Корпоративная сеть предприятия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Оценивая процессы функционирования современных предприятий, следует отметить тенденцию возрастающего использования компьютерных технологий в производстве, а также для управления предприятием и технологическими процессами. В зависимости от характера производства, в управлении может участвовать от одного и до сотни тысяч компьютеров, разнесенных в пространстве и соединенных средствами связи в сеть. Корпоративная сеть представляет собой систему обмена информацией и распределенной обработки данных, охватывающей небольшую территорию внутри предприятий и организаций, ориентированная на коллективное использование общесетевых ресурсов - аппаратных (оборудование сети), программных и информационных.

В дипломной проекте рассматривается тема «Корпоративная сеть предприятия».

Объектом исследования является предприятие по разработке программного обеспечения.

Предметом исследования является локальная сеть.

Целью дипломного проекта является выбор технологии, топологии и сетевого оборудования для построения локальной сети.

Актуальность проекта состоит в том, что данная локальная сеть является средством для организации эффективного функционирования предприятия по разработке программного обеспечения, которое может выражаться различными факторами: увеличение прибыли предприятия, повышение качества работы сотрудников, эффективное взаимодействие различных отделов предприятия.

Для достижения поставленных целей и задач необходимо выполнить следующие этапы работы:

- подбор литературы и изучение материалов по данной тематике;

- изучение базовых технологий построения сетей;

- рассмотрение программных и технических характеристик предприятия;

- выбор технологии сети;

- подбор сетевого оборудования;

- проектирование схемы прокладки кабеля;

- выполнение расчета экономического эффекта на создание и эксплуатацию локальной сети;

Теоретическая значимость состоит в анализе существующих технологий и применении одной из них для реализации на практике.

Практическая значимость состоит в реализации на практике проекта по проектированию корпоративной сети.



1. Анализ технологий построения локальных сетей

В дипломном проекте рассматривается построение корпоративной сети предприятия, использующего каналы оператора РУП «Белтелеком. Технологии построения сетей доступа классифицируются по различным признакам.

По среде передачи технологии можно разделить на проводные и беспроводные.

Беспроводные технологии позволяют быстро развернуть сеть без дорогостоящей прокладки кабеля, обеспечивают мобильность пользователей. Экономия от таких сетей заключается в отсутствии кабельной инфраструктуры. К недостаткам относят сильную зависимость от помех, создаваемых другими радиоустройствами, сложность при проектировании. Еще один "проблемный вопрос", который всегда возникает при рассмотрении беспроводных технологий, связан с получением разрешения на использование частот. На начальном этапе развития технологий беспроводных локальных сетей много нареканий вызывали средства безопасности. Однако можно утверждать, что на сегодня алгоритмы безопасности развились до такого уровня, который отвечает требованиям корпоративных пользователей и обеспечивают столь же высокую защищенность беспроводной ЛВС, что и механизмы, используемые в проводных сетях. Наиболее популярная технология беспроводных сетей - Wi-Fi - имеет и ряд других нерешенных проблем: в первую очередь обеспечение необходимого качества услуг - Wi-Fi не способна поддерживать разнородный трафик, поэтому возникают задержки передачи информации. Большое количество хендоверов (эстафетная передача абонента от соты к соте без разрыва соединения) при маленьких размерах сот увеличивает вероятность разрыва соединения и снижает производительность сети.

Что касается лицензии на использование частот, решением Государственной комиссии по радиочастотам при Совете Безопасности Республики Беларусь от 24 декабря 2009 г. № 35К/08 полоса радиочастот 2400 - 2483,5 МГц выделена для эксплуатации радиоэлектронных средств беспроводного широкополосного доступа (РЭС БШД) внутри зданий и сооружений при значении эквивалентной изотропной излучаемой мощности не более 100 мВт. При размещении РЭС БШД вне зданий и сооружений требуется согласование используемых полос радиочастот или радиочастотных каналов с Министерством обороны.

Использование радиочастотного спектра при эксплуатации РЭС БШД юридическими лицами и индивидуальными предпринимателями осуществляется при наличии разрешения, выдаваемого РУП «БелГИЭ». РЭС должно быть зарегистрировано в РУП «БелГИЭ», сертифицированы и не должны оказывать радиопомехи радиоэлектронным средствам других радиослужб.

Указанные недостатки делают применение беспроводных сетей выгодным только для организаций, где мобильность пользователей важней, чем постоянно хорошее качество передачи информации, а прокладка кабеля является либо невозможной, либо слишком дорогой и непрактичной. Такие сети применяют в общественных учреждениях, больницах, университетах.

В общем случае по среде передачи данных проводные технологии классифицируются в соответствии с таблицей 1.1. В таблице приведены только наиболее распространенные технологии, применимые к проектированию данной сети.

Таблица 1.1 - Классификация проводных технологий по среде доступа

Технологии проводного абонентского доступа
ТФОП	ISDN	LAN	DSL	КТВ	OAN	СКД
			Симм. доступ	Асимм. доступ
Модем ПД	ISDN-BRA	Ethernet	HDSL	ADSL	DOCSIS 1.0	FTTx	PON	HPNA
Выделенные линии	ISDN-PRA	Fast Ethernet	SDSL	ADSL 2	IPCable-Com	FTTH	APON	PLC
		Gigabit Ethernet	VDSL	ADSL 2+	Packet-Cable	FTTB	EPON	EFM
		Token Ring		VDSL	DOCSIS 1.1	FTTC	BPON
		FDDI			DOCSIS 2.0	FTTCab	GPON

Сети коллективного доступа (СКД) ориентированы на организацию доступа к сети абонентов в многоквартирных домах. К корпоративному сектору данная технология не применяется. Технологии оптического доступа (OAN) делятся на активные (FTTx) и пассивные (PON). Пассивные оптические сети используют транспортные сети, построенные на технологиях ATM (APON, BPON, GPON), Ethernet (EPON). Такие сети являются очень дорогими и не рентабельны для небольших предприятий. FTTx используют оптический кабель для подключения группы абонентов. Такая технология дешевле, чем PON и применима в корпоративном секторе .

Сети кабельного телевидения (КТВ) используют обратный канал для доступа к информационным сетям. Но для построения сети по такой технологии необходимо наличие разводки телевизионного кабеля по зданию. Для офисных зданий применение такой технологии невозможно.

Следует обратить внимание на оставшиеся технологии. По способу коммутации технологии делятся на сети с коммутацией каналов и сети с коммутацией пакетов.

При коммутации каналов коммутационная сеть образует между конечными узлами непрерывный составной физический канал из последовательно соединенных коммутаторами промежуточных канальных участков. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. Только после этого можно начинать передавать данные.

Достоинства коммутации каналов:

- постоянная и известная скорость передачи данных по установленному между конечными узлами каналу;

- низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть. Это позволяет качественно передавать данные, чувствительные к задержкам -- голос, видео, различную технологическую информацию.

Недостатки коммутации каналов:

- отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения;

- нерациональное использование пропускной способности физических каналов. Та часть пропускной способности, которая отводится составному каналу после установления соединения, предоставляется ему на все время, пока соединение не будет разорвано. Однако абонентам не всегда нужна пропускная способность канала во время соединения;

- обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.

Коммутация пакетов была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети может достигать 1:50 или даже 1:100. При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сообщения разбиваются в исходном узле на пакеты. Сообщением называется логически завершенная порция данных. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета на узел назначения, а также номер пакета. Пакеты транспортируются по сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге -- узлу назначения.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсацию трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым наиболее эффективно использовать их для повышения пропускной способности сети в целом.

Общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов. Коммутаторы более высокого уровня иерархии, которые обслуживают соединения между коммутаторами нижнего уровня, загружены более равномерно, и поток пакетов в магистральных каналах, соединяющих коммутаторы верхнего уровня, имеет практически максимальный коэффициент использования. Буферизация сглаживает пульсации, поэтому коэффициент пульсации на магистральных каналах гораздо ниже, чем на каналах абонентского доступа -- он может быть равным 1:10 или даже 1:2.

Достоинства коммутации пакетов:

- высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика;

- возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их трафика.

Недостатки коммутации пакетов:

- неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети;

- переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты мгновенных перегрузок сети;

- возможные потери данных из-за переполнения буферов. В настоящее время активно разрабатываются и внедряются методы обеспечения качества обслуживания (Quality of Service, QoS).

Время задержки в сети с коммутацией пакетов больше, чем в сети с коммутацией каналов. Рисунок 1.1 иллюстрирует задержку при передаче информации по сети с коммутацией каналов, рисунок 1.2 - по сети с коммутацией пакетов.

Рисунок 1.1 - Возникновение задержки при передаче информации по сети с коммутацией каналов

Рисунок 1.2 - Возникновение задержки при передаче информации по сети с коммутацией пакетов

Коммутация сообщений по своим принципам близка к коммутации пакетов. Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера. Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содержанием информации, составляющей сообщение. Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты.

Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше техники коммутации пакетов, но потом была вытеснена последней, как более эффективной по критерию пропускной способности сети. Сегодня коммутация сообщений работает только для некоторых не оперативных служб, причем чаще всего поверх сети с коммутацией пакетов, как служба прикладного уровня.

Одним из отличий метода коммутации пакетов от метода коммутации каналов является неопределенность пропускной способности соединения между двумя абонентами. Специалисты считают, что будущее за технологиями коммутации пакетов. Однако, переход к ним займет еще много времени. Потому на данном этапе развития телекоммуникационной инфраструктуру наиболее выгодно использовать оба типа коммутации в рамках одной сети.

В сетях с коммутацией пакетов сегодня применяется два класса механизмов передачи пакетов:

- дейтаграммная передача;

- виртуальные каналы;

Дейтаграммный способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты обрабатываются независимо друг от друга, пакет за пакетом. Принадлежность пакета к определенному потоку между двумя конечными узлами никак не учитывается. Механизм виртуальных каналов создает в сети устойчивые пути следования трафика через сеть с коммутацией пакетов. Этот механизм учитывает существование в сети потоков данных.

Следует также учитывать, что технологии помимо типа коммутации различаются по уровням модели взаимодействия открытых систем. Технологии более высокого уровня (сетевой, канальный) могут надстраиваться над технологиями более низкого уровня (канальный, физический). Далее приведено описание наиболее распространенных технологий, используемых для сети доступа.

Технология ATM не используется на сегодняшний день в сетях доступа, но рассмотреть ее необходимо. Технология АТМ долгое время считалась наиболее мультисервисной. Она основана на трансляции ячеек, которые асинхронно мультиплексируются в единый цифровой тракт в соответствии с присвоенным приоритетом. Ячейки не содержат адресной информации и контрольной суммы данных, что ускоряет их обработку и коммутацию. Технология ATM обеспечивает совместный пропуск трафика на скоростях от 1,5 Мб/с до 40 Гб/с. Большинство выпускаемых коммутаторов ATM обеспечивает производительность 155 Мбит/с. Стоимость такого оборудования часто является неприемлемо высокой, тем более такая сеть не способна работать на неэкранированной витой паре (UTP). Недостатки технологии АТМ влючают сложность технологии, относительно высокие цены оборудования, недостаточная совместимость оборудования от различных производителей. При частой передаче небольших объемов трафика) применение технологии АТМ может привести к неоправданно большим задержкам при установлении соединений и к довольно высокому проценту служебной информации, загружающей канал связи. При создании сетей с большим количеством точек доступа по виртуальным каналам сети (VPN) на основе протокола ATM становятся слишком громоздкими и трудно управляемыми. По этим причинам ATM нашла применение на транспортных сетях с большим объемом передаваемой информации.

Среди возможных вариантов построения сетей доступа наиболее популярны технологии xDSL. Эти технологии поддерживают передачу голоса, высокоскоростную передачу данных и видеосигналов. Более того, многие технологии хDSL позволяют совмещать высокоскоростную передачу данных и передачу голоса по одной и той же медной паре.

Самая большая скорость передачи данных может быть достигнута при использовании технологии VDSL (Very-High Digital Subscriber Line - сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия) из семейства xDSL. Но эта технология требует использования совместной сети (оптоволоконный кабель и медный в сочетании). VDSL имеет скорость передачи данных: от 13 до 52 Мбит/с в направлении от сети к пользователю и от 1,5 Мбит/с от пользователя к сети при работе в асимметричном режиме. Но используя технологию Ethernet можно получить скорость 100 и даже 1000 Мбит/с. при использовании только медного кабеля категории 5е.

Для корпоративного сектора технологии xDSL могут предложить качественный и недорогой доступ в Internet. Но использовать это семейство технологий для передачи данных между локальными сетями предприятия не представляется хорошим решением из-за низкой скорости.

Наиболее дешевым решением по доступу в Internet из семейства xDSL является ADSL. Основными претензиями к технологии ADSL являются низкая скорость, несимметричность технологии, что замедляет работу некоторых приложений, однако она хороша для организации доступа в Internet с гарантированной полосой пропускания.

Технология HDSL (HighBit-RateDigitalSubscriberLine - высокоскоростная цифровая абонентская линия) представляет интерес для корпоративных сетей, так как является альтернативой PDH. Скорость передачи определяется пользователем n x 64 Кбит/с вплоть до 2048 Кбит/с. АТС и оборудование ЛВС подключаются непосредственно к HDSL модему. На выходе модема получается поток Е1. Временные слоты будут разделены между различными видами информации программно. Такой вариант построения сети достаточно хорош. Он удобен для корпоративного сектора, передача данных в такой сети синхронная.

Однако наибольшее распространение получила версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары, так как монтаж и обслуживание их на много проще и дешевле. В локальных сетях Ethernet применяются топологии типа “шина” и типа “звезда”, а метод доступа CSMA/CD. Стандарт IEEE802.3 в зависимости от типа среды передачи данных имеет следующие модификации:

- 10BASE5 (толстый коаксиальный кабель) - обеспечивает скорость передачи данных 10 Мбит/с и длину сегмента до 500м;

- 10BASE2 (тонкий коаксиальный кабель) - обеспечивает скорость передачи данных 10 Мбит/с и длину сегмента до 200м;

- 10BASE-T (неэкранированная витая пара) - позволяет создавать сеть по звездной топологии. Расстояние от концентратора до конечного узла до 100м. Общее количество узлов не должно превышать 1024;

- 10BASE-F (оптоволоконный кабель) - позволяет создавать сеть по звездной топологии. Расстояние от концентратора до конечного узла до 2000м.

В сетевой технологии Ethernet разработаны высокоскоростные варианты: IEEE802.3u/Fast Ethernet и IEEE802.3z/Gigabit Ethernet. Основная топология, которая используется в локальных сетях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, пассивная звезда.

Сетевая технология Fast Ethernet способна обеспечить скорость передачи 100 Мбит/с и имеет три модификации:

- 100BASE-T4 - используется неэкранированная витая пара (счетверенная витая пара). Расстояние от концентратора до конечного узла до 100м;

- 100BASE-TX - используются две витые пары (неэкранированная и экранированная). Расстояние от концентратора до конечного узла до 100м;

- 100BASE-FX - используется оптоволоконный кабель (два волокна в кабеле). Расстояние от концентратора до конечного узла до 2000м;

Сетевая технология локальных сетей Gigabit Ethernet - обеспечивает скорость передачи 1000 Мбит/с.

Существуют следующие модификации стандарта:

- 1000BASE-SX - применяется оптоволоконный кабель с длиной волны светового сигнала 850 нм.

- 1000BASE-LX - используется оптоволоконный кабель с длиной волны светового сигнала 1300 нм.

- 1000BASE-CX - используется экранированная витая пара.

- 1000BASE-T - применяется счетверенная неэкранированная витая пара.

Локальные сети Fast Ethernet и Gigabit Ethernet совместимы с локальными сетями, выполненными по технологии (стандарту) Ethernet, поэтому достаточно просто соединять сегменты Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в единую вычислительную сеть. Многие мультимедийные устройства включают в себя порт Ethernet для подключения к ЛВС. Это значительно упрощает интеграцию оборудования в единую сеть предприятия.

Обслуживание такой сети не требует больших затрат. Типичная сеть Ethernet строится на следующем оборудовании: коммутаторы, маршрутизаторы. Использование таких устройств, как мосты и концентраторы не является перспективным решением, так как они не обладают функцией фильтрации трафика и увеличивают загруженность сети. Основные достоинства технологии Ethernet:

- В сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простота логики работы сети ведет к упрощению и, соответственно, снижению стоимости сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью.

- Хорошая расширяемость, то есть возможность подключения новых узлов.

Являясь технологией канального уровня с собственным физическим уровнем, Ethernet может быть хорошей основой для разворачивания сетей IP. Сети IP используются повсеместно и, с постепенным переходом на IP телефонию, их роль все будет возрастать. В этом видится перспектива построения сети на технологии Ethernet. В таблице 1.2 приведены основные характеристики технологий Ethernet.

Таблица 1.2 - Характеристики технологии Ethernet

Семейство технологий	Технология	Направляющая система	Максимальная скорость передачи, Мбит/с	Длина сегмента, м
Ethernet	100 Base Tx	UTP cat.5e (2 пары)	100	100
	100 Base T4	UTP cat.5e (4 пары)	100	100
	100 Base FX	ОВ	100	-
	1000 Base SX	МОВ 62,5/125 МОВ 50/125	1000	260 500
	1000 Base LX	ООВ 9/125 МОВ 50/125 МОВ 62,5/125	1000	5000 550 400
	1000 Base CX	STP	1000	25
	1000 Base TX	UTP cat.5e (4 пары)	1000	100

Как видно из таблицы, технология Ethernet предлагает выбор скоростей передачи данных и одновременно выбор направляющей системы. При этом длина сегмента сети оказывается достаточной для подключения устройств в пределах небольшого здания.

Технология Fast Ethernet обеспечивает большую скорость передачи данных, при этом использует в качестве направляющей системы кабель категории 5e. Эта технология является оптимальной для проектируемой сети.

Все сети имеют некоторые общие компоненты, функции характеристики. В их числе:

- серверы - компьютеры, предоставляющие свои ресурсы сетевым пользователям;

- клиенты - компьютеры, осуществляющие доступ к сетевым ресурсам, предоставляемым серверами;

- среда передачи - способ соединения компьютеров;

- совместно используемые данные - файлы, предоставляемые серверами по сети;

- совместно используемые периферийные устройства, например принтеры, библиотеки CD-ROM и т.д., - ресурсы, предоставляемые серверами;

- ресурсы - файлы, периферийные устройства и другие элементы, используемые в сети.

Несмотря на отмеченное сходство, сети разделяются на два типа:

- одноранговые;

- на основе сервера;

Различия между одноранговыми сетями и сетями на основе сервера принципиальны, поскольку предопределяют разные возможности этих сетей. Выбор типа сети зависит от таких факторов как масштаб предприятия, необходимая степень безопасности, вид деятельности, доступность административной поддержки, объём сетевого трафика, потребности сетевых пользователей, уровень финансирования.

В одноранговой сети (рисунок 1.3) все компьютеры равноправны - нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного сервера. Обычно каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер, нет отдельного компьютера, ответственного за всю сеть. Пользователи сами решают, какие данные на своём 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.

Рисунок 1.3 - Одноранговая сеть

Одноранговые сети относительно просты. Этим обычно и объясняется меньшая стоимость одноранговых сетей по сравнению со стоимостью сетей на основе сервера. Одноранговая сеть вполне подходит там, где количество пользователей не превышает 10 человек, пользователи расположены компактно, вопросы защиты данных не критичны и в обозримом будущем не ожидается значительного расширения фирмы и, следовательно, сети. Если эти условия выполняются, выбор одноранговой сети будет скорее всего правильным.

Если к одноранговой сети, где компьютеры выступают в роли и клиентов, и серверов, подключить более 10 пользователей, она может не справиться с объёмом возложенных на неё задач. Поэтому большинство сетей имеют другую конфигурацию - они работают на основе выделенного сервера (рисунок 1.4). Выделенным сервером 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 защищённости файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом.

Рисунок 1.4 - Сеть на основе сервера

При увеличении размера сети и объёмов сетевого графика необходимо увеличивать количество серверов. Распределение задач среди нескольких серверов гарантирует, что каждая задача будет выполняться наиболее эффективно. Основным аргументом, определяющим выбор сети на основе сервера, является, как правило, надёжность защиты данных. В таких сетях, как Windows NT, проблемами безопасности может заниматься один администратор: он формирует единую политику безопасности и применяет её в отношении каждого сетевого пользователя. Сети на основе сервера способны поддерживать тысячи пользователей. Сетями такого размера, будь они одноранговыми, управлять было бы невозможно.

Анализ показывает, что для построения сети доступа можно использовать множество различных технологий. Выбор следует осуществлять в зависимости от требований компании, материальных ресурсов предприятия и прогнозируемых объемов передаваемого трафика.



2. Технические средства локальных сетей

2.1 Топология локальных сетей

Под топологией локальной сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети, концентраторы или другое оборудование, а ребрам - связи между ними. Компьютеры (станции) и маршрутизаторы, подключаемые к сети и имеющие сетевые адреса, называются узлами сети. Оконечные узлы, которые создают или потребляют информацию, передаваемую по сети, являются хостами. Промежуточные узлы сети, через которые информация проходит, но не создается и не потребляется ими, относятся к коммуникационным узлам сети. В зависимости от выбранного типа связи различают соответствующий вид топологий.

Под физической топологией понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи (как проводными, так и беспроводными).

Конфигурация физических связей может отличаться от конфигурации логических связей между узлами сети. В этом случае под логической топологией понимают структуру логических связей, представляющих собой маршруты передачи данных между узлами сети, которые образуются соответствующей настройкой коммуникационного оборудования.

Под полносвязной топологией понимается сеть, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие сети, например, топологии типа «шина», «звезда», «кольцо», «дерево», «сетка» (рисунок 2.1). На практике нередко используют и комбинации базовых топологий, но большинство сетей ориентированы на топологии вида «шина», «звезда», «кольцо».

Общая шина (рисунок. 2.1 а) является очень распространенной (а до недавнего времени самой распространенной) топологией для локальных сетей. В этом случае компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю. Передаваемая информация может распространяться в обе стороны. Применение общей шины снижает стоимость проводки, унифицирует подключение различных модулей, обеспечивает возможность почти мгновенного широковещательного обращения ко всем станциям сети. Таким образом, основными преимуществами такой схемы являются дешевизна и простота разводки кабеля по помещениям. Самый серьезный недостаток общей шины заключается в ее низкой надежности: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. К сожалению, дефект коаксиального разъема редкостью не является. Другим недостатком общей шины является ее невысокая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Поэтому пропускная способность канала связи всегда делится между всеми узлами сети.

Рисунок 2.1 - Виды топологий: а - шина, б - звезда, в - кольцо, г - дерево (иерархическая звезда), д - сетка

Топология звезда (рисунок 2.1 б). В этом случае каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором, который находится в центре сети. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. Главное преимущество этой топологии перед общей шиной - большая надежность. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть. Кроме того, концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи. К недостаткам топологии типа звезда относится более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения концентратора. Кроме того, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора. Иногда имеет смысл, строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (рисунок 2.1 г). В настоящее время иерархическая звезда является самым распространенным типом топологии как в локальных, так и глобальных сетях.

В сетях с кольцевой конфигурацией (рисунок 2.1 в) данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении. Если компьютер распознает данные как «свои», то он копирует их себе во внутренний буфер. В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прервался канал связи между остальными станциями. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи -- данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство кольца используется для тести-рования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. Для этого в сеть посылаются специальные тестовые сообщения.

Понятие топологии сети определяет не только физическое расположение компьютеров, но и характер связей между ними, особенности распространения сигналов по сети. Именно характер связей определяет степень отказоустойчивости сети, требуемую сложность сетевой аппаратуры, наиболее подходящий метод управления обменом, возможные типы сред передачи (каналов связи), допустимый размер сети (длина линий связи и количество абонентов), необходимость электрического согласования и многое другое. Когда упоминается о топологии сети, может подразумеватся четыре совершенно разных понятия, относящихся к различным уровням сетевой архитектуры:

- физическая топология (схема расположения компьютеров и прокладки кабелей). В этом смысле, например, пассивная звезда ничем не отличается от активной звезды, поэтому ее нередко называют «звездой».

- логическая топология (структура связей, характер распространения сигналов по сети).

- топология управления обменом (принцип и последовательность передачи права на захват сети между отдельными компьютерами).

- информационная топология (направление потоков информации, передаваемой по сети).

Сеть с любой физической топологией, логической топологией, топологией управления обменом может считаться звездой в смысле информационной топологии, если она построена на основе одного единственного сервера и нескольких клиентов, общающихся только с этим сервером. В этом случае справедливы все рассуждения о низкой отказоустойчивости сети к неполадкам центра (в данном случае - сервера). Так же любая сеть может быть названа шиной в информационном смысле, если она построена из компьютеров, являющихся одновременно как серверами, так и клиентами. Такая сеть будет мало чувствительна к отказам отдельных компьютеров. Поэтому, эффективность построения и развития локальных информационных сетей в значительной степени зависит от правильности применения рассмотренных видов топологий на различных уровнях сетевой архитектуры.

2.2 Методы доступа в сетях

Метод доступа - это способ определения того, какая из рабочих станций сможет следующей использовать ЛВС. То, как сеть управляет доступом к каналу связи (кабелю), существенно влияет на ее характеристики. Примерами методов доступа являются:

- множественный доступ с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - CSMA/CD);

- множественный доступ с передачей полномочия (Token Passing Multiple Access - TPMA) или метод с передачей маркера;

- множественный доступ с разделением во времени (Time Division Multiple Access - TDMA);

- множественный доступ с разделением частоты (Frequency Division Multiple Access - FDMA) или множественный доступ с разделением длины волны (Wavelength Division Multiple Access - WDMA).

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD). Этот метод используется исключительно в сетях с общей шиной. Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Считается, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (multiply-access,MA). Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ. При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю. Для уменьшения вероятности этой ситуации непосредственно перед отправкой кадра передающая станция слушает кабель, чтобы обнаружить, не передается ли уже по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая (carrier-sense, CS), то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать. Но даже при таком алгоритме две станции одновременно могут решить, что по шине в данный момент времени нет передачи, и начать одновременно передавать свои кадры. При этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле, что приводит к искажению информации. Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемой jam-последовательностью. После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра. Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети - интенсивности возникновения в станциях потребности передачи кадров. При разработке этого метода предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мб/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, для которых требуются гораздо более высокие скорости передачи данных. Поэтому наряду с классическим Ethernet растет потребность и в новых высокоскоростных технологиях. Метод CSMA/CD определяет основные временные и логические соотношения, гарантирующие корректную работу всех станций в сети:

- Между двумя последовательно передаваемыми по общей шине кадрами информации должна выдерживаться пауза в 9.6 мкс; эта пауза нужна для приведения в исходное состояние сетевых адаптеров узлов, а также для предотвращения монопольного захвата среды передачи данных одной станцией.

- При обнаружении коллизии (условия ее обнаружения зависят от применяемой физической среды) станция выдает в среду специальную 32-х битную последовательность (jam-последовательность), усиливающую явление коллизии для более надежного распознавания ее всеми узлами сети.

- После обнаружения коллизии каждый узел, который передавал кадр и столкнулся с коллизией, после некоторой задержки пытается повторно передать свой кадр. Узел делает максимально 16 попыток передачи этого кадра информации, после чего отказывается от его передачи. Величина задержки выбирается как равномерно распределенное случайное число из интервала, длина которого экспоненциально увеличивается с каждой попыткой. Такой алгоритм выбора величины задержки снижает вероятность коллизий и уменьшает интенсивность выдачи кадров в сеть при ее высокой загрузке.

Протокол множественного случайного доступа к среде с разрешением коллизий CSMA/CD воплотил в себе идеи выше перечисленных алгоритмов и добавил важный элемент - разрешение коллизий. Поскольку коллизия разрушает все передаваемые в момент ее образования кадры, то и нет смысла станциям продолжать дальнейшую передачу своих кадров, коль скоро они (станции) обнаружили коллизии. В противном случае, значительной была бы потеря времени при передаче длинных кадров. Поэтому для своевременного обнаружения коллизии станция прослушивает среду на всем протяжении собственной передачи. Основные правила алгоритма CSMA/CD для предающей станции. Передача кадра (рисунок 2.2):

- Станция, собравшаяся передавать, прослушивает среду. И передает, если среда свободна. В противном случае переходит к шагу 2. При передаче нескольких кадров подряд, станция выдерживает определенную паузу между посылками кадров - межкадровый интервал, причем после каждой такой паузы перед отправкой следующего кадра станция вновь прослушивает среду (возвращение на начало шага 1);

- Если среда занята, станция продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не станет свободной, и затем сразу же начинает передачу;

- Каждая станция, ведущая передачу прослушивает среду, и в случае обнаружения коллизии, не прекращает сразу же передачу а сначала передает короткий специальный сигнал коллизии - jam-сигнал, информируя другие станции о коллизии, и прекращает передачу;

- После передачи jam-сигнала станция замолкает и ждет некоторое произвольное время в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки и затем возвращаясь к шагу 1.

Межкадровый интервал IFG (interframe gap) составляет 9,6 мкм или (12 байт). Он необходим для того, чтобы принимающая станция могла корректно завершить прием кадра. Кроме этого, если бы станция передавала кадры непрерывно, она бы полностью захватила канал и тем самым лишила другие станции возможности передачи.

Рисунок 2.2- Блок- схема алгоритма CSMA/CD (уровень MAC): при передаче кадра станцией

Jam-сигнал (jamming - дословно глушение). Передача jam-сигнала гарантирует, что не один кадр не будет потерян, так как все узлы, которые передавали кадры до возникновения коллизии, приняв jam-сигнал, прервут свои передачи и замолкнут в преддверии новой попытки передать кадры. Jam-сигнал должен быть достаточной длины, чтобы он дошел до самых удаленных станций коллизионного домена, с учетом дополнительной задержки SF (safety margin) на возможных повторителях. Содержание jam-сигнала не принципиально за исключением того, что оно не должно соответствовать значению поля CRC частично переданного кадра (802.3), и первые 62 бита должны представлять чередование `1' и `0' со стартовым битом `1'.

На рисунке 2.3 проиллюстрирован процесс обнаружения коллизии применительно к топологии шина (на основе тонкого или толстого коаксиального кабеля (стандарты 10Base5 и 10Base2 соответственно)). В момент времени узел A (DTE A) начинает передачу, естественно прослушивая свой же передаваемый сигнал. В момент времени , когда кадр почти дошел узла B(DTE B), этот узел, не зная о том, что уже идет передача, сам начинает передавать. В момент времени , узел B обнаруживает коллизию (увеличивается постоянная составляющей электрического сигнала в прослушиваемой линии). После этого узел B передает jam-сигнал и прекращает передачу. В момент времени сигнал коллизии доходит до узла A, после чего A также передает jam-сигнал и прекращает передачу.

Рисунок 2.3 - обнаружение коллизии при использовании схемы CSMA/CD

По стандарту IEEE 802.3 узел не может предавать очень короткие кадры, или иными словами вести очень короткие передачи. Как говорилось при описании формата кадра, даже если поле данных не заполнено до конца, то появляется специальное дополнительное поле, удлиняющее кадр до минимальной длины 64 байта без учета преамбулы. Время канала ST (slot time)- это минимальное время, в течении которого узел обязан вести передачу, занимать канал. Это время соответствует передаче кадра минимального допустимого размера, принятого стандартом. Время канала связано с максимальным допустимым расстоянием между узлами сети - диаметром коллизионного домена. Допустим, что в приведенном выше примере реализуется наихудший сценарий, когда станции A и B удалены друг от друга на максимальное расстояние. Время, распространения сигнала от A до B обозначено через . Узел A начинает передавать в нулевой момент времени. Узел B начинает передавать в момент времени и обнаруживает коллизию спустя интервал после начала своей передачи. Узел A обнаруживает коллизию в момент времени . Для того, чтобы кадр, испущенный A, не был потерян, необходимо, чтобы узел A не прекращал вести передачу к этому моменту, так как тогда, обнаружив коллизию, узел A будет знать, что его кадр не дошел, и попытается передавать его повторно. В противном случае кадр будет потерян. Максимальное время, спустя которое с момента начала передачи узел A еще может обнаружить коллизию равно - это время называется задержкой на двойном пробеге RTD (round-trip delay). В более общем случае RTD определяет суммарную задержку, связанную как с задержкой из-за конечной длины сегментов, так и с задержкой, возникающей при обработке кадров на физическом уровнем промежуточных повторителей и оконечных узлов сети. Также удобно использовать другую единицу измерения времени: битовое время BT (bit time). Время в 1 BT соответствует времени, необходимому для передачи одного бита, т.е. 0,1 мкс при скорости 10 Мбит/с.

Стандартом Ethernet регламентированы следующие правила обнаружения коллизии конечным узлом сети:

- Узел A должен обнаружить коллизию до того, как передаст свой 512-й бит, включая биты преамбулы;

- Узел A должен прекратить передачу раньше, чем будет передан кадр минимальной длины - передано 576 бит (512 бит, начиная отсчет после ограничителя начала кадра SFD);

- Перекрытие между передачами узлов A и B - битовый интервал начиная с момента передачи первого бита преамбулы узлом A и заканчивая приемом узлом A последнего бита испущенного узлом B - должно быть меньше чем 575 BT. Это условие для сети Ethernet является наиболее важным, поскольку его выполнение автоматически влечет выполнение и первых двух. Это третье условие задает ограничение на диаметр сети. Применительно к задержке на двойном пробеге RTD третье условие можно сформулировать в виде: T.

При передаче больших кадров, например 1500 байт, коллизия, если она вообще возникнет, обнаруживается практически в самом начале передачи, не позднее первых 64 переданных байт (если коллизия не возникла в это время, то позже она уже не возникнет, поскольку все станции прослушивают линию и, "слыша" передачу, будут молчать). Так как jam-сигнал значительно короче полного размера кадра, то при использовании алгоритма CSMA/CD количество израсходованной в холостую емкости канала сокращается до времени, требуемого на обнаружение коллизии. Раннее обнаружение коллизий приводит к более эффективному использованию канала. Позднее обнаружение коллизий, свойственное более протяженным сетям, когда диаметр коллизионного домена составляет несколько километров, снижает эффективность работы сети. На основании упрощенной теоретической модели поведения загруженной сети (в предположении большого числа одновременно передающих станций и фиксированной минимальной длины передаваемых кадров у всех станций) можно выразить производительность сети U через отношение RTD/ST:

, (2.1)

где - основание натурального логарифма. На производительность сети влияет размер транслируемых кадров и диаметр сети. Производительность в наихудшем случае (когда RDT=ST) составляет около 37%, а в наилучшем случае (когда RTD много меньше, чем ST) стремится к 1. Хотя формула и выведена в пределе большого числа станций, пытающихся передавать одновременно, она не учитывает особенностей алгоритма усеченной бинарной экспоненциальной задержки, рассмотренного ниже, и не справедлива для сильно перегруженной коллизиями сети, например, когда станций, желающих передавать, становится больше 15.

Усеченная бинарная экспоненциальная задержка (truncated binary exponential backoff). При возникновении коллизии в алгоритме CSMA/CD стация подсчитывает, сколько раз подряд при отправке пакета возникает коллизия. Поскольку повторяющиеся коллизии свидетельствуют о высокой загруженности среды, MAC-узел пытается увеличивать задержку между повторными попытками передачи кадра. Соответствующая процедура увеличения интервалов времени подчиняется правилу усеченной бинарной экспоненциальной задержки и работает следующим образом. Количество слотовых времен (интервалов по 51,2 мкс), которое станция ждет, перед тем как совершить N-ую попытку передачи (N-1 попыток из-за возникновения коллизий во время передачи не удались) представляет случайное целое число с однородной функцией распределения в интервале 0?R<2^k где K =min(N,BL), и BL (backoff limit) - установленная стандартом предельная задержка, равная 10. Если количество последовательных безуспешных попыток отправить кадр доходит до 16 - коллизия возникает 16 раз подряд, то кадр сбрасывается.

Алгоритм CSMA/CD с использованием усеченной бинарной экспоненциальной задержки признан лучшим среди множества алгоритмов случайного доступа и обеспечивает эффективную работу сети как при малых, так и при средних загрузках. При больших загрузках следует отметить два недостатка. Во-первых, при большом числе коллизий станция 1, которая впервые собирается отправить кадр (до этого не пыталась передавать кадры), имеет преимущество перед станцией 2, которая уже несколько раз безуспешно пыталась передать кадр, натыкаясь на коллизии. Поскольку станция 2 ожидает значительное время перед последующими попытками в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки. Таким образом, может наблюдаться нерегулярность передачи кадров, что нежелательно для зависящих от времени приложений. Во-вторых, при большой загруженности снижается эффективность работы сети в целом. Оценки показывают, что при одновременной передаче 25 станций общая полоса пропускания снижается примерно в 2 раза. Но число станций в коллизионном домене может быть больше, поскольку далеко не все они одновременно будут обращаться к среде.

Прием кадра структурно изображен на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Структурная схема алгоритма CSMA/CD (уровень MAC): при приеме кадра станцией

Принимающая станция или другое сетевое устройство, например, концентратор или коммутатор первым делом синхронизируется по преамбуле и затем преобразовывает манчестерский код в бинарную форму (на физическом уровне). Далее обрабатывается бинарный поток. На уровне MAC оставшиеся биты преамбулы сбрасываются, а станция читает адрес назначения и сравнивает его со своим собственным. Если адреса совпадают, то поля кадра за исключением преамбулы, SDF и FCS помещаются в буфер и вычисляется контрольная сумма, которая сравнивается с полем контрольной последовательности кадра FCS (используется метод циклического суммирования CRC-32). Если они равны, то содержимое буфера передается протоколу более высокого уровня. В противном случае кадр сбрасывается. Возникновение коллизии при приеме кадра обнаруживается либо по изменению электрического потенциала, если используется коаксиальный сегмент, либо по факту приема дефектного кадра, неверная контрольная сумма, если используется витая пара или оптическое волокно. В обоих случая принятая информация сбрасывается. Значения основных параметров процедуры передачи кадра по стандарту 802.3 приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Значения основных параметров передачи кадра стандарта 802.3

	Основные функциональные параметры стандарта IEEE 802.3
Битовая скорость, Мбит/с	10 (Манчестерское кодирование)
Время слота, мкс (бит) Интервал отсрочки	51,2 (512) битовых интервалов
Межкадровый интервал, мкс (бит)	9,6 (96)
Макс. длина кадра (без преамбулы), байты	1518
Мин. длина кадра (без преамбулы), байты	64

Множественный доступ с передачей полномочия (Token Passing Multiple Access - TPMA) или метод с передачей маркера TPMA . Метод с передачей маркера - это метод доступа к среде, в котором от рабочей станции к рабочей станции передается маркер, дающий разрешение на передачу сообщения. При получении маркера рабочая станция может передавать сообщение, присоединяя его к маркеру, который переносит это сообщение по сети. Каждая станция между передающей станцией и принимающей видит это сообщение, но только станция - адресат принимает его. При этом она создает новый маркер. Маркер (token), или полномочие, - уникальная комбинация битов, позволяющая начать передачу данных. Алгоритм множественного доступа с передачей полномочия, или маркера, приведен на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Алгоритм TPMA

Каждый узел принимает пакет от предыдущего, восстанавливает уровни сигналов до номинального уровня и передает дальше. Передаваемый пакет может содержать данные или являться маркером. Когда рабочей станции необходимо передать пакет, ее адаптер дожидается поступления маркера, а затем преобразует его в пакет, содержащий данные, отформатированные по протоколу соответствующего уровня, и передает результат далее по ЛВС. Пакет распространяется по ЛВС от адаптера к адаптеру, пока не найдет своего адресата, который установит в нем определенные биты для подтверждения того, что данные достигли адресата, и ретранслирует его вновь в ЛВС. После чего пакет возвращается в узел, из которого был отправлен. Здесь после проверки безошибочной передачи пакета, узел освобождает ЛВС, выпуская новый маркер. Таким образом, в ЛВС с передачей маркера невозможны коллизии (конфликты). Метод с передачей маркера в основном используется в кольцевой топологии.