Компьютерные сети компании

ВВЕДЕНИЕ

 

Целью курсового проектирования является разработка проекта по созданию локальной вычислительной сети здания в соответствии с приведенным техническим заданием.

Заданием предусмотрен расчёт локальной сети 3-х этажного здания, в котором находятся 7 фирм с числом сотрудников от 40 до 73 человек. Техническим заданием также предусмотрено определённое количество серверов баз данных, приложений, удалённого доступа. В соответствии с заданием необходимо предусмотреть организацию телефонной связи (5 телефонных линий) и выход в сеть Internet.

В результате разработки проекта  необходимо составить план здания со схемой проектируемой сети, выполнить расчёт технических характеристик спроектированной сети, распределить адресное пространство между всеми фирмами, расположенными в здании. На основании полученных характеристик необходимо выбрать активное и пассивное сетевое оборудование, обеспечивающее качественную работу сети и её масштабируемость с минимально возможными экономическими затратами.

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

В результате разработки курсового  проекта необходимо спроектировать и рассчитать основные параметры компьютерной сети компании.

Разработать структурную  схему LAN компании, включающую общий выход в Internet, при следующих исходных данных:

1. количество этажей в здании (номера этажей – 1, 3, 5);
2. количество фирм в здании ;
3. количество сотрудников в фирме ;
4. количество городских телефонных линий ;
5. фирмы занимают помещения на разных этажах;
6. допустимо использовать оборудование, поддерживающее протоколы 802.1p и 802.1q;
7. количество серверов в каждой фирме:

- СУБД –  ;

- WEB + mail – ;

- IP-PBX (сервер IP-телефонии) – ;

- файл-сервер – ;

- сервер удалённого доступа  –  ;

8. серверы расположены в отдельных помещениях;
9. трафик между фирмами отсутствует;
10. стоимость оборудования сети (без стоимости компьютеров) должна быть минимально возможной при условии обеспечения её корректности и масштабируемости;
11. для LAN выделены внутренние IP-адреса сетей класса С.

 

Планы помещений, размещения рабочих мест и условные обозначения  на плане приведены в Приложении I.

 

 

1. ЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ LAN

1. Анализ технического задания

 

В соответствии с техническим  заданием и представленным планом здания выберем технологию проектируемой  ЛВС.

1. В качестве топологии проектируемой ЛВС выберем топологию «звезда» с центром в информационном узле на 1-ом этаже, а также узлами на 3-ем и 5-ом этажах. Выбор размещения узлов на каждом этаже обусловлен не столько количеством пользователей на каждом из этажей, сколько тем фактом, что размещение компьютеров через этаж заметно увеличивает длину кабельных трасс до единого информационного центра.
2. Серверные помещения, в которых установлены сервера и сетевое оборудование, разместим по одному на этаж. При выборе учитывалась удаленность каждого клиентского компьютера от данного узла.
3. В качестве технологии используем технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.
4. В качестве магистралей выберем кабель типа «витая пара» категории 5e (CAT5e), обеспечивающий скорость передачи данных до 1 Гбит/с.

Перед тем, как приступить непосредственно к реализации сети, рассчитаем нагрузку на сеть, используя созданный план сети, и в соответствии с этим выберем все необходимое оборудование, которое будет наиболее оптимальным по соотношению цены и качества в условиях данной сети.

2. Обзор литературы

 

Приведём основные теоретические  сведения о проектировании локальных  вычислительных сетей.

Локальная вычислительная сеть, ЛВС (Local Area Network, LAN ) – это группа связанных между собой компьютеров, серверов, принтеров, расположенных в пределах здания, офиса или комнаты. Локальная сеть  дает возможность получать совместный доступ к общим папкам, файлам, оборудованию, различным программам и т.д.

Использование ресурсов локальной сети дает возможность существенно снизить финансовые затраты предприятия, повысить уровень безопасности хранения важных данных, сократить временные затраты сотрудников компании на решение различного рода задач, а также повышение общей эффективности работы.

Локальная сеть состоит из следующего оборудования и технологий:

- концентраторы (HUB) – соединяет сетевые кабели и обеспечивает взаимодействие между подключенными к ним устройствами (компьютеры, периферийное оборудование и т.д.);

- управляемый коммутатор – концентратор, который предоставляет возможности начального администрирования конфигурации локальной сети;

- файл-сервер – один компьютер локальной сети, предоставляющий дисковое пространство для хранения информации с возможностью непрерывного доступа к ней пользователям;

- сервер авторизации и доступа – основной сервер локальной сети, на котором происходит регистрация всех пользователей сети и организация доступа к ресурсам. Сервер выполняет следующие задачи: хранение используемых данных, распределение доступа к ресурсам, обеспечение работы выхода в сеть Интернет, защита сети от внешних вторжений.

Все компьютеры в локальной  сети соединены линиями связи. Геометрическое расположение линий связи относительно узлов сети и физическое подключение  узлов к сети называется  физической топологией. В зависимости от топологии различают сети: шинной, кольцевой, звездной, иерархической и произвольной структуры.

В сети, построенной по топологии типа «звезда», каждая рабочая станция подсоединяется кабелем (витой парой) к центральному узлу (концентратору или коммутатору). Центральный узел обеспечивает параллельное соединение ПК и, таким образом, все компьютеры, подключенные к сети, могут общаться друг с другом.

Весь обмен информацией  идет исключительно через центральный  узел, на который, таким образом, ложится очень большая нагрузка, поэтому он не может выполнять других функций, кроме передачи данных в сети.

Звезда  может носить название активной или  истинной звезды. Существует также  топология, называемая пассивной звездой, которая имеет лишь физическую топологию  «звезда», а логическую – «шина».

В центре сети с данной топологией помещается концентратор (повторитель). Он восстанавливает приходящие сигналы  и пересылает их в другие линии  связи. Хотя схема прокладки кабелей  подобна истинной или активной звезде, фактически мы имеем дело с шинной топологией, так как информация от каждого компьютера одновременно передается ко всем остальным компьютерам, а  центрального абонента не существует. Естественно, пассивная звезда получается дороже обычной шины, так как в  этом случае обязательно требуется  еще и концентратор.

Преимущества сетей топологии  «звезда»:

• легко подключить новый ПК;
• имеется возможность централизованного управления;
• сеть устойчива к неисправностям отдельных ПК и к разрывам соединения отдельных ПК.

Недостатки сетей топологии  «звезда»:

• отказ центрального узла влияет на работу всей сети;
• большой расход кабеля.

Кабель UTP САТ5е (полоса частот 125 МГц) – это 4-х парный неэкранированный кабель типа «витая пара», который благодаря высокой скорости передачи (до 100 Мбит/с при использовании 2-х пар и до 1000 Мбит/с при использовании 4-х пар), является самым распространённым сетевым носителем, использующимся в компьютерных сетях.

В настоящее  время наиболее распространённые технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, как и более ранняя Ethernet используют в работе топологию звезда.

Ethernet – пакетная технология передачи данных локальных компьютерных сетей. Стандартами Ethernet определены проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде на канальном уровне модели OSI. Ethernet специфицирован стандартами IEEE группы 802.3.

Технологии  Fast Ethernet и Gigabit Ethernet – технологии передачи данных, которые позволяют удовлетворить потребности в высокоскоростной передаче данных в локальной сети при относительно низких затратах на телекоммуникационное оборудование. Совместимость оборудования Fast Ethernet с технологиями предыдущих поколений (Ethernet) позволяет сохранить работоспособность созданной ранее телекоммуникационной инфраструктуры.

VoIP (Voice-over-IP — IP-телефония) – технология пакетной передачи речевого сигнала по сети Интернет или по любым другим IP-сетям. Сигнал по каналу связи передается в цифровом виде и, как правило, перед передачей сжимается для того, чтобы удалить избыточность, свойственную человеческой речи.

 

1.3 Определение нагрузки на сеть

 

Нагрузка на сеть – это  объём данных, реально передаваемый по сети в единицу времени:

 

, (1)

 

где D – суммарный объём данных, переданный за время t.

Нагрузку на сеть также  можно определить, исходя из объёма данных в единицу времени  , приходящийся на одну рабочую станцию:

 

, (2)

 

где n – число компьютеров в сети.

Расчет  нагрузки на один компьютер в сети осуществляется по формуле:

 

, (3)

 

где D – суммарный объём данных, переданный за время t одной рабочей станцией.

При значениях D =10 МБ, t = 60 секунд, тогда .

Тогда нагрузка на сеть составляет: .

 

1.4 Определение пропускной способности сети

 

Пропускная способность С – это максимально возможная для данной сети скорость передачи данных, которая определяется битовой скоростью и некоторыми другими ограничивающими факторами (длительность интервалов между передаваемыми блоками данных, объем передаваемой по сети служебной информации и др.). Значения пропускной способности для сетевых технологий известны и приводится в стандарте. В большинстве случаев можно принять пропускную способность равной битовой скорости.

С для стандарта 100BASE-TX составляет 100 Мбит/с = 12,5 МБ/с.

 

1.5 Определение коэффициента использования сети

 

Коэффициент использования  сети равен отношению нагрузки на сеть к пропускной способности. Коэффициент  использования сети рассчитывается по формуле:

 

, (4)

 

Подставив данные, получим h = 69,87/12.5 = 5,5896.

Несмотря на то, что скорость передачи данных в сети определенной технологии всегда одна и та же, производительность сети уменьшается с увеличением  объема передаваемых данных. Во-первых, объем передаваемых данных (трафик) делится между всеми компьютерами сети. Во-вторых, даже та доля пропускной способности разделяемого сегмента, которая должна приходиться на один узел, очень часто ему не достается  из-за особенностей работы механизма  доступа к общей среде передачи данных. После определенного предела  увеличение коэффициента использования  сети приводит к резкому уменьшению реальной скорости передачи данных. Потери времени, связанные с работой  механизма доступа к разделяемой  среде зависят от характера обращений  компьютеров к сети и не могут  быть точно рассчитаны, поэтому для  обеспечения достаточной производительности задается предельное значение коэффициента использования сети, при котором  сеть будет быстро реагировать на обращения пользователей.

 

1.6   Логическая схема  сети

 

В результате анализа технического задания, принятой топологии и размещения оборудования по этажам здания логическая схема сети будет представлять собой сеть типа звезда и представлена на рисунке 1.

 

 

 

 

2. ФИЗИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ LAN

 

2.1 Выбор типов спецификаций физической среды

 

В качестве среды передачи  для построения локальной сети выбрана  медная неэкранированная «витая пара» категории 5е, которая позволяет строить локальные сети с длиной сегмента до 100 метров по технологии 100Base-TX и дальнейшее расширение до скоростей 1 Гбит/с по технологии 1000Base-T без перекладывания кабельной инфраструктуры. По международному стандарту ISO/IEC 11801 на горизонтальную подсистему структурированной кабельной системы приходится 90 метров, а остальные 10 метров распределяются на патч-корды подсистемы оборудования и подсистемы рабочего места. Патч-корды – это вид коммутационного оборудования, представляющий собой коммутационные шнуры. Патч-корд является одной из составных частей структурированной кабельной системы, представляющий собой электрический или оптоволоконный кабель для подключения одного электрического устройства к другому или к пассивному оборудованию передачи сигнала.

С учетом физических размеров здания и размещения распределительных пунктов (кроссов) на каждом этаже длины горизонтальной кабельной подсистемы, а также магистральной не будут превышать длину 90 метров.

Магистральная подсистема (связи  между распределительными пунктами (кроссами)) этажей строится также по технологии 100Base-TX, так как единственный трафик, который будет ходить между кроссами этажей – это трафик в сеть Интернет, WAN канал в которую заведомо менее производителен и может составлять даже с учетом применения технологии XPON максимум несколько десятков Мбит/с.

Соединения между коммутирующим  оборудованием одной фирмы производится по технологии 1000Base-T, так как по этим линиям будет происходить передача основного трафика между рабочими станциями и серверами фирмы.

Подключения серверов, в  особенности файловых, также потребует  соединения на скоростях 1Гбит/с, что  позволит обращаться к ним на достаточно высокой скорости одновременно многим сотрудникам.

 

2.2 Выбор оборудования

 

В качестве коммутационного  оборудование выбраны коммутаторы  с портами в количестве 48 штук, так как при этом достигается высокая плотность портов и, следовательно, экономия места в телекоммуникационных шкафах. Оборудование размещается в телекоммуникационном шкафу вместе с патч-панелями (кроссами) для экономии длины патч-кордов от патч-панелей к оборудованию.

В качестве коммутаторов доступа и распределения выбрано следующее оборудование:

1. Коммутатор Huawei Quidway® S2352P-EI: имеет 24 интерфейса 10/100Base-TX, 2 интерфейса 100/1000Base-X SFP и 2 интерфейса 1000Base-X SFP. Устройство S2352Р-EI может работать как от источника переменного, так и постоянного тока и будет использоваться для подключения пользователей;
2. Коммутатор Huawei Quidway® S5348TP-PWR-SI: имеет 48 интерфейсов 10/100/1000Base-T и 4 интерфейса 1000Base-X Combo, а также поддерживает источник питания переменного тока и функцию POE и будет использоваться для подключения серверов и объединения остальных коммутаторов этажа со скоростью 1 Гбит/с, а также будет использоваться для маршрутизации и доступа в Интернет;

Выбор этого оборудования обусловлен минимально требуемой функциональностью для выполнения условий, отраженных в техническом задании.

Коммутатор S5348TP-PWR-SI осуществляет:

- серверов разных фирм  этажа в один и тот же  коммутатор с виртуальным разделением  различных подсетей VLAN по технологии 802.1q;

- выделение интерфейса в сеть Интернет в сторону ADSL-модема или ONT – Optical Network Terminal в случае использования подключения по технологии XPON в отдельный VLAN (802.1q);

- маршрутизацию между пользовательскими VLAN и VLAN Интернет с помощью статической маршрутизации (используется один маршрут по умолчанию на интерфейс модема);

- закрытие доступа между  отдельными пользовательскими VLAN основе списков доступа ACL (за исключением трафика между серверами IP-телефонии, использующими одну городскую телефонную линию на несколько фирм).

Коммутаторы S2352P-EI и S5348TP-PWR-SI обеспечивают:

- совместное подключение  компьютеров и серверов разных  фирм этажа в один и тот  же коммутатор с виртуальным разделением различных подсетей VLAN по технологии 802.1q;

- формирование функций QoS разделения трафика Voice IP между серверами IP-телефонии и пользовательскими компьютерами от остального трафика по технологиям 802.1p и Voice VLAN.

В качестве серверного оборудования используются сервера Rack исполнения с установкой в серверный шкаф 19”. Сервера имеют высоту 3U, поэтому в стандартный шкаф на 42U их помещается 14 штук. Серверами IP телефонии выступают голосовые шлюзы D-Link DVG-7022S, один на этаж с подключением в порты FXO одной (5-й этаж) или двух (этажи 1 и 3) телефонных линий и включением через Ethernet порт в коммутаторы доступа.

 

Рабочее место пользователя оборудовано стандартным IBM-совместимым компьютером, а также IP телефоном D-Link DPH-150S/RU, который позволяет одновременно осуществлять звонки и работать на компьютере по сети, либо гарнитурой и установленным программным SIP-клиентом для осуществления звонков. Таким образом производится двукратная экономия как витой пары, так и телекоммуникационных розеток, так как по одной линии идет как передача данных, так и голосовые сервисы.

Пассивное сетевое  состоит из патч-кордов длиной от 1-го до 5-и метров, розеток RJ-45, телекоммуникационных и серверных шкафов с установленными в них патч-панелями на 48 портов RJ-45 и кабельными органайзерами. Кабель «витая пара» для связи используется PCnet UTP4-24R5 на 8 проводов.

 

2.3  Распределение адресного пространства

 

Каждой фирме выделяется подсеть адресов класса C вида 192.168.X.0/24. Подробное распределение адресов представлено в Приложении III.

 

2.4  Проверочный расчет времени двойного оборота для доменов коллизий

 

Так как в качестве сетевого оборудования используются коммутаторы, то сеть представляет собой топологию «звезда» и домены коллизий ограничены соединениями точка-точка между коммутатором и компьютерным оборудованием или двумя коммутаторами. А также, так как длина соединений не превышает максимальную по стандарту 100 метров, то время двойного оборота PDV не превышает время передачи кадра минимальной длины T_min.

Однако если в качестве сетевого устройства используется повторитель (концентратор), то PVD рассчитывается, исходя из суммы задержек сигналов в кабелях и задержек, вносимых концентраторами и сетевыми адаптерами. Задержки, вносимые прохождением сигналов по кабелю, рассчитываются на основании данных таблицы 1, в которой учитывается удвоенное прохождение сигнала по кабелю. Задержки, которые вносят два взаимодействующих через повторитель сетевых адаптера (или порта коммутатора), приведены в таблице 2.

 

 

 

Таблица 1 – Задержки, вносимые кабелем

 

Тип кабелей	Удвоенная задержка, bt на 1м	Удвоенная задержка на кабеле максимальной длины
UTP Cat 5	1,112 bt	111,2 bt (100 м)
Оптоволокно	1,0 bt	412 bt (412 м)

 

 

Таблица 2 – Задержки, вносимые сетевыми интерфейсами

 

Тип сетевых адаптеров	Максимальная задержка при  двойном обороте
Два адаптера TX/FX	100 bt
Два адаптера T4	138 bt
Один адаптер TX/FX и один Т4	127 bt

 

Время передачи кадра минимальной  длины T_min=512 битовых интервалов (без учета преамбулы).

Между двумя наиболее удаленными друг от друга узлами имеем:

 

user 1 à 47 м à повторитель à 65 м à user 2

 

При подсчёте PDV имеем: 100+100+100+63,384+61,16=424,544 (bt).

 

Как видим из расчётов, T_min ≥ PDV (512 ≥ 424,544).

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В результате выполнения курсового  проекта был разработан проект  по созданию ЛВС здания в соответствии с техническим заданием. Были рассмотрены основные принципы построения и работы локальных сетей, произведён анализ топологии проектируемой сети, описаны технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.

Далее были рассчитаны такие  характеристики сети, как нагрузка, пропускная способность, коэффициент  использования сети.

На основании технического задания и выбранной технологии построения сети был составлен план здания со схемой проложенной сети, распределено адресное пространство между находящимися в здании фирмами. На основании требуемых характеристик было выбрано активное и пассивное сетевое оборудование.

Общая стоимость проекта  в итоге составила 44 472 долларов США и 91 цент. 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. В.Г. Олифер, Н.А. Олифер «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы 3-е изд.», М.: Питер, 2006.
2. www.huawei.com
3. www.d-link.ru
4. www.kosht.com
5. www.bkmk.by

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ I

 

Условные обозначения к структурным схемам

- компьютер;

- IP –телефон;

 

- кабельная трасса;

- сервер;

 

- коммутатор/маршрутизатор;

 

- патч-панель на 48 портов.

 

 

В Приложении I представлена структурная схема 1-ого этажа, так как схемы 3-его и 5-ого этажей идентичны по применяемому оборудованию и лишь отличаются количеством оборудования в меньшую сторону.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ II

 

Технические характеристики оборудования

 

Активное сетевое  оборудование

 

1. Коммутатор Huawei Quidway® S2352P-EI:

 

Общие характеристики:

Тип устройства – коммутатор (switch);

Возможность установки в  стойку – есть.

LAN:

Количество портов коммутатора – 48 x Ethernet 10/100 Мбит/сек;

Поддержка работы в стеке – есть.

Функции VLAN:

Количество VLAN – 4К в соответствии с IEEE 802.1Q;

VLAN на базе интерфейса – есть;

VLAN на базе MAC-адреса – есть;

Поддержка QinQ – есть.

Управление:

Консольный порт – есть;

Web-интерфейс – есть;

Поддержка Telnet – есть;

Поддержка SNMP – есть.

Дополнительно:

Поддержка стандартов – Auto MDI/MDIX;

Размеры (ШxВxГ) – 442 x 43 x 220 мм;

Вес – 3 кг;

Дополнительная информация – 4-порта Gigabit Ethernet 10/100/1000.

 

2. Коммутатор Huawei Quidway® S5348TP-PWR-SI:

 

Общие характеристики:

Интерфейсы – 48 интерфейсов 10/100/1000Base-T и 4 интерфейса 1000Base-X Combo;

Производительность  переадресации – 72 млн. пакетов в сек;

Коммутационная  ёмкость интерфейсов – 96 Гбит/с;

Коммутационная  ёмкость материнской платы – 256 Гбит/с.

Таблица МАС-адресов:

Поддержка таблицы MAC-адресов емкостью 32К;

Поддержка автоматического распознавания  и устаревания МАС-адресов;

Поддержка фильтрации пакетов на основе MAC-адреса источника.

VLAN:

Поддержка до 4K VLAN;

Поддержка гостевых и голосовых VLAN;

Поддержка VLAN на базе MAC-адреса/протокола/IP-подсети/политики;

Поддержка коммутации VLAN по схеме 1:1 и N:1;

Поддержка простейшего и выборочного механизма QinQ

Надежность:

Поддержка топологии RRPP и RRPP multi-instance;

Поддержка STP, RSTP и MSTP;

Поддержка защиты BPDU, маршрута и шлейфа (loopback).

IP-маршрутизация:

Поддержка статических маршрутов, RIP-1, RIP-2 и ECMP.

IPv6:

Поддержка PMTU;

Поддержка IPv6 Ping, IPv6 Tracert и IPv6 Telnet;

Поддержка туннельных соединений, конфигурируемых  вручную;

Поддержка туннеля 6to4;

Поддержка туннелей ISATAP;

QoS/ACL:

Поддержка ограничения скорости пакетов на интерфейсе;

Поддержка контроля трафика по интерфейсам;

Поддержка восьми очередей на каждом интерфейсе;

Поддержка алгоритмов WRR, DRR, SP, WRR+SP и DRR+SP;

Поддержка повторного назначения приоритета 802.1p и значения DSCP пакетам;

Поддержка функции фильтрации пакетов уровней 2 – 4 и функции фильтрации некорректных кадров по МАС- адресу источника, МАС-адресу пункта назначения, IP-адресу источника, IP-адресу пункта назначения, интерфейсу, протоколу и VLAN;

Поддержка ограничения скорости очередей и  формирование интерфейса.

Безопасность:

Поддержка иерархического управления пользователями и защита пароля;

Поддержка защиты от атак DoS и ARP;

Поддержка увязывания IP-адреса, MAC-адреса и интерфейса;

Поддержка ограничения количества распознанных МАС-адресов;

Поддержка аутентификации IEEE 802.1x и ограничения  максимального количества пользователей  на одном интерфейсе;

Поддержка различных методов аутентификации, включая AAA, RADIUS и TACACS+

Поддержка SSH V2.0.

Управление и техническое обслуживание:

Поддержка MFF;

Поддержка тестирования виртуальных кабелей;

Поддержка функций ОАМ для Ethernet (802.3ah и 802.1ag);

Поддержка мониторинга интерфейсов и RSPAN;