «звезда»

Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии.

При расширении вычислительных сетей  не могут быть использованы ранее  выполненные кабельные связи: к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети.

Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями.

Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит  от мощности центрального файлового  сервера. Он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети.

1.3.3 Топология «кольцо»

При топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. 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. На рисунке 3 представлен вид сети с топологией «кольцо».

Рисунок 3 – Сеть с топологией «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 «хочет» передать данные. Передающий компьютер изменяет маркер, помещает электронный адрес 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 приема данных. Получив подтверждение, передающий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть.

На первый взгляд кажется, что передача маркера отнимает много времени, однако на самом деле маркер передвигается  практически со скоростью света. В кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 10 000 оборотов в секунду.

Подключение новой рабочей станции  требует кратко срочного выключения сети, так как во время установки  кольцо должно быть разомкнуто. Ограничения на протяженность вычислительной сети не существует, так как оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.

1.3.4 Другие виды топологий

В настоящее время часто используются топологии, которые комбинируют  компоновку сети по принципу шины, звезды и кольца.

Топология «звезда–шина» – это  комбинация топологий «шина» и «звезда». Чаще всего это выглядит так: несколько  сетей с топологией «звезда» объединяются при помощи магистральной линейной шины.

В этом случае выход из строя одного компьютера не оказывает никакого влияния на сеть – остальные компьютеры по-прежнему взаимодействуют друг с другом. А выход из строя концентратора повлечет за собой остановку подключенных к нему компьютеров и концентраторов.

Также широко используется древовидная  структура. Она образуется в основном в виде комбинаций вышеназванных топологий вычислительных сетей. Основание дерева вычислительной сети располагается в точке (корень), в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева). Пример комбинации нескольких топологий в реализации сети отражен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Комбинированная топология  сети

Вычислительные сети с древовидной  структурой применяются там, где  невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде.

Таблица 1 – Сравнительные характеристики основных топологий сетей

1.4 Виды сетевого соединения

Традиционной и наиболее широко распространенной физической средой передачи информации в локальных  сетях являются кабели. Альтернативой  кабелю в локальных сетях является связь с помощью инфракрасного излучения и радиосвязь, но эти виды связи по ряду причин пока что используются весьма ограниченно. Все многообразие кабелей, применяемых для передачи информации, в первую очередь разделяется на электрические, чаще всего медные (Copper cable), и оптоволоконные (Fiber-optic cable), кратко именуемые Fiber.

При инсталляции сети важно принимать во внимание простоту установки. Использование беспроводных локальных сетей или существующих телефонных кабелей, конечно, облегчает дело, но при необходимости прокладки кабеля существует несколько факторов, которые могут повлиять на ваше решение.

На тип кабеля, который  вы выберите, и требуемое его качество влияет расстояние до каждой рабочей  станции. Каждая кабельная схема  сети требует специальных типов  кабелей. Так, например, в локальных сетях обычно допускается использовать только один тип кабеля. Однако здесь существует некоторая гибкость, о чем будет сказано ниже. Ограничения локального кабеля могут сделать кабель типа "витая пара" более предпочтительным, чем коаксиальный. Проходящий по кабелю локальной сети сигнал излучает помехи, которые могут влиять на внешнюю аппаратуру. Кроме того, этот сигнал может быть перехвачен теми, кто занимается шпионажем. Коаксиальный кабель уменьшает это излучение, а экран действует как внешний проводник.

Некоторые организации, где требуется непрерывное функционирование локальной сети, (такие как госпитали, банки и военные организации) обычно прокладывают наряду с основным и резервный кабель. Часто он прокладывается по другому маршруту. Дополнительные кабели требуют маршрутизаторов, которые помогают сетевым пакетам найти наилучший путь по сети к месту назначения.

1.4.1 Витая пара

Кабель типа "витая  пара" приобретает все большую  популярность при организации сети. В некоторых зданиях такой кабель уже проложен, обеспечивая телефонные линии, но нет гарантии, что он имеет правильный тип. Кабель типа "витая пара" имеет следующие характеристики:

• это наиболее экономичная кабельная система;
• позволяет использовать существующие телефонные линии;
• имеет ограничение по длине, но для связи удаленных сегментов можно использовать коаксиальный или волоконно-оптический кабель;
• восприимчив к некоторым внешним помехам.

В качестве среды передачи используется во всех современных сетевых  технологиях, а также в аналоговой и цифровой телефонии. Кабели на скрученной, или витой паре, в отличие от коаксиального кабеля, симметричны и используются для дифференциальной передачи сигнала. Кабели на основе неэкранированной витой пары. Медный неэкранированный кабель UTP в зависимости от электрических и механических характеристик разделяется на 5 категорий (Category 1- Category5). Кабели категорий 1 и 2 были определены в стандарте EIA/TIA-568, но в стандарт 568А уже не вошли как устаревшие.

Кабели категории 1 применяются  там, где требования к скорости передачи минимальны. Обычно этот кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных.

Кабели категории 2 были впервые  применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. Главное требование к  кабелям этой категории – способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц.

Кабели категории 3 были стандартизированы в 1991 году, когда  был разработан Стандарт телекоммуникационных кабельных систем для коммерческих зданий (EIA-568), на основе которого затем был создан действующий стандарт EIA-568А. Этот стандарт определил электрические характеристики кабелей категории 3 для частот в диапазоне до 16 МГц, поддерживающих, таким образом, высокоскоростные сетевые технологии. Кабель 3 категории предназначен как для передачи данных, так и голоса.

Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3. Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. Кабели категории 4 хорошо подходят для применения в системах с увеличенным расстоянием (до 135 метров) и в сетях Token Ring с пропускной способностью 16 Мбит/с. На практике используются редко.

Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Поэтому их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство новых высокоскоростных стандартов ориентируются на использование витой пары 5 категории. На этом кабеле работают протоколы со скоростью передачи данных 100 Мбит/с – FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, а также более скоростные протоколы – ATM на скорости 155 Мбит/с, и Gigabit Ethernet на скорости 1000 Мбит/с.

Экранированная витая  пара STP хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитных колебаний вовне, что защищает в свою  очередь, пользователей сетей от вредного для здоровья излучения. Экранированный кабель применяется только для передачи данных, а голос по нему не передают.

Для присоединения экранированных кабелей к оборудованию используются разъемы конструкции IBM /3/.

1.4.2 Коаксиальный кабель

Коаксиальные кабели имеют следующие характеристики:

• от внешних помех этот кабель защищается с помощью экранирования;
• при прокладке на длинные расстояния он действует как антенна, "собирая" помехи от двигателей, радиопередатчиков и других электроисточников. Это может исказить передаваемый сигнал;
• у него существуют проблемы с заземлением;
• он генерирует сигналы, которые могут перехватываться злоумышленниками;

Существует большое  количество типов коаксиальных кабелей, используемых в сетях различного типа: телефонных, телевизионных и компьютерных.

- RG-8 и RG-11 – «толстый» коаксиальный кабель, разработанный для сетей Ethernet. Имеет волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр 0,5 дюйма (12мм). Этот кабель имеет достаточно толстый внутренний проводник диаметром 2,17 мм, который обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики (затухание на частоте 10МГц – не хуже 18дБ/км). Зато этот кабель сложно монтировать – он плохо гнется.

-  RG-58/U, RG-58A/U и RG-58C/U –разновидности «тонкого» коаксиального кабеля для сетей Ethernet 10Base-2. Кабель RG-58/U имеет сплошной внутренний проводник, а кабель RG-58А/U – многожильный. Все эти разновидности имеют волновое сопротивление 50 Ом, но обладают худшими механическими и электрическими характеристиками. Тонкий внутренний проводник 0,89мм не так прочен, зато обладает гораздо большей гибкостью, удобной при монтаже. Затухание в этом типе кабеля выше, чем в «толстом» коаксиальном кабеле, что приводит к необходимости уменьшать длину кабеля для получения одинакового затухания в сегменте. Для соединения кабелей с оборудованием используется разъем типа BNC.

- RG-59 – телевизионный кабель с волновым сопротивлением 75Ом. Применяется в кабельном телевидении.

- RG-62 – кабель с волновым сопротивлением 93 Ома, используется в сетях ArcNet, оборудование которых сегодня практически не выпускается /7/.

1.4.3 Оптоволоконный кабель

Оптоволоконный кабель – наиболее дорогой сетевой кабель, но в последнее время его цена снижается. Он имеет следующие характеристики:

• используется обычно в сочетании с кабелями других типов и соединяет серверы и сегменты локальных сетей;
• имеет большую потенциальную длину сегмента и обеспечивает большую скорость передачи, чем другие кабели;
• не генерирует сигналов, обеспечивая тем самым высокую степень защиты;
• на него не влияют внешние электропомехи.