Проектирование ЛВС. 4

Министерство  образования и науки Российской Федерации

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Транспортный  факультет

Кафедра метрологии, стандартизации и сертификации

 

 

Курсовая  работа

Проектирование  ЛВС

по дисциплине «Сети ЭВМ и средства коммуникаций»

 

ОГУ 220501.65.5 0 11.01 КР

 

 

 

 

 

 

 

                                      Руководитель                                                                                                  

                                                                  ____________ Жукалина И.В.

                                                                           «________»_____________2011 г.

                                     Исполнитель

                                                    Студент группы 

                                                                           ________________ 

                                                                           «________»_____________2011 г.

 

 

 

 

 

 

 

Оренбург 2011

Аннотация

 

В представленном курсовом проекте рассмотрена реализация локальной вычислительной сети, произведен выбор вида и способа соединения, выбор аппаратных и программных  средств. Отражен анализ наиболее распространенных сетевых технологий и архитектур.

Исходя  из реальных условий, произведен расчет затрат на реализацию ЛВС в здании. Проведен сравнительный анализ результата и выбран оптимальных вариант.

Произведен  расчет пропускной способности сети, степени использования канала и  окна запаса коллизий.

Курсовой  проект содержит 36 листов, 7 таблиц, 3 рисунков и 3 приложения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………...5

1 Анализ существующих аппаратных  и программных решений для  построения локально-вычислительной  сети………………………………….…6

1.1 Область  применения вычислительных сетей……………………………….6

1.2 Анализ  локальных вычислительных сетей……………………………….…6

1.3 Анализ топологий сетей………………………………………………………8

1.3.1 Топология «шина»…………………………………………………………..8

1.3.2 Топология «звезда»…………………………………………………………9

1.3.3 Топология «кольцо»………………………………………………………...9

1.4 Виды сетевого соединения………………………………………………….10

1.4.1 Витая пара………………………………………………………………….10

1.4.2 Коаксиальный кабель……………………………………………………...11

1.4.3 Оптоволоконный кабель…………………………………………………..12

1.5 Сетевые  технологии…………………………………………………………13

1.5.1 Стандарт Ethernet…………………………………………………………..13

1.5.2 Стандарт FastEthernet……………………………………………………...14

1.5.3 Стандарт Token Ring………………………………………………………15

2 Технологическая  часть………………………………………………………...16

2.1 Постановка  задачи…………………………………………………………...16

2.2 Эргономическое  обоснование………………………………………………16

2.3 Обоснование  выбора сетевой технологии и  оборудования для проектируемой  сети……………………………………………………………...18

2.3.1 Выбор  сетевой технологии………………………………………………..18

2.3.2 Выбор  оборудования для проектируемой сети………………………….19

2.3.2.1 Выбор  сервера…………………………………………………………....19

2.3.2.2 Выбор  сетевого оборудования………………………………………….19

2.4 Обоснование  выбора  программного обеспечения………………………..20

2.5 Математическое  обоснование проектируемой сети (экономический расчет)……………………………………………………………………………20

2.5.1 Расчет  длины кабеля………………………………………………………20

2.5.2 Расчет  кабельных компонентов…………………………………………..22

2.5.3 Расчет  стоимости сервера…………………………………………………25

2.5.4 Расчет  стоимости рабочих станций………………………………………25

2.5.5 Расчет  стоимости монтажных работ…………………………………….26

2.5.6 Смета  затрат для проектируемой сети……………………………………27

3 Расчетная  часть………………………………………………………………...28

3.1 Расчет  окна запаса коллизий………………………………………………..28

3.2 Расчет  пропускной способности……………………………………………29

3.3 Расчет  степени использования канала……………………………………..30

Заключение………………………………………………………………………32

Список использованных источников…………………………………………...33

Приложение А План здания первого этажа с расстановкой ПК……………...34

Приложение Б План здания второго этажа с расстановкой ПК………………35

Приложение В Сегментная схема………………………………………………36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Компьютерные сети представляют собой  вариант сотрудничества людей и  компьютеров, обеспечивающего ускорение  доставки и обработки информации. Объединять компьютеры в сети начали более 30 назад. Когда возможности  компьютеров выросли и ПК стали  доступны каждому, развитие сетей значительно  ускорилось.

Сеть обеспечивает обмен информацией  и ее совместное использование (разделение). Компьютерные сети делят на локальные (ЛВС), представляющие собой группу близко расположенных компьютеров, связанный между собой, и распределенные (глобальные). Соединенные в сеть компьютеры обмениваются информацией и совместно используют периферийное оборудование и устройства хранения информации.

Построение  сетей различных видов является на сегодняшний день одной из самых  интересных и важных задач в области  информационных технологий. В связи  с этим появляются новые технологии передачи информации в компьютерных сетях. Сетевые технологии очень  быстро развиваются, в связи с  чем они начинают выделяться в  отдельную информационную отрасль. Ученные прогнозируют, что ближайшим  достижением этой отрасли будет  полное вытеснение других средств передачи информации (телевидение, радио, печать, телефон и т.д.). На смену этим «устаревшим» технологиям придет компьютер, он будет  подключен к  глобальному потоку информации и из этого потока можно получить любую информацию в любом представлении [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Анализ существующих аппаратных и программных решений для построения локально-вычислительной сети

 

1.1 Область применения вычислительных  сетей

 

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

Компьютерная сеть позволяет работать с многопользовательскими программами, обеспечивающими одновременный доступ всех пользователей к общим базам данных с блокировкой файлов и записей, обеспечивающей целостность данных. Любые программы, разработанные для стандартных ЛВС, можно использовать в сети.

Преимуществом сетей является их способность выполнять параллельные вычисления. За счет этого в системе с несколькими обрабатывающими узлами в принципе может быть достигнута производительность, превышающая максимально возможную на данный момент производительность любого отдельного, сколь угодно мощного процессора.

Еще одно важное достоинство сетей — это их принципиально более высокая отказоустойчивость. Под отказоустойчивостью понимается способность системы выполнять свои функции при отказах отдельных элементов аппаратуры и неполной доступности данных. В вычислительных сетях некоторые наборы данных могут дублироваться на внешних запоминающих устройствах нескольких компьютеров сети, так что при отказе одного их них данные остаются доступными.

 

 

1.2 Анализ локальных вычислительных  сетей

 

Компьютер, подключенный к вычислительной сети, может выполнять функции сервера – предоставлять свои ресурсы для использования другими компьютерами сети, либо функции рабочей станции – пользоваться ресурсами доступными для сети. Эффективно эксплуатировать мощности ЛВС позволяет применение технологии «клиент/сервер». В этом случае приложение делится на две части: клиентскую и серверную. Один или несколько наиболее мощных компьютеров сети конфигурируются как серверы приложений: на них выполняются серверные части приложений. Клиентские части выполняются на рабочих станциях; именно на рабочих станциях формируются запросы к серверам приложений и обрабатываются полученные результаты.

Различают сети с одним или несколькими  выделенными серверами и одноранговые.

В сетях с выделенным сервером именно ресурсы сервера, чаще всего дисковая память (винчестер), доступны всем пользователям.

Серверы, разделяемым ресурсом которых  является дисковая память, называются файл-серверами. Файловые серверы почти всегда содержат несколько быстродействующих накопителей. Сервер должен быть высоконадежным, поскольку выход его из строя приведет к остановке работы всей сети. На файловом сервере, как правило, устанавливается сетевая операционная система.

На рабочих станциях, как правило, устанавливается обычная операционная система. Рабочая станция - это индивидуальное рабочее место пользователя. Полноправным владельцем всех ресурсов рабочей станции является пользователь.

В то же время ресурсы файл-сервера  разделяются всеми пользователями. В качестве рабочей станции может  использоваться компьютер практически любой конфигурации.

Во время  работы ЛВС файловый сервер обрабатывает огромное количество запросов на обслуживание файлов. Для того чтобы ускорить обслуживание запросов, необходим быстродействующий процессор.

Наиболее  важным компонентом файлового сервера  является дисковый накопитель. На нем хранятся все файлы пользователей сети. Быстрота доступа, емкость и надежность накопителя во многом определяют, насколько эффективным будет использование сети.

Сетевые ОС с выделенным файл-сервером обычно имеют более высокую производительность, поскольку они оптимизированы именно под выполнение операций с файлами.

В одноранговых сетях любой компьютер может  быть и файловым сервером, и рабочей  станцией одновременно. Преимущество одноранговых сетей заключается в том, что нет необходимости копировать все используемые сразу несколькими пользователями файлы на сервер. Любой пользователь сети имеет возможность использовать все данные, хранящиеся на других компьютерах сети, и устройства, подключенные к ним. Основной недостаток работы одноранговой сети заключается в значительном увеличении времени решения прикладных задач. Это связано с тем, что каждый компьютер сети отрабатывает все запросы, идущие к нему со стороны других пользователей. Следовательно, в одноранговых сетях каждый компьютер работает значительно интенсивнее, чем в автономном режиме.

Затраты на организацию одноранговых вычислительны  сетей относительно небольшие, Однако при увеличении числа рабочий станций эффективность их использования резко уменьшается.

 

 

 

1.3 Анализ топологий 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.

Топология ориентирована на коаксиальный кабель и оптоволокно. 

 

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.

В ЛВС  с прямой 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 можно одновременно транспортировать в коммуникационной среде довольно большой объём информации.

 

 

 

 

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.

 

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 по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями.

В качестве центральной точки, помимо ПК могут так же использоваться коммутаторы  и концентраторы.

 

 

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.

 

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.

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].

 

 

1.4 Виды сетевого соединения

 

1.4.1 Витая пара

 

Кабель  - "Витая паpа", состоит из "паp" проводов, закрученных  вокруг друг друга и одновременно закрученных вокруг других паp, в  пределах одной оболочки. Каждая паpа  состоит из пpовода, именуемого "Ring" и пpовода  "Tip". ( Hазвания пpоизошли из телефонии). Каждая паpа в оболочке имеет свой номеp, таким обpазом, каждый пpовод можно идентифициpовать как Ring1, Tip1, Ring2, Tip2, ...

Дополнительно к нумеpации пpоводов каждая паpа имеет свою уникальную цветовую схему.

Витая пара подразделяется на экранированную (STP) и неэкранированную (UTP). Скручивание производят в целях снижения взаимных помех.

Кабель данного вида также подразделяется на категории. Кабель категории 3 предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса в диапазоне частот до 16 МГц. Шаг скрутки проводов равен примерно 3 витка на 1 фут (30,5см).

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.

Современные стандарты  построения сетей ориентированы  на использование кабеля 5-ой категории  с частотами до 200 МГц (для категории  «5Е») и длиной сегмента до 100 метров. Этот кабель и получил наибольшее распространение в ЛВС, построенных в последние годы.

Экранированную витую  пару используют при прокладки сетей  в помещениях с высоким уровнем  электромагнитных помех. Также экран  не позволяет и самому кабелю создавать  помехи другим устройствам. Однако его  наличие удорожает кабель и его  установку, требуя качественного заземления.

 

 

1.4.2 Коаксиальный кабель

 

Самый простой коаксиальный кабель состоит из медной жилы, изоляции, ее окружающей, экрана в виде металлической  оплетки и внешней оболочки. Если кабель, кроме металлической оплетки, имеет и слой фольги, он называется кабель с двойной экранизацией.

Тонкий коаксиальный кабель – гибкий кабель диаметром около  0,5 см. Он прост в применении и годится практически для любого типа сети. Подключается непосредственно к платам сетевого адаптера компьютеров.

Тонкий коаксиальный кабель способен передавать сигнал на расстояние до 185 м без его заметного искажения, вызванного затуханием. Волновое сопротивление этого кабеля равно 50 Ом.

Толстый коаксиальный кабель — относительно жесткий кабель с диаметром около  1 см. Иногда его называют «стандартный Ethernet», поскольку он был первым типом кабеля, применяемым в Ethernet. Этот кабель имеет достаточно толстый внутренний проводник диаметром 2,17 мм, который обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики (затухание на частоте 10 МГц — не хуже 18 дБ/км). Зато этот кабель сложно монтировать — он плохо гнется. Способен передавать сигнал на расстояние до 500 м.

 

 

1.4.3 Оптоволоконный кабель

 

Волоконно-оптические кабели состоят  из центрального проводника света (сердцевины) — стеклянного волокна, окруженного  другим слоем стекла — оболочкой, обладающей меньшим показателем  преломления, чем сердцевина. Распространяясь  по сердцевине, лучи света не выходят  за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления  и от величины диаметра сердечника различают:

 – многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления;

 – многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления;

 – одномодовое волокно.

В одномодовом кабеле (Single Mode Fiber, SMF) используется центральный проводник  очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света — от 5 до 10 мкм. При этом практически все  лучи света распространяются вдоль  оптической оси световода, не отражаясь  от внешнего проводника. Полоса пропускания  одномодового кабеля очень широкая  — до сотен гигагерц на километр. Изготовление тонких качественных волокон  для одномодового кабеля представляет сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно  такого маленького диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть  его энергии.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью).

Сама стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает  стоимость кабелей на витой паре, однако проведение монтажных работ  с оптоволокном обходится намного  дороже из-за трудоемкости операций и  высокой стоимости применяемого монтажного оборудования.

Так, присоединение оптического  волокна к разъему требует  проведения высокоточной обрезки волокна  в плоскости строго перпендикулярной оси волокна, а также выполнения соединения путем сложной операции склеивания, а не обжатия, как это  делается для витой пары. Выполнение же некачественных соединений сразу резко сужает полосу пропускания волоконно-оптических кабелей и линий [1].

 

 

 

1.5 Сетевые технологии

 

Сетевая технология (архитектура) – это согласованный  набор стандартных протоколов и  реализующих их программно-аппаратных средств, достаточных для построения вычислительной сети.

 

 

1.5.1 Стандарт Ethernet

 

Ethernet – это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, использующих в настоящее время Ethernet, оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров, работающих с установленными сетевыми адаптерами Ethernet – в 50 миллионов.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации – 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F.

Все виды стандартов Ethernet обеспечивают пропускную способность 10 Мбит/с, используют манчестерский код и метод доступа к сети CSMA/CD.

CSMA/CD – это множественный метод с контролем ресурсов и обнаружением коллизий. Этот метод применяется в сетях с логической общей шиной. Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к локальной шине, топология звезда. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet.

10Base-5 – коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый "толстым" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента – 500 метров (без повторителей).

10Base-2 – коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый "тонким" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента – 185 метров (без повторителей).

10Base-T – кабель на основе неэкранированной витой пары (UTP). Образует звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и конечным узлом – не более 100 м.

10Base-F – волоконно-оптический кабель. Звездообразная топология на основе концентратора. Имеется несколько вариантов этой спецификации – FOIRL (расстояние до 1000 м), 10Base-FL (расстояние до 2000 м), 10Base-FB (расстояние до 2000 м).

Число 10 в указанных названиях  обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов – 10 Мбит/с, а слово Base  метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц. Последний символ в названии стандарта физического уровня обозначает тип кабеля.

Общие характеристики стандартов Ethernet:

• Номинальная пропускная способность – 10 Мбит/с;
• Максимальное число станций в сети – 1024;
• Максимальное расстояние между узлами в сети – 2500 м;
• Максимальное число коаксиальных сегментов в сети – 5.

 

 

1.5.2 Стандарт FastEthernet

 

Технология FastEthernet является эволюционным развитием классической технологии Ethernet. Ее основными достоинствами являются:

• увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c;
• сохранение метода случайного доступа Ethernet;
• сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля.

Указанные свойства позволяют осуществлять постепенный  переход от сетей 10Base-T – наиболее популярного на сегодняшний день варианта Ethernet – к скоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с хорошо знакомой технологией: FastEthernet не требует коренного переобучения персонала и замены оборудования во всех узлах сети. Официальный стандарт 100Base-T (802.3u) установил три различных спецификации для физического уровня для поддержки следующих типов кабельных систем:

• 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5, или экранированной витой паре STP Type 1;
• 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;
• 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля.

Для всех трёх стандартов определено:

• Форматы кадров технологии FastEthernet отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet;
• Межкадровый интервал равен 0,96 мкс, а битовый интервал равен 10 нс.;
• Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа Idle соответствующего избыточного кода, а не отсутствие сигналов, как в Ethernet.