Комп’ютерна мережа технології Ethernet масштабу будинку

 

 

Міністерство освіти і науки України

Національний університет „Львівська політехніка”

Кафедра ЕОМ

 

 

 

 

 

 

 

Пояснювальна записка

до курсової роботи

з курсу:

„Комп’ютерні мережі”

на тему:

„Комп’ютерна мережа технології Ethernet масштабу будинку”

                                                                                              

 

 

 

 

 

Виконав:

ст.гр.КІ-31

Коберник Т. Б.           Прийняв:ст..викл.          Міюшкович Є.Г.

 

 

 

 

Львів – 2011

 

Завдання

Завданням даної курсової роботи є розробка плану побудови мережі з наступними стандартами: 10Base-2 100 Base – 5. Також потрібно забезпечити 4 основні умови для яких мережа Ethernet , що складається з сегментів різних фізичних середовищ, має  працювати коректно:

1. Кількість станцій в мережі не більше 1024;

2. Максимальна довжина кожного фізичного сегмента не більша величини дозволеної стандартом;

3. Час подвійного обертання  сигналу (Path Delay Value, PDV) між двома найвіддаленішими  одна від одної станціями в  мережі не повинен перевищувати 575 бітових інтервалів;

4. Скорочення міжкадрового  інтервалу IPG (Path Variability Value, PVV) при проходженні  кадрів через всі повторювачі  не повинно бути більшим ніж 49 бітових інтервалів. Оскільки при  відправленні кадрів кінцеві  вузли забезпечують початкову міжкадрову відстань в 96 бітових інтервалів, то після проходження повторювача вона повинна бути не менша ніж 96 – 49 = 47 бітових інтервалів.

Також потрібно обрахувати вартість побудованої мережі.

 

 

Анотація

В курсовій роботі розроблено план побудови мережі з використанням наступних стандартів: 10 Base-5 та 100 Base-2, також проведено оцінку працездатності комп’ютерної мережі згідно 4 основних умов і проведено оцінку(грошову) мережі.

 

 

Зміст

Завдання...…………………………………………………………………………2

Анотація……………………...……………………………………………………3

1. Вихідні дані для проектування………………………………………………...5

2. Теоретичні відомості…………………………………………………………...5

2.1. Основні елементи LAN-технологій…………………………………..6

2.2. Кабельні системи………………………………………………………9

2.3.  Комунікаційні мережні засоби………………...……………………11

2.4. Особливості мережної  технології Ethernet……………………...….18

2.4.1. Етапи розвитку технології Ethernet………………………...18

2.4.2. Формати кадрів технології  Ethernet………………………..21

2.4.3. Правила побудови  мереж Ethernet стандарту 10 Base.........23

3. Опис проекту мережі………………………………………………………….26

4. Обрахунки працездатності  мережі…………………………………………..29

4.1. Обрахунок PDV (Path Delay Value)…………………………………29 4.2. Розрахунок PVV (Path Variability Value)……………………………30

5.Розрахунок вартості мережі….……………………………………………….32

5.Висновок……………………….……………………………………………….35

6. Список використаної літератури……………………………………………..36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Вихідні дані  для проектування

В таблиці 1.1. наведені вихідні дані для проектування.

Стандарти можливих технологій	Кількість поверхів	Габарити поверху	Кількість робочих груп (кімнат на поверсі)	Кількість комп’ютерів в робочій групі
10 Base-5 100 Base-2	2	12*12	4	6

Таблиця 1.1. Вихідні дані для проектування.

2. Теоретичні відомості

           З року в рік комп‘ютерна промисловість пропонує нові пристрої та нові технології, що сприяють подальшому ширшому впровадженню комп’ютерних та інформаційних засобів в наше життя, до яких відносяться і комп’ютерні мережі.

           Зокрема, локальна комп’ютерна мережа -  це комунікаційна система, яка дозволяє користувачам комп’ютерів ( в даному випадку – мережних робочих станцій) обмінюватися інформацією, спільно використовувати прикладні програми, передавати файли між комп'ютерами, розділяти доступ і спільно використовувати ресурси комп'ютерів , а також таких пристроїв, підключених до мережі, як принтери, плотери, диски, модеми, приводи CD-ROM та ін.. Постійне зростання  можливостей і продуктивності  комп'ютерів  обумовило зростання  вимог до ефективності функціонування мереж.

          Для локальних мереж , як правило, прокладається спеціалізована кабельна  система  і положення можливих  точок підключення абонентів  визначається  цією кабельною  системою.

            Сьогодні локальні мережі - це  складні системи , які вимагають кваліфікованого обслуговування і адміністрування.

          Для побудови локальних зв'язків  між комп'ютерами використовуються  різні види кабельних систем, мережні адаптери, концентратори-повторювачі, мости, комутатори і маршрутизатори, а також пристрої передачі даних на значні відстані – модеми. Існують ряд стандартів мережних технологій, різні мережні операційні системи. Таким чином, при побудові конкретної локальної мережі дуже важливо зробити правильний вибір з огляду на усі вихідні умови та впливаючі фактори.

           Запропоноване рішення повинно  відповідати конкретним умовам  застосування. Так вимоги висунуті  невеликими фірмами, значно відрізняються  від вимог з боку великих  організацій. Вибір типу мережі  залежить від багатьох факторів: масштабів підприємства, необхідного рівня безпеки, виду діяльності організації, рівня адміністративної підтримки, обсягу мережного трафіку, потреб мережних користувачів, фінансових витрат та ін. І навіть після розробки варіантів мереж, які  відповідають конкретними вимогам, необхідно зробити вибір між ними, давши об'єктивну оцінку за багатьма критеріями.          

2.1. Основні елементи LAN-технологій

Топологія „загальна шина”

 

 

 

           Усі комп'ютери підключаються  до одного кабелю. На його кінцях  повинні бути розташовані термінатори (“заглушки”). Їхня наявність для  мереж Ethernet обов’язкова. За такою  топологією будуються 10 Мегабітні мережі Ethernet (10Base-2 і 10Base-5). Як правило використовуються коаксіальні кабелі. Це пасивна топологія, яка ґрунтується на використанні одного загального каналу зв'язку і колективного використання його в режимі розподілу часу. Порушення кабелю між термінаторами, або кожного з двох термінаторів, приводить до виходу з ладу ділянки мережі між цими термінаторами (тобто сегмента мережі). Відключення кожного з підключених пристроїв на роботу мережі не впливає. Несправність каналу зв'язку виводить з ладу всю мережу.

            Усі комп'ютери в мережі “слухають”  несучий сигнал і не беруть  участі в обміні даними між  двома комп’ютерами, які спілкуються. Пропускна здатність такої мережі  знижується із збільшенням інформаційного  навантаження а також при збільшенні кількості  підключених комп’ютерів.

           Для об'єднання окремих сегментів  шини можуть використовуватися  активні пристрої - повторювачі (repeaters) з окремим джерелом живлення.

           В 100 Мбітних мережах Ethernet така топологія не застосовується.

                                              Топологія “зірка”

 

 

           В цьому випадку кожний комп'ютер ( або інший пристрій ) підключається  окремим кабелем до окремого  порту спеціального мережного  пристрою, що утворює центр “зірки”, яким може бути концентратор (Hub), повторювач (Repeater),  комутатор (Switch)  або   міст (Bridge).

           Центр “зірки” може бути як  активними, так і пасивними. Якщо  між підключеним до мережі  пристроєм і , наприклад, концентратором  відбувається розрив з'єднання, то вся інша мережа продовжує працювати. Правда, якщо цим пристроєм був єдиний сервер, то відновити роботу мережі  буде досить важко. При виході з ладу концентратора ( або іншого “центра”) мережа перестане працювати. Ця  топологія має переваги при пошуку ушкоджень мережних елементів: кабелю, мережних адаптерів, з‘єднань та ін.. При підключенні нових пристроїв "зірка" також зручніша у порівнянні з топологією загальна шина. Як передаюче середовище використовуються скручена пара та оптоволоконні кабелі.

           В теперішній час 100 і 1000 Мбітні  мережі Ethernet будуються переважно  за топологією "зірка".

                                         Топологія “кільце”

           Це активна топологія. Усі комп'ютери (робочі станції) в мережі зв'язані  замкнутим фізичним кільцем. Прокладка  кабелів між робочими станціями  може виявитися досить складною  і дорогою, якщо вони розташовані  не по колу, а , наприклад, у лінію. В якості передаючого середовища  в мережі можуть використовуватись всі існуючі види кабелів, але переважно скручена пара або оптоволокно. Повідомлення циркулюють по колу. Робоча станція може передавати інформацію іншій робочій станції тільки після того, як одержить право на передачу (тобто отримає “маркер”, спеціальний інформаційний кадр), тому колізії виключені. Інформація передається по фізичному кільцю від однієї робочої станції до іншої, тому при виході з ладу одного комп'ютера, якщо не приймати спеціальних заходів, вийде з ладу вся мережа. Час передачі повідомлень зростає пропорційно збільшенню кількості робочих станцій у мережі . Обмежень на діаметр кільця не існує, тому що він визначається тільки відстанню між станціями в мережі. В мережах Ethernet ця топологія не використовується.

            Крім розглянутих вище, широко  застосовуються так звані гибридні  мережні топології: “зірка-шина”, “зірка-кільце”, “зірка-зірка”, “дерево”, які є  розвитком  “зірки”, та ін..   

 

 

 

 

2.2Кабельні системи

Частота, МГц	Швидкість передавання, Мбіт/с	Клас, категорія
Менше 1                            1           16           20          100          100          200          600	До 20 Кбіт/с                   1                  16                  20                 100                1000       більше 1 Гбіт/с	1,А               2,В              3,С                4              5,Д               5+              6,Е              7,F

Таблиця 2.2.1. Категорії та класи кабелів

Тип кабелю “скручена пара”

           Цей тип кабелю є найдешевшим  і найпоширенішим. Він містить  дві або більше пари провідників. В кожній парі провідники  скручені один з одним по всій довжині кабелю. Скручування дозволяє підвищити завадостійкість кабелю і зменшити вплив сигналу в кожній парі на всі інші. Максимальна відстань передавання  при його використанні  1.5-2.0 км, а максимальна швидкість - 1.2 Гбіт/с. Тривалість поширення сигналу 8-12 нс/м . Загасання сигналу 12-28 Дб на 100 м на частоті 10 МГц.

           Найбільш популярним видом середовища  передачі даних на невеликі  відстані (до 100 м) стає неекранована скручена пара ( UTP ), що включена практично в усі сучасні стандарти і технології локальних мереж і забезпечує пропускну здатність до 100 Мб/с (на кабелях категорії 5)

          Екранована скручена пара суттєво дорожча неекранованої, але забезпечує кращу електромагнітну сумісність кабельної системи з джерелами і приймачами сигналів, та забезпечує менший рівень випромінювання в навколишнє середовище ( показник ЕМІ- Electromagnetic Interference ). Використовують фольговану (FTP), та екрановану ( STP) скручені пари та їх комбінації.

           Все ж таки всі види скручених пар мають гірший захист від завад, ніж у коаксіальному кабелі. 

Показник	UTP	FTP	S/FTP	S/STP
Ціна в $ за 1 км     Максимальна          частота,    МГц     Товщина,  мм     Встановлення      Заземлення	200-300         100            5.1        Легке        Легке	280-420         150            6.2        Легке        Важке	460-690           300              6.5         Легке                       Легке	700-1050          300             7.3        Важке         Легке

 

Таблиця 2.2.2. Порівняльні характеристики скручених пар

           Згідно європейського стандарту  мережне обладнання в промислових  умовах повинно мати випромінювання  до 40 Дб на відстані 10 м, а для  комерційних та непромислових  умов експлуатації – до 30 Дб ( показник ЕМІ).

Коаксіальний кабель

           Коаксіальний кабель складається із центрального провідника (одно-  або багатожильного), покритого шаром полімерного ізолятора, поверх якого розташований інший провідник - екран.  Екран являє собою плетіння з мідного проводу або фольги,  обгорнених  навколо  ізолятора . У високоякісних кабелях присутні і плетіння і фольга. Коаксіальний кабель забезпечує більш високу завадостійкість у порівнянні із скрученою парою, але він значно дорожчий. Існують різні види коаксіальних кабелів. При установці мережі необхідно вибирати кабель у точній відповідності із специфікацією на обладнання.

             За техніко-експлуатаційними характеристиками  розрізняють широко- та вузькосмугові  коаксіальні кабелі. Широкосмугові коаксіальні кабелі мають швидкість передавання сигналу 300-500 Мбіт/с, загасання сигналу на частоті 100 МГц – до 7 Дб на 100 м. Погонна затримка поширення сигналів – 2-5 нс/м. Вузькосмугові коаксіальні кабелі мають швидкість  передавання до 50 Мбіт/с, загасання сигналів на частоті 10 МГц - 4 Дб на 100м , а інші параметри аналогічні. Довжина коаксіального кабелю в мережі переважно визначається загасанням сигналу. Якщо сигнал загасає дуже сильно, то використовують повторювач, який його поновлює.

Оптоволоконний кабель

             В оптоволоконних кабелях сигнали передаються у вигляді модульованих світлових імпульсів. У якості світловода виступає тонкий скляний циліндр. Довкола нього – скляна оболонка з великим коефіцієнтом переломлення. Усе це знаходиться під зовнішньою полівінілхлоридною оболонкою. Зверху може знаходитися броньоване плетіння зі сталі, чи пластику. Чим кабель краще захищений, тим він товстіший, і з ним складніше працювати. Останнім часом все ширше використовують прозорі пластикові волокна.

             Оптоволоконні кабелі поділяються на 2 види – одномодові і багатомодові.

             В одномодовому кабелі товщина внутрішньої жили дорівнює довжині хвилі світлового сигналу (~10мкм), ослаблення сигналу незначне. Для генерації світла використовуються напівпровідникові лазери. Теоретично можлива максимальна швидкість передавання доходить до 200 Гбіт/с, а відстань передачі до 110 км.

             У багатомодовому кабелі декілька  жил, є можливість одночасно посилати  кілька потоків даних. Відстань  передачі до 2-3 км.

             Сигнал в оптоволокні майже  не загасає і не спотворюється. Немає залежності і від електромагнітних  перешкод. Оптоволоконні кабелі  в основному   використовують   при   створенні   магістральних  ліній зв’язку комп’ютерних  мереж.

2.3  Комунікаційні мережні засоби

Повторювачі (Repeaters)

             Для побудови найпростішої односегментної  мережі досить мати мережні  адаптери і кабель відповідного  типу. Але навіть у цьому простому  випадку часто використовуються  додаткові пристрої - повторювачі сигналів (repeaters), які дозволяють подолати обмеження на максимальну довжину кабельного сегмента.

             Основна функція повторювача - одержавши  дані на одному із своїх  портів негайно перенаправляти (forward) їх на інші порти. У процесі  передачі даних на інші порти дані  формуються заново, щоб виключити будь-які відхилення, що могли виникнути під час руху сигналу від джерела.

             Повторювачі також можуть виконувати  функцію, названу "поділ". Якщо  визначено велику кількість колізій, що відбуваються на одному з портів повторювача, останній робить висновок, що відбулася аварія на сегменті,  підключеному до цього порту, і ізолює такий сегмент від іншої мережі. Функція “поділ”, таким чином, запобігає поширенню помилок в одному сегменті на всю мережу.

Концентратори (Hubs)

             Багатопортовий повторювач часто  називають концентратором (hub, concentrator), тому  що даний пристрій реалізує не тільки функцію повторення сигналів, але і функції об'єднання комп'ютерів та окремих сегментів в  мережу. Практично в усіх сучасних мережних стандартах концентратор є необхідним елементом.

         Концентратори утворюють з окремих  фізичних відрізків кабелю загальне  середовище передачі даних - логічний сегмент. Логічний сегмент також називають доменом колізій.

         Конструкцію концентраторів визначає  їх область застосування. Концентратори  робочих груп найчастіше випускаються  як пристрої з фіксованою кількістю  портів, корпоративні концентратори  – як модульні пристрої на  основі шасі, а концентратори  відділів можуть мати стекову конструкцію . Такий розподіл не є жорстким  і в якості корпоративного концентратор може використовуватись, наприклад, модульний концентратор. 

Мости (Bridges)

           При використанні повторювачів  максимальна довжина мережі складає 2500 метрів. Для подолання цього обмеження потрібні інші пристрої, так звані мости (bridge). Мости мають багато відмінностей від повторювачів. Повторювачі передають усі мережні пакети, а мости тільки ті, які потрібні в конкретному сегменті.  Якщо пакет не треба передавати в інший сегмент, він фільтрується. Для мостів існують численні алгоритми (правила) передачі і фільтрації пакетів. Мінімальною вимогою є фільтрація пакетів за адресою одержувача.

           Іншою важливою відмінністю мостів  від повторювачів є те, що сегменти, підключені до повторювача, утворюють одне передаюче середовище, яке розділяється, а сегменти, підключені до кожного порту моста утворюють своє окреме середовище .

              При використанні моста користувачі  одного сегмента розділяють смугу перепускання, а користувачі різних сегментів використовують незалежні середовища. Отже, міст забезпечує переваги як з погляду розширення мережі, так і забезпечення більшої смуги перепускання для кожного користувача.

         Мости не залежать від протоколу і передають пакети порту, до якого підключений адресат. Усі пакети буферизуються перед їхнім пересиланням у порт адресата. Буферизація пакетів (store-and-forward) приводить до виникнення затримки в порівнянні з комутацією на ходу. Мости можуть забезпечувати продуктивність, рівну пропускній здатності середовища, однак внутрішнє блокування трохи знижує швидкість їхньої роботи.

          Наприкінці 80-х років почалося  широке поширення мереж на  основі кабелю  “скручена пара”. Нова технологія 10Base-T стала дуже популярною і привела до трансформації топології мереж від шинної магістралі до організації з'єднань типу "зірка". Вимоги до повторювачів і мостів для таких мереж істотно змінилися в порівнянні з простими двопортовими пристроями для мереж із шинною топологією. Сучасні мости і повторювачі це складні багатопортові пристрої. Мости дозволяють сегментувати мережі на менші частини, у яких загальне середовище передавання розділяє невелике число користувачів.

 

 

Комутатори  (Switches)

            Зменшення числа вузлів в мережі називається сегментацією. Вона здійснюється за рахунок поділу великої мережі на менші частини - сегменти. Оскільки користувачам, як правило, необхідно мати доступ до ресурсів всіх сегментів, потрібні механізми забезпечення  міжсегментного обміну з досить високою швидкістю. Пристрої, які називаються комутаторами, надають такі можливості.

            Комутатори подібно мостам і  маршрутизаторам здатні сегментувати  мережі.  Як і багатопортові  мости, комутатори передають пакети  між портами на основі адреси одержувача, яка включена до кожного пакета. Реалізація комутаторів звичайно відрізняється від мостів у частині можливості організації одночасних з'єднань між будь-якими парами портів пристрою - це значно розширює сумарну пропускну здатність мережі. Більше того, мости у відповідності із стандартом IEEE 802.1d,  повинні прийняти весь  пакет  до того моменту, як він почне передаватись адресату, а комутатори можуть почати передачу пакета, не прийнявши його повністю.

            Технологія комутації сегментів Ethernet була запропонована фірмою Kalpana у 1990 році у відповідь на зростаючі потреби у підвищенні пропускної здатності зв'язків високопродуктивних серверів із сегментами робочих станцій.

             Віртуальні з'єднання. Комутатор Ethernet підтримує внутрішню таблицю, яка зв'язує порти з адресами підключених до них пристроїв. Цю таблицю адміністратор мережі може створити самостійно або задати її автоматичне створення засобами комутатора.                     

MAC-адреса	Номер порта
A	1
B	2
C	3
D	4

            Використовуючи таблицю адрес  і адресу одержувача, що міститься  в пакеті, комутатор організує  віртуальне з'єднання порту відправника  з портом одержувача і передає  пакет через це з'єднання. На  Рис.2.3.1 вузол А посилає пакет вузлу D. Знайшовши адресу одержувача у своїй внутрішній таблиці, комутатор передає пакет у порт 4.

                                          Рис.2.3.1 Віртуальне з’єднання

                 Віртуальне з'єднання між портами  комутатора зберігається на час  передачі одного пакета, тобто для кожного пакета віртуальне з'єднання організується знову на основі адреси, що міститься в даному пакеті.

            Оскільки пакет передається тільки  в той порт, до якого підключений  адресат, інші користувачі (у нашому прикладі - B і C) не отримають цей пакет. Таким чином, комутатори забезпечують засоби безпеки, недоступні для стандартних повторювачів Ethernet.

                                        Рис.2.3.2 Одночасні з’єднання

Одночасні з'єднання. У комутаторах Ethernet передача даних між будь – якими парами портів відбувається незалежно і, отже, для кожного віртуального з'єднання виділяється вся смуга перепускання каналу. Наприклад,  комутатор 10 Mбіт/с на Рис.2.3.2 забезпечує одночасну передачу пакета з A в D і з порту B   порт C зі смугою 10 Mбіт/с для кожного з'єднання.

              Оскільки для кожного з'єднання  дається смуга 10 Mбіт/с, сумарна перепускна  здатність комутатора в наведеному  прикладі складає 20 Mбіт/с. Якщо дані  передаються між великим числом  пар портів, інтегральна смуга відповідно розширюється. Наприклад, 24 портовий комутатор Ethernet може забезпечувати інтегральну пропускну здатність до 120 Mбіт/с при одночасній організації 12 з'єднань зі смугою 10 Mбіт/с для кожного з них. Теоретично, інтегральна смуга комутатора росте пропорційно числу портів. Однак, в реальності швидкість пересилання пакетів, що вимірюється в Mбіт/с, менша ніж сумарна смуга пар портів за рахунок так званого внутрішнього блокування. Для комутаторів високого класу блокування незначно знижує інтегральну перепускну смугу пристрою.

              Комутатор Ethernet 10Mбіт/с може забезпечити  високу перепускну здатність  за умови організації одночасних  з'єднань між усіма парами портів. Однак,  реально трафік звичайно  являє собою ситуацію "один до багатьох" (наприклад, безліч користувачів мережі звертається до ресурсів одного сервера). У таких випадках перепускна здатність комутатора в нашому прикладі не буде перевищувати 10 Mбіт/с і комутатор не забезпечить істотної переваги в порівнянні зі звичайним концентратором (повторювачем) з точки зору режиму, що розглядається.

              На Рис.2.3.3 три вузли A, B і D передають дані вузлу C. Комутатор зберігає пакети від вузлів A і B у своїй пам'яті доти, доки не завершиться передача пакета з вузла D. Після завершення передачі цього пакета комутатор починає передавати пакети від вузлів А та В, які зберігаються в пам’яті.              

                                              Рис.2.3.3 Варіант блокування

     У даному  випадку перепускна здатність комутатора визначається смугою каналу C (у даному випадку 10 Mбіт/с). Описана в даному прикладі ситуація є іншим варіантом блокування.

                                       Маршрутизатори  (Routers)

             Маршрутизатор (router) дозволяє організовувати в мережі надлишкові зв'язки, які утворюють петлі. Це стає можливим тому, що маршрутизатор приймає рішення про передачу пакетів на підставі більш повної інформації про зв'язки у мережі, ніж міст чи комутатор. Маршрутизатор має у своєму розпорядженні базу топологічної інформації, яка містить дані про те, наприклад, між якими підмережами деякої мережі існують зв'язки і в якому стані (працездатному чи ні) вони знаходяться. Маючи таку інформацію, маршрутизатор може вибрати один з декількох можливих маршрутів доставки пакета адресату. У даному випадку під маршрутом розуміють  проходження пакетом послідовності з декількох маршрутизаторів. На відміну від моста/комутатора, який не володіє інформацією про те, як зв'язані сегменти мережі  за  межами його портів, маршрутизатор аналізує всі існуючі зв'язки підмереж, тому він може вибрати оптимальний за деяким критерієм маршрут при наявності декількох альтернативних маршрутів. Рішення про вибір того чи іншого маршруту приймається кожним маршрутизатором, через який проходить пакет.

                При побудові складної мережі  можуть бути корисні всі типи  комунікаційних пристроїв: і концентратори, і мости, і комутатори, і маршрутизатори (мережні адаптери виключені з  цього списку тому, що вони  необхідні завжди). Найчастіше окремий комунікаційний пристрій виконує тільки одну основну функцію, представляючи собою або повторювач, або міст, або комутатор, або маршрутизатор. Але це не завжди зручно, тому що в деяких випадках більш раціонально мати в одному корпусі багатофункціональний пристрій, який може об’єднати ці базові функції і тим самим дозволяє розроблювачу мережі використовувати його більш гнучко.