Разработка ЛВС сети предприятия
ВВЕДЕНИЕ
Лока́льная вычисли́тельная сеть (ЛВС, , LAN) — компьютерная сеть, покрывающая обычно относительно небольшую территорию или небольшую группу зданий (дом, офис, фирму, институт). Также существуют локальные сети, узлы которых разнесены географически на расстояния более 12 500 км (космические станции и орбитальные центры). Несмотря на такие расстояния, подобные сети всё равно относят к локальным.
Существует множество способов классификации сетей. Основным критерием классификации принято считать способ администрирования. То есть в зависимости от того, как организована сеть и как она управляется, её можно отнести к локальной, распределённой, городской или глобальной сети. Управляет сетью или её сегментом сетевой администратор. В случае сложных сетей их права и обязанности строго распределены, ведётся документация и журналирование действий команды администраторов.
Компьютеры могут соединяться между собой, используя различные среды доступа: медные проводники (витая пара), оптические проводники (оптические кабели) и через радиоканал (беспроводные технологии). Проводные связи устанавливаются через Ethernet, беспроводные — через Wi-Fi, Bluetooth, GPRS и прочие средства. Отдельная локальная вычислительная сеть может иметь связь с другими локальными сетями через шлюзы, а также быть частью глобальной вычислительной сети (например, Интернет) или иметь подключение к ней.
Чаще всего локальные сети построены
на технологиях Ethernet или Wi-Fi
Маршрутизация в локальных сетях используется примитивная, если она вообще необходима. Чаще всего это статическая либо динамическая маршрутизация (основанная на протоколе RIP).
Иногда в локальной сети организуются рабочие группы — формальное объединение нескольких компьютеров в группу с единым названием.
Сетевой администратор — человек, ответственный за работу локальной сети или её части. В его обязанности входит обеспечение и контроль физической связи, настройка активного оборудования, настройка общего доступа и предопределённого круга программ, обеспечивающих стабильную работу сети.
Технологии локальных сетей реализуют, как правило, функции только двух нижних уровней модели OSI - физического и канального. Функциональности этих уровней достаточно для доставки кадров в пределах стандартных топологий, которые поддерживают LAN: звезда (общая шина), кольцо и дерево. Однако из этого не следует, что компьютеры, связанные в локальную сеть, не поддерживают протоколы уровней, расположенных выше канального. Эти протоколы также устанавливаются и работают на узлах локальной сети, но выполняемые ими функции не относятся к технологии LAN.
1 ОБЩАЯ ЧАСТЬ
1.1 История развития
1966 г.: К. Ч. Као и Дж.А. Хокхем (Standart Telecommunication Laboratories) сформулировали требования на систему передачи информации по стеклянным волокнам и показали возможность создания оптического стеклянного волокна с затуханием менее 20 дБ/км. Они пришли к выводу, что высокий уровень затухания, присущий первым волокнам (около 1000 дБ/км), связан с присутствующими в стекле примесями
1967 г. Первая в мире ЛВС. Дональд Дэвис (Donald Davies) в Национальной физической лаборатории Великобритании (British National Physics Laboratory)
1968 г. в Лаборатории
Белла исследователь В. Чу (W. W. Chu)
вводит термин "Asynchronous Time Division Multiplexing"
- так зарождается технология ATM.
В том же году Министерство
обороны США одобрило черновой
1969-м исследования, финансировавшиеся IPTO, директором которого в это время был Роберт Тейлор, привели к тому, что в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе Леонард Клейнрок создал ARPANET - первый узел будущего Интернета.
1970 г.: Роберт Маурер и Дональд Кек (Corning Glass Work) получили оптическое волокно с потерями 16 дБ/км. Эту дату можно смело называть началом использования волоконной оптики.
1970-м, на Гавайских островах Норман Абрамсон (Norman Abramson) создал сеть ALOHA - прообраз будущих и Ethernet, и IEEE 802.11.
1972 г. в лабораторных условиях получено оптическое волокно с потерями 4 дБ/км (Corning Glass Work)
1973 22 мая Боб Меткалф подает в фирме Xerox записку с предложением создать Ethernet
1974 г. разработано градиентное многомодовое волокно;
1974 г. описан метод изготовления заготовок волокна – метод внутреннего осаждения из газовой фазы (MCVD);
1976 г. открыто третье окно (1,55 мкм) в спектральном диапазоне работы ВОСП (компания NTT);
1976 г. стандартизованы размеры многомодового волокна;
1977 г. внедрена первая коммерческая телефонная система на волоконно-оптическом кабеле (США). Информация передавалась со скоростью 44.7 Мб/сек одновременно по 672 каналам;
1977 г. разработан метод наружного осаждения (OVD) для производства заготовок волокна (Corning);
1978 г. получено затухание в оптическом волокне 0,2 дБ/км (на рабочей длине волны 1,55 мкм);
1980 г. первая коммерческая ВОСП (между Бостоном и Ричмондом, США), три рабочих длины волны, градиентное многомодовое волокно, скорость передачи информации 45 Мбит/с;__
1980 г. передача по волоконной линии видеосигнала с Зимней Олимпиады в Лейк Плэсиде (градиентное многомодовое волокно, рабочая длина волны 0,85 мкм);
1981 г. получена скорость передачи сигнала 140 Мбит/с в одномодовом волокне длиной 49 км, рабочая длина волны 1,3 мкм. Начало работ с одномодовыми волокнами со смещенной дисперсией;
1981 г. - фирмой 3com представлен Ethernet - трансивер.
1982 г. - первый сетевой адаптер для персонального компьютера.
1982 г. скорость передачи в одномодовом волокне достигла 400 Мбит/с (1,3 мкм);
1983 г. стандартизовано одномодовое волокно с нулевой дисперсией на длине волны 1,3 мкм (G652);
1983 г. - появление спецификации IEEE 802.3, определена шинная топология сети 10base5 (толстый Ethernet) и 10base2 (тонкий Ethernet). Скорость передачи 10 Мбит/сек. Определено предельное расстояние между точками одного сегмента - 2, 5 км.
1985 г. - выпущена вторая версия спецификации IEEE 802.3 (Ethernet II), в которой были внесены небольшие изменения в структуру заголовка пакета. Сформирована жесткая идентификация Ethernet устройств (МАС - адреса). Был создан список адресов, в котором любой производитель может зарегистрировать уникальный диапазон.
1990 г. - IEEE утверждает технологию 10baseT (витая пара) с физической топологией звезда и концентраторами (hub). Логическая топология CSMA/CD не изменилась. В основу стандарта легли разработки Synoptics Communications под общим названием LattisNet.
1990 г. - фирма "Kalpana" (впоследствии быстро купленная вместе с разработанным коммутатором CPW16 начинающим гигантом "Cisco") предлагает технологию коммутации, основанную на отказе от использования разделяемых линий связи между всеми узлами сегмента.
1992 г.- начало применения
коммутаторов (swich). Используя адресную
информацию, содержащуюся в пакете (МАС
адрес), коммутатор организует независимые
виртуальные каналы между парами узлов.
Коммутация фактически незаметно для
пользователя преобразует недетерминированную
модель Ethernet (с конкурентной борьбой за
полосу пропускания), в систему с адресной
передачей данных.
1993
г. - спецификации IEEE 802. 3x, появляется полный
дуплекс и контроль соединения для 10baseT,
спецификация IEEE 802. 1p добавляет групповую
адресацию и 8 - ми уровневую систему приоритетов.
1994 г. создание одномодового волокна с ненулевой дисперсией на длине 1,55 мкм - волокна со смещенной ненулевой дисперсией (G655);
1995 г. введен Fast Ethernet стандарт IEEE 802. 3u (100BaseT).
1999 г. альянс GEA сумел разработать спецификацию гигабитовой сети с длиной сегмента 100 м при использовании в качестве среды передачи неэкранированной витой пары. Стандарт называется 1000Base-T и является продолжателем традиций формата 100Base-T4
2000 г. создание волокна с низким поглощением в области водяного пика;
2000 -2002 гг. DWDM-системы с пропускной способностью до 1,6 Тбит/сек;
2002 г. была утверждена спецификация IEEE 802.3ae (10 Gigabit Ethernet)
2010 г. Принята спецификация под названием IEEE 802.3ba-2010(40 и 100 Gigabit Ethernet)
1.2 Классификация сетей
Не смотря
на то, что все сети имеют определенное
сходство, они разделяются на два типа:
- одноранговые;
- на основе
выделенного сервера.
Различия между одноранговыми сетями
и сетями на основе выделенного сервера
принципиальны, поскольку предопределяют
разные возможности этих сетей. Выбор
типа сети зависит
от многих факторов:
- размера
предприятия;
- необходимой
степени безопасности;
- вида бизнеса;
- доступности
административной поддержки;
- объема
сетевого трафика;
- потребности
сетевых пользователей;
- уровня
финансирования.
Одноранговые сети:
В одноранговой
сети все компьютеры равноправны: нет
иерархии среди компьютеров и нет выделенного
сервера(рис.1). Обычно каждый компьютер
функционирует и как клиент и как сервер;
иначе говоря, нет отдельного компьютера,
ответственного за всю сеть. Пользователи
сами решают, какие данные на своем компьютере
сделать доступными по сети.
Одноранговые
сети, чаще всего, объединяют не более
10 компьютеров. Отсюда их другое название
– рабочая группа, т.е. небольшой коллектив
пользователей. Одноранговые сети относительно
просты. Поскольку каждый компьютер является
одновременно и клиентом и сервером, нет
необходимости устанавливать мощный центральный
сервер или другие компоненты обязательные
для сложных сетей. Этим обычно и объясняется
меньшая стоимость одноранговых сетей
по сравнению со стоимостью
сетей на основе
серверов.
В одноранговой сети требование к производительности
и защищенности сетевого
программного обеспечения, как правило,
ниже, чем те же требования к программному
обеспечению выделенных серверов. Выделенные
серверы всегда функционируют только
как серверы, но не клиенты или рабочие
станции.
В такие операционные системы, как Windows
XP, Vista, Windows 7, а так же linux Fedora, Mandriva,
Ubuntu поддержка
одноранговых сетей встроена. Поэтому,
чтобы организовать одноранговую сеть
дополнительного программного обеспечения
не требуется.
Одноранговая сеть вполне подходит там,
где:
- количество
пользователей не превышает 10 человек;
- пользователи
расположены компактно;
- вопросы
защиты данных не критичны;
- в обозримом будущем не ожидается значительного
расширения фирмы, а, следовательно, и сети.
В то же время одноранговой сети присущи
некоторые недостатки:
- отсутствие
сетевого администрирования;
- выделение части вычислительной мощи
сетевым пользователям для поддержки
доступа к своим ресурсам;
- отсутствие централизованного управления
для обеспечения нормальной защиты сети;
- каждый
пользователь в одноранговой сети должен
обладать;
- достаточным
уровнем знаний, чтобы успешно выполнять
обязанности не только
пользователя, но и администратора своего
компьютера.
Сети на основе выделенного сервера:
Большинство сетей имеют другую конфигурацию
– они работают на основе выделенного
сервера(рис.2). Выделенным называется
такой сервер, который функционирует только
как сервер и не используется в качестве
клиента или рабочей станции. Он оптимизирован
для быстрой обработки запросов от сетевых
клиентов и для повышения защищенности
файлов или каталогов. Сети на основе серверов
стали промышленным стандартом. При увеличении
размеров сети и объема сетевого трафика
необходимо увеличивать количество серверов.
Распределение задач среди нескольких
серверов гарантирует, что каждая задача
будет выполняться наиболее эффективно. Круг задач,
который должны выполнять серверы, многообразен
и сложен. Чтобы серверы отвечали современным
требованиям пользователей, в больших
сетях их делают специализированными.
Такие как: сервер рабочей
группы, сервер контроллер домена, прокси
сервер, сервер электронной почты, веб
сервер, терминальный сервер,
сервер баз данных, сервер баз данных,
серверы приложений, серверы DHCP, серверы
FTP, Принт-серверы.
Наиболее распространенные описаны ниже.
Серверы
служб каталога. Служба каталогов
(Directory Service) в контексте компьютерных
сетей - программный комплекс, позволяющий
администратору работать с упорядоченным
по ряду признаков массивом информации
о сетевых ресурсах (общие папки, сервера
печати, принтеры, пользователи и т.д.),
хранящимся в едином месте, что обеспечивает
централизованное управление, как самими
ресурсами, так и информацией о них, а также
позволяющий контролировать использование
их третьими лицами.
Серверы файлов и печати. Серверы файлов
и печати управляют доступом пользователей
к файлам и принтерам. Так, чтобы работать
с текстовым процессором,
прежде всего должны запустить
его на своем компьютере. Документ
текстового процессора, хранящийся на
сервере файлов, загружается в память
компьютера, и теперь можно работать с этим документом
на своем компьютере. Другими словами,
сервер файлов предназначен для хранения
данных.
Серверы приложений. На серверах приложений
выполняются прикладные задачи
клиент серверных приложений, а так же
находятся данные доступные
клиентам. Например, чтобы ускорить
поиск данных серверы хранят большие объемы
информации в структурированном виде.
Эти серверы отличаются от серверов файлов
и печати. В последних файл или данные
целиком копируются
на запрашивающий компьютер. А в сервере
приложений на клиентский компьютер
пересылаются только результаты запроса.
Приложение-клиент на удаленном компьютере
получает доступ к данным, сохраняемым
на сервере приложений. Однако, вместо
всей базы данных на Ваш компьютер с сервера загружается
только результаты запроса.
1.3 Топология сети
Термин
“топология” или “топология сети”, обозначает
физическое расположение компьютеров,
кабелей и других сетевых
компонентов.
Топология – стандартный термин, который
используется профессионалами при описании
базовой схемы сети. Чтобы совместно использовать
ресурсы или выполнять другие сетевые
задачи, компьютеры должны быть подключены
друг к другу. Для этой цели в большинстве
сетей применяется кабель. Однако просто
подключить компьютер к кабелю, соединяющему
другие компьютеры недостаточно. Различные
типы кабелей в сочетании с различными
сетевыми платами, сетевыми операционными
системами и различными компонентами
требуют и различных методов реализации.
Все сети стоятся на основе трех базовых
топологий:
- шина;
- звезда;
- кольцо.
Сами по себе базовые топологии не сложны.
Однако на практике часто встречаются
довольно сложные комбинации, сочетающие
свойства и характеристики нескольких
топологий.
Шина:
Шина (bus) — все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи. Информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам.
Топология шина (или,
как ее еще называют, общая шина) самой
своей структурой предполагает идентичность
сетевого оборудования компьютеров, а
также равноправие всех абонентов по доступу
к сети. Компьютеры в шине могут передавать
информацию только по очереди, так как линия связи в данном
случае единственная. Если несколько компьютеров
будут передавать информацию одновременно,
она исказится в результате наложения
( конфликта, коллизии ). В шине
всегда реализуется режим так называемого полудуплексного (
В топологии шина отсутствует явно выраженный центральный абонент, через которого передается вся информация, это увеличивает ее надежность (ведь при отказе центра перестает функционировать вся управляемая им система). Добавление новых абонентов в шину довольно просто и обычно возможно даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании шины требуется минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другими топологиями.
Важное преимущество шины состоит в том, что при отказе любого из компьютеров сети, исправные машины смогут нормально продолжать обмен.
Отказ сетевого оборудования любого абонента в шине может вывести из строя всю сеть. К тому же такой отказ довольно трудно локализовать, поскольку все абоненты включены параллельно, и понять, какой из них вышел из строя, невозможно.
При прохождении по линии связи сети с топологией шина информационные сигналы ослабляются и никак не восстанавливаются, что накладывает жесткие ограничения на суммарную длину линий связи. Причем каждый абонент может получать из сети сигналы разного уровня в зависимости от расстояния до передающего абонента. Это предъявляет дополнительные требования к приемным узлам сетевого оборудования.
Для увеличения длины
сети с топологией шина
часто используют несколько сегментов (частей
сети, каждый из которых представляет
собой шину), соединенных между собой с
помощью специальных усилителей и восстановителей
сигналов — репитеров или повторителей
Звезда:
Звезда (star) — к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них использует отдельную линию связи. Информация от периферийного компьютера передается только центральному компьютеру, от центрального — одному или нескольким периферийным.
Звезда — это единственная топология сети с явно выделенным центром, к которому подключаются все остальные абоненты. Обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который ложится большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он, как правило, заниматься не может. Понятно, что сетевое оборудование центрального абонента должно быть существенно более сложным, чем оборудование периферийных абонентов. О равноправии всех абонентов (как в шине) в данном случае говорить не приходится. Обычно центральный компьютер самый мощный, именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе невозможны, так как управление полностью централизовано.
Если говорить об устойчивости звезды к отказам компьютеров, то выход из строя периферийного компьютера или его сетевого оборудования никак не отражается на функционировании оставшейся части сети, зато любой отказ центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной. В связи с этим должны приниматься специальные меры по повышению надежности центрального компьютера и его сетевой аппаратуры.
Обрыв кабеля или короткое замыкание в нем при топологии звезда нарушает обмен только с одним компьютером, а все остальные компьютеры могут нормально продолжать работу.
В отличие от шины, в звезде на каждой линии связи находятся только два абонента: центральный и один из периферийных. Чаще всего для их соединения используется две линии связи, каждая из которых передает информацию в одном направлении, то есть на каждой линии связи имеется только один приемник и один передатчик. Это так называемая передача точка-точка. Все это существенно упрощает сетевое оборудование по сравнению с шиной и избавляет от необходимости применения дополнительных, внешних терминаторов.
Серьезный недостаток топологии звезда состоит в жестком ограничении количества абонентов. Обычно центральный абонент может обслуживать не более 8—16 периферийных абонентов. В этих пределах подключение новых абонентов довольно просто, но за ними оно просто невозможно. В звезде допустимо подключение вместо периферийного еще одного центрального абонента (в результате получается топология из нескольких соединенных между собой звезд).
Существует также топология, называемая пассивной звездой, которая только внешне похожа на звезду (рис.4). В настоящее время она распространена гораздо более широко, чем активная звезда. Она используется в наиболее популярной сегодня сети Ethernet.
В центре сети с данной топологией помещается не компьютер, а специальное устройство — концентратор или, как его еще называют, хаб (hub), которое выполняет ту же функцию, что и репитер, то есть восстанавливает приходящие сигналы и пересылает их во все другие линии связи.
Рис.4
Кольцо:
Кольцо (ring) — компьютеры последовательно объединены в кольцо. Передача информации в кольце всегда производится только в одном направлении. Каждый из компьютеров передает информацию только одному компьютеру, следующему в цепочке за ним, а получает информацию только от предыдущего в цепочке компьютера.
Кольцо — это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи с двумя другими: от одного он получает информацию, а другому передает. На каждой линии связи, как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приемник (связь типа точка-точка). Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов.
Важная особенность кольца состоит в том, что каждый компьютер ретранслирует (восстанавливает, усиливает) приходящий к нему сигнал, то есть выступает в роли репитера. Затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. На практике размеры кольцевых сетей достигают десятков километров (например, в сети FDDI). Кольцо в этом отношении существенно превосходит любые другие топологии.
Четко выделенного центра при кольцевой топологии нет, все компьютеры могут быть одинаковыми и равноправными. Однако довольно часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует его. Понятно, что наличие такого единственного управляющего абонента снижает надежность сети, так как выход его из строя сразу же парализует весь обмен.
Компьютеры в кольце не являются полностью равноправными (в отличие, например, от шинной топологии ). Ведь один из них обязательно получает информацию от компьютера, ведущего передачу в данный момент, раньше, а другие — позже. Именно на этой особенности топологии и строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на кольцо. В таких методах право на следующую передачу (захват сети) переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру. Подключение новых абонентов в кольцо выполняется достаточно просто, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае шины, максимальное количество абонентов в кольце может быть довольно велико (до тысячи и больше). Кольцевая топология обычно обладает высокой устойчивостью к перегрузкам, обеспечивает уверенную работу с большими потоками передаваемой по сети информации, так как в ней, как правило, нет конфликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды), который может быть перегружен большими потоками информации.
Сигнал в кольце проходит последовательно через все компьютеры сети, поэтому выход из строя хотя бы одного из них (или же его сетевого оборудования) нарушает работу сети в целом. Это существенный недостаток кольца.
Точно так же обрыв или короткое замыкание в любом из кабелей кольца делает работу всей сети невозможной. Из трех рассмотренных топологий кольцо наиболее уязвимо к повреждениям кабеля, поэтому в случае топологии кольца обычно предусматривают прокладку двух (или более) параллельных линий связи, одна из которых находится в резерве.
Иногда сеть с топологией кольцо выполняется на основе двух параллельных кольцевых линий связи, передающих информацию в противоположных направлениях (рис.5). Цель подобного решения — увеличение (в идеале — вдвое) скорости передачи информации по сети. К тому же при повреждении одного из кабелей сеть может работать с другим кабелем (правда, предельная скорость уменьшится).
Комбинированные топологии:
Довольно часто применяются комбинированные топологии, среди которых наиболее распространены звездно-шинная (рис.6) и звездно-кольцевая (рис.7).
В звездно-шинной
(star-bus) топологии
В случае звездно-кольцевой (star-ring) топологии в кольцо объединяются не сами компьютеры, а специальные концентраторы (изображенные на рис.7 в виде прямоугольников), к которым в свою очередь подключаются компьютеры с помощью звездообразных двойных линий связи. В действительности все компьютеры сети включаются в замкнутое кольцо, так как внутри концентраторов линии связи образуют замкнутый контур (как показано на рис.7). Данная топология дает возможность комбинировать преимущества звездной и кольцевой топологий. Например, концентраторы позволяют собрать в одно место все точки подключения кабелей сети. Если говорить о распространении информации, данная топология равноценна классическому кольцу.
1.4 Протоколы, используемые в ЛВС
Протоколы (protocols) — это набор правил и процедур, регулирующих порядок осуществления некоторой связи. Например, дипломаты какой-либо страны четко придерживаются протокола при общении с дипломатами других стран. В компьютерной среде правила связи служат тем же целям. Протоколы — это правила и технические процедуры, позволяющие нескольким компьютерам при объединении в сеть общаться друг с другом.
Существует множество протоколов. И хотя все они участвуют в реализации связи, каждый протокол имеет различные цели, выполняет различные задачи, обладает своими преимуществами и ограничениями.
Протоколы работают на разных уровнях модели OSI. Функции протокола определяются уровнем, на котором он работает. Если, например, какой-то протокол работает на Физическом уровне, то это означает, что он обеспечивает прохождение пакетов через плату сетевого адаптера и их поступление в сетевой кабель.
Таблица 1
Тип данных |
Уровень (layer) |
Функции |
Данные |
7. Прикладной (application) |
Доступ к сетевым службам |
6. Представительский (presentation) |
Представление и кодирование данных | |
5. Сеансовый (session) |
Управление сеансом связи | |
Сегменты |
4. Транспортный (transport) |
Прямая связь между конечными пунктами и надежность |
Пакеты |
3. Сетевой (network) |
Определение маршрута и логическая адресация |
Кадры |
2. Канальный (data link) |
Физическая адресация |
Биты |
1. Физический (physical) |
Работа со средой передачи, сигналами и двоичными данными |
- Физический.
Пример протоколов физического уровня: IEEE 802.15 (Bluetooth), IRDA, EIA RS-232,
- Канальный (data link)
Пример протоколов канального уровня:Econet, Ethernet, Ether
- Сетевой (network)
Пример протоколов сетевого уровня: IP/IPv4/IPv6 (Internet Protocol), IPX (Internetwork Packet Exchange, протокол межсетевого обмена).
