Проектирование локальной вычислительной сети предприятия. 2

Содержание

ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . .        4

1. Теоретический  раздел . . . . . . . .        5

1.1 Назначение пакетов в локальных вычислительных сетях и их структура      5

1.2 Концентраторы класса I и класса II в локальных вычислительных сетях  13

2. Аналитический  раздел . . . . . . . .      16

     2.1 Выбор размера сети и ее  структуры  . . . . .      16

     2.2 Оценка конфигурации сети . . . . . .      17

     2.3 Выбор необходимого оборудования . . . . .      19

     2.4 Моделирование сети в среде  NetCracker . . . .      20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . . . . . . . .      23

Список использованной литературы . . . . . .      24

ВВЕДЕНИЕ

     Компьютерные  сети появились сравнительно недавно, в конце 60-х годов. Естественно, что  компьютерные сети унаследовали много полезных свойств от других, более старых и распространенных телекоммуникационных сетей, а именно телефонных. В этом нет ничего удивительного, так как компьютер, как и телефон, является универсальным инструментом в руках своего хозяина и помогает ему общаться с друзьями, приобретать новых знакомых, удовлетворять любознательность и любопытство, делать покупки и т. д., и т. п.

     В то же время компьютерные сети привнесли  в телекоммуникационный мир нечто  совершенно новое — неисчерпаемые запасы информации, созданные цивилизацией за несколько тысячелетий своего существования и продолжающие пополняться с растущей скоростью в наши дни. Этот эффект особенно проявился в середине 90-х во время интернет-революции, когда стало ясно, что возможности свободного и анонимного доступа к информации и быстрому, хотя и письменному общению очень ценятся людьми.

     Результатом влияния компьютерных сетей на остальные  типы телекоммуникационных сетей стал процесс их конвергенции. Этот процесс  начался достаточно давно, одним из первых признаков сближения стала передача телефонными сетями голоса в цифровой форме. Компьютерные сети также активно идут навстречу телекоммуникационным сетям, разрабатывая новые сервисы, которые ранее были прерогативой телефонных, радио и телевизионных сетей — сервисы IР-телефонии, радио - и видеовещания, ряд других. Процесс конвергенции продолжается, и о том, каким будет его конечный результат, с уверенностью пока говорить рано. Однако понимание истории развития сетей, описываемой в данной главе, делает более ясными основные проблемы, стоящие перед разработчиками компьютерных сетей.

1. Теоретический раздел

     1.1 Бескабельные каналы связи в ЛВС.

     Беспроводные  компьютерные сети — это технология, позволяющая создавать вычислительные сети, полностью соответствующие стандартам для обычных проводных сетей (например, Ethernet), без использования кабельной проводки. В качестве носителя информации в таких сетях выступают радиоволны СВЧ-диапазона.

     Применение

     Существует  два основных направления применения беспроводных компьютерных сетей:

• Работа в замкнутом объеме (офис, выставочный зал и т. п.);
• Соединение удаленных локальных сетей (или удаленных сегментов локальной сети).

     Для организации беспроводной сети в  замкнутом пространстве применяются передатчики со всенаправленными антеннами. Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети — Ad-hoc и клиент-сервер. Режим Ad-hoc (иначе называемый «точка-точка») — это простая сеть, в которой связь между станциями (клиентами) устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа. В режиме клиент-сервер беспроводная сеть состоит, как минимум, из одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных клиентских станций. Поскольку в большинстве сетей необходимо обеспечить доступ к файловым серверам, принтерам и другим устройствам, подключенным к проводной локальной сети, чаще всего используется режим клиент-сервер. Без подключения дополнительной антенны устойчивая связь для оборудования IEEE 802.11b достигается в среднем на следующих расстояниях: открытое пространство — 500 м, комната, разделенная перегородками из неметаллического материала — 100 м, офис из нескольких комнат — 30 м. Следует иметь в виду, что через стены с большим содержанием металлической арматуры (в железобетонных зданиях таковыми являются несущие стены) радиоволны диапазона 2,4 ГГц иногда могут вообще не проходить, поэтому в комнатах, разделенных подобной стеной, придется ставить свои точки доступа.

1. Для соединения удаленных локальных сетей (или удаленных сегментов локальной сети) используется оборудование с направленными антеннами, что позволяет увеличить дальность связи до 20 км (а при использовании специальных усилителей и большой высоте размещения антенн — до 50 км).

     Причем  в качестве подобного оборудования могут выступать и устройства Wi-Fi, нужно лишь добавить к ним специальные антенны (конечно, если это допускается конструкцией). Комплексы для объединения локальных сетей по топологии делятся на «точку-точку» и «звезду». При топологии «точка-точка» (режим Ad-hoc в IEEE 802.11) организуется радиомост между двумя удаленными сегментами сети. При топологии «звезда» одна из станций является центральной и взаимодействует с другими удаленными станциями.

     При этом центральная станция имеет  всенаправленную антенну, а другие удаленные станции — однонаправленные антенны. Применение всенаправленной антенны в центральной станции ограничивает дальность связи дистанцией примерно 7 км. Поэтому, если требуется соединить между собой сегменты локальной сети, удаленные друг от друга на расстояние более 7 км, приходится соединять их по принципу «точка-точка». При этом организуется беспроводная сеть с кольцевой или иной, более сложной топологией.

     Мощность, излучаемая передатчиком точки доступа  или же клиентской станции, работающей по стандарту IEEE 802.11, не превышает 0,1 Вт, но многие производители беспроводных точек доступа ограничивают мощность лишь программным путем, и достаточно просто поднять мощность до 0,2-0,5 Вт. Для сравнения — мощность, излучаемая мобильным телефоном, на порядок больше(в момент звонка - до 2 Вт). Поскольку, в отличие от мобильного телефона, элементы сети расположены далеко от головы, в целом можно считать, что беспроводные компьютерные сети более безопасны с точки зрения здоровья, чем мобильные телефоны.

     Если  беспроводная сеть используется для  объединения сегментов локальной  сети, удаленных на большие расстояния, антенны, как правило, размещаются за пределами помещения и на большой высоте.

     Безопасность

     Продукты  для беспроводных сетей, соответствующие стандарту IEEE 802.11, предлагают четыре уровня средств безопасности: физический, идентификатор набора служб (SSID — Service Set Identifier), идентификатор управления доступом к среде (MAC ID — Media Access Control ID) и шифрование.

     Технология DSSS для передачи данных в частотном  диапазоне 2,4 ГГц за последние 50 лет  нашла широкое применение в военной  связи для улучшения безопасности беспроводных передач. В рамках схемы DSSS поток требующих передачи данных «разворачивается» по каналу шириной 20 МГц в рамках диапазона ISM с помощью схемы ключей дополнительного кода (Complementary Code Keying, CCK). Для декодирования принятых данных получатель должен установить правильный частотный канал и использовать ту же самую схему CCK. Таким образом, технология на базе DSSS обеспечивает первую линию обороны от нежелательного доступа к передаваемым данным. Кроме того, DSSS представляет собой «тихий» интерфейс, так что практически все подслушивающие устройства будут отфильтровывать его как «белый шум».

     Идентификатор SSID позволяет различать отдельные  беспроводные сети, которые могут  действовать в одном и том  же месте или области. Он представляет собой уникальное имя сети, включаемое в заголовок пакетов данных и  управления IEEE 802.11. Беспроводные клиенты и точки доступа используют его, чтобы проводить фильтрацию и принимать только те запросы, которые относятся к их SSID. Таким образом, пользователь не сможет обратиться к точке доступа, если только ему не предоставлен правильный SSID.

     Возможность принятия или отклонения запроса к сети может зависеть также от значения идентификатора MAC ID — это уникальное число, присваиваемое в процессе производства каждой сетевой карте. Когда клиентский ПК пытается получить доступ к беспроводной сети, точка доступа должна сначала проверить адрес MAC для клиента. Точно так же и клиентский ПК должен знать имя точки доступа. 

     Механизм Wired Equivalency Privacy (WEP), определенный в стандарте IEEE 802.11, обеспечивает еще один уровень  безопасности. Он опирается на алгоритм шифрования RC4 компании RSA Data Security с 40- или 128-разрядными ключами. Несмотря на то, что использование WEP несколько снижает пропускную способность, эта технология заслуживает более пристального внимания. Дополнительные функции WEP затрагивают процессы сетевой аутентификации и шифрования данных.

     Процесс аутентификации с разделяемым ключом для получения доступа к беспроводной сети использует 64-разрядный ключ — 40-разрядный ключ WEP выступает как  секретный, а 24-разрядный вектор инициализации (Initialization Vector) — как разделяемый. Если конфигурация точки доступа позволяет принимать только обращения с разделяемым ключом, она будет направлять клиенту случайную строку вызова длиной 128 октетов. Клиент должен зашифровать строку вызова и вернуть зашифрованное значение точке доступа. Далее точка доступа расшифровывает полученную от клиента строку и сравнивает ее с исходной строкой вызова. Наконец, право клиента на доступ к сети определяется в зависимости от того, прошел ли он проверку шифрованием. Процесс расшифровки данных, закодированных с помощью WEP, заключается в выполнении логической операции «исключающее ИЛИ» (XOR) над ключевым потоком и принятой информацией. Процесс аутентификации с разделяемым ключом не допускает передачи реального 40-разрядного ключа WEP, поэтому этот ключ практически нельзя получить путем контроля за сетевым трафиком. Ключ WEP рекомендуется периодически менять, чтобы гарантировать целостность системы безопасности.

     Еще одно преимущество беспроводной сети связано с тем, что физические характеристики сети делают ее локализованной. В результате дальность действия сети ограничивается лишь определенной зоной покрытия. Для подслушивания потенциальный злоумышленник должен будет находиться в непосредственной физической близости, а значит, привлекать к себе внимание. В этом преимущество беспроводных сетей с точки зрения безопасности. Беспроводные сети имеют также уникальную особенность: их можно отключить или модифицировать их параметры, если безопасность зоны вызывает сомнения.

     информация, размещенная в поле данных пакета.

     Поле  «Контрольная сумма» (Header Checksum) занимает 2 байта и рассчитывается только по заголовку. Если контрольная сумма  неверна, то пакет будет отброшен, как только ошибка будет обнаружена.

     Поля  «IP-адрес источника» (Source IP Address) и «IP-адрес назначения» (Destination IP Address) имеют одинаковую длину (32 бита) и одинаковую структуру.

     Поле  «Опции» (IP Options) как таковое является необязательным и используется только при отладке сети.

     Поле  «Выравнивание» (Padding) используется для того, чтобы убедиться в том, что IP-заголовок заканчивается на 32-битной границе. Выравнивание осуществляется нулями.

Radio Ethernet 

      Беспроводная  связь, или связь по радиоканалу, сегодня используется и для построения магистралей (радиорелейные линии), и для создания локальных сетей, и для подключения удаленных абонентов к сетям и магистралям разного типа. Весьма динамично развивается в последние годы стандарт беспроводной связи Radio Ethernet. Изначально он предназначался для построения локальных беспроводных сетей, но сегодня все активнее используется для подключения удаленных абонентов к магистралям. С его помощью решается проблема «последней мили» (правда, в отдельных случаях эта «миля» может составлять от 100 м до 25 км).  

Принцип работы Wi-Fi 

     Обычно  схема Wi-Fi сети содержит не менее одной  точки доступа и не менее одного клиента. Также возможно подключение  двух клиентов в режиме точка-точка, когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством  сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0.1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0.1 Мбит/с — наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID, приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения. Более подробно принцип работы описан в официальном тексте стандарта.

     Преимущества Wi-Fi

Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость  развёртывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить  кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.

Позволяет иметь доступ к сети мобильным  устройствам.

Wi-Fi-устройства  широко распространены на рынке.  А устройства разных производителей  могут взаимодействовать на базовом уровне сервисов.

Wi-Fi —  это набор глобальных стандартов. В отличие от сотовых телефонов, Wi-Fi оборудование может работать  в разных странах по всему  миру.

Недостатки Wi-Fi

  Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах неодинаковы. Во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США; В Японии есть ещё один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают использование низкочастотных каналов. Более того, некоторые страны, например Россия, Белоруссия и Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора.

     Высокое по сравнению с другими стандартами  потребление энергии, что уменьшает  время жизни батарей и повышает температуру устройства.

     Самый популярный стандарт шифрования WEP может  быть относительно легко взломан[2] даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Несмотря на то, что новые устройства поддерживают более совершенный протокол шифрования данных WPA и WPA2, многие старые точки доступа не поддерживают его и требуют замены. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало доступной более безопасную схему, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно назначаются пользователями. Многие организации используют дополнительное шифрование (например VPN) для защиты от вторжения. 

     Wi-Fi имеют ограниченный радиус действия. Типичный домашний маршрутизатор Wi-Fi стандарта 802.11b или 802.11g имеет радиус действия 45 м в помещении и 450 м снаружи. Микроволновая печь или зеркало, расположенные между устройствами Wi-Fi, ослабляют уровень сигнала. Расстояние зависит также от частоты.

     Наложение сигналов закрытой или использующей шифрование точки доступа и открытой точки доступа, работающих на одном или соседних каналах может помешать доступу к открытой точке доступа. Эта проблема может возникнуть при большой плотности точек доступа, например, в больших многоквартирных домах, где многие жильцы ставят свои точки доступа Wi-Fi.

     Неполная  совместимость между устройствами разных производителей или неполное соответствие стандарту может привести к ограничению возможностей соединения или уменьшению скорости.

     Уменьшение  производительности сети во время дождя.

     Так как в диапазоне 2.4 ГГц работают многие другие устройства, например беспроводные мыши, возможно нарушение работы обоих  устройств если их частоты пересекаются.

     1.2 Репитеры и концентраторы ЛВС.

     Использование репитеров и концентраторов в сети Ethernet не является обязательным. Небольшие сети на основе сегментов 10BASE2 или 10BASE5 вполне могут без них обойтись. Для сетей из нескольких таких сегментов необходимы простейшие репитеры. А при выборе в качестве среды передачи витой пары (10BASE-T) или оптоволоконного кабеля (10BASE-FL) уже необходимы концентраторы. В сети Fast Ethernet применение концентраторов обязательно. 

     Функции репитеров и концентраторов

     Репитеры (или, как их еще называют, повторители), ретранслируют приходящие на  их порты сигналы, восстанавливают их амплитуду и форму, что позволяет увеличивать длину сети. То же самое делают и простейшие репитерные концентраторы. Но помимо этой основной функции концентраторы Ethernet и Fast Ethernet обычно выполняют еще ряд функций по обнаружению и исправлению некоторых простейших ошибок сети. К этим ошибкам относятся:

     ложная  несущая (FCE – False Carrier Event);

     множественные коллизии (ECE – Excessive Collision Error);

     затянувшаяся  передача (Jabber).

     Все эти ошибки могут вызываться неисправностями оборудования абонентов, высоким уровнем шумов и помех в кабеле, плохими контактами в разъемах.

     Под ложной несущей понимают ситуацию, когда концентратор получает от одного из своих портов (от единичного абонента или из сегмента) данные, не содержащие ограничителя начала потока данных, то есть преамбула пакета началась, но в ней нет признака начала кадра.

     Если  после старта передачи кадр не начался  в течение заданного временного интервала, то концентратор посылает сигнал "Пробка" всем остальным портам, чтобы они обнаружили коллизию. Длительность этого сигнала составляет 5 (Ethernet) или 50 (FastEthernet) мкс. Затем выявленный порт переводится в состояние "Связь неустойчива" (Link Unstable) и отключается. Обратное включение порта концентратором может произойти только при поступлении от него правильного пакета, без ложной несущей.

     Ситуация  множественных коллизий фиксируется  при выявлении в данном порту  более 60 коллизий подряд. Концентратор считает количество коллизий в каждом порту и сбрасывает счетчик, если получает пакет без коллизии. Порт, в котором возникают множественные коллизии, отключается. Если в течение заданного времени в этом порту не будет зафиксировано коллизий, то он снова включается.

     Ситуация  затянувшейся передачи фиксируется в случае, когда время передачи превышает более чем в три раза максимально возможную длительность пакета, то есть 400 мкс для Fast Ethernet или 4000 мкс для Ethernet. При обнаружении такой затянувшейся передачи соответствующий порт отключается. После окончания затянувшейся передачи данный порт снова включается.

     Кроме перечисленных функций концентратор также активно способствует обнаружению  любых коллизий в сети. При одновременном  поступлении на его порты двух и более пакетов он, как и любой абонент, усиливает столкновение путем передачи во все порты сигнала "Пробка" в течение 32 битовых интервалов. В результате все передающие абоненты всех сегментов обязательно обнаруживают факт коллизии и прекращают свою передачу.

     Таким образом, даже самый простой концентратор представляет собой довольно сложное устройство, позволяющее автоматически устранять некоторые неисправности и временные сбои. Концентратор не только объединяет точки включения кабелей сети, но и активно улучшает условия обмена, повышает производительность сети, отключая время от времени неисправные или неустойчиво работающие сегменты. Впрочем, главный признак концентратора  – он не производит никакой обработки информации, воспринимает пакеты как единое целое, не анализируя их содержимое.

     Как и сетевые адаптеры, концентраторы  могут быть односкоростными и  двухскоростными. Для большей свободы  в проектировании сети лучше выбирать именно двухскоростные (10/100 Мбит/с) концентраторы.

     Чаще  всего репитеры и концентраторы  выполняются в виде отдельных автономных блоков, имеющих внутренний или внешний источник питания.

     Некоторые концентраторы рассчитаны на подключение  жестко заданного количества сегментов  определенного типа. Для этого  на них устанавливаются соответствующие  типу сегмента разъемы: BNC, RJ-45, AUI или оптоволоконные разъемы.

     Более дорогие концентраторы, называемые наращиваемыми, стековыми (Stackable), имеют  модульную структуру и позволяют  гибко приспосабливать их к заданной конфигурации сети. В этом случае в  каркас (стек) концентратора может быть установлено различное число сменных модулей, каждый из которых ориентирован на один или несколько сегментов какого-нибудь типа и имеет соответствующие разъемы для подключения кабеля сети. Как правило, количество подключаемых сегментов (портов концентратора) выбирается кратным четырем: 4, 8, 12, 16, 24. Наращиваемый концентратор может поддерживать, к примеру, 192 порта (восемь модулей, каждый из которых рассчитан на 24 сегмента). Структура такого наращиваемого концентратора показана на рис. 1.

     Рис. 1.  Структура наращиваемого концентратора 

     Самые сложные концентраторы на базе единого  шасси (рис. 2) позволяют путем перекоммутации связей на контактной задней панели строить  сложные конфигурации сетей. Они  могут одновременно поддерживать несколько типов сетей (Token-Ring, Ethernet и FDDI), допускают включение не только модулей репитерных концентраторов, но и модулей маршрутизаторов и коммутаторов. На основе такого концентратора можно также организовывать одновременно несколько независимых однотипных сетей для разделения информационных потоков между ними, снижения нагрузки на сеть. 

     Рис. 2  Концентратор на основе шасси 

     Как правило, концентраторы на базе шасси  предусматривают возможность довольно сложного управления обменом. Количество портов таких концентраторов может доходить до 288. Правда, этот тип концентратора оказывается обычно самым дорогим в расчете на один порт. Считается, что их применение становится экономически оправданным только в случае необходимости поддержки большого количества портов (около 100).

     Встречаются также совсем простые и самые  дешевые репитеры и концентраторы, выполненные в виде платы, вставляемой  в разъем системной шины компьютера (из компьютера они берут при этом только питание). Недостаток такого решения  состоит в том, что для работы сети необходимо, чтобы компьютер, в который включена плата репитера (концентратора), был постоянно включен (в идеале – круглосуточно). При выключении питания этого компьютера связь по сети становится невозможной.

     Концентраторы класса I и класса II

     Стандарт IEEE 802.3 определяет два класса репитерных концентраторов Ethernet/Fast Ethernet, отличающихся друг от друга своими функциональными  возможностями и областями применения. Каждый концентратор должен иметь маркировку своего класса в виде римской цифры I или II, заключенной в кружок.

     Концентраторы класса II —классические концентраторы, использовавшиеся с самого начала в  сетях Ethernet. Именно поэтому их применение было разрешено и в сетях Fast Ethernet. Эти концентраторы отличаются тем, что они непосредственно повторяют приходящие на них из сегмента сигналы и передают их в другие сегменты, без какого бы то ни было преобразования. Они не способны преобразовывать методы кодирования сетевых сигналов. Поэтому к ним можно подключать только сегменты, использующие одну систему сигналов. Допустимо, правда, подключение и разных сегментов, но они должны использовать один код передачи, например, 10BASE-T и 10BASE-FL или 100BASE-TX и 100BASE-FX. Данные концентраторы принципиально не могут объединять сегменты с разными системами кодирования.

     Задержка  сигналов в концентраторах класса II меньше, чем в концентраторах класса I. Согласно стандарту, она должна составлять от 46 битовых интервалов (для 100BASE-TX/FX) до 67 битовых интервалов (для 100BASE-T4). Отсюда следуют ограничения на наращиваемость таких концентраторов и на количество их портов (зачастую оно не превышает 24). Зато меньшая задержка концентратора позволяет использовать кабели большей длины, так как на работоспособность сети влияет суммарная задержка сигнала в сети, включающая в себя задержки, как концентраторов, так и в кабелях.

     Для соединения концентраторов класса II между  собой используется специальный  порт расширения (UpLink port). Каждый концентратор подключается этим портом к одному из обычных портов другого концентратора (рис. 3). 

     Рис. 3  Соединение двух концентраторов класса II

     Концентраторы класса II сложнее в производстве, так как временные требования, предъявляемые к ним, жестче. Но при  этом возможности их меньше, поэтому  в настоящее время их вытесняют концентраторы класса I.

     Концентраторы класса I характеризуются тем, что  они преобразуют приходящие по сегментам  сигналы в цифровую форму, прежде чем передавать их во все другие сегменты. Они содержат декодирующие и кодирующие узлы.

     Они способны преобразовывать коды, применяемые  в разных сегментах. Поэтому к  ним можно одновременно подсоединять сегменты разных типов. Но этот процесс  двойного преобразования кодов требует  времени, поэтому данные концентраторы  оказываются медленнее (по стандарту, их задержка составляет не более 140 битовых интервалов).

     Концентраторы класса I более гибкие, они имеют  расширенные возможности по наращиваемости. Именно из них строятся сложные концентраторы  на базе шасси. К тому же благодаря  внутренним цифровым шинам сигналов они допускают управление с удаленных рабочих станций, позволяющих контролировать нагрузку сети, состояние портов, интенсивность ошибок в сети, а также автоматически отключать неисправные сегменты.

     При этом для обмена с управляющей  станцией применяется специально разработанный протокол обмена SNMP (Simple Network Management Protocol – простой протокол управления сетью). Такой концентратор, допускающий удаленное управление, называется интеллектуальным (Intelligent Hub).

     Рабочая станция, управляющая сетью (NMS – Network Management Station) – это один из компьютеров, подключенных к сети, на котором запущен специальный пакет прикладных программ, в удобном графическом виде отображающий состояние сетевых устройств и позволяющий управлять ими.